基于沖擊韌性的鋼結(jié)構(gòu)厚板防止

摘  要：建筑鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)正逐步興起，結(jié)構(gòu)向高層、超高層或大跨度方向發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了鋼材的厚板化。我國(guó)存在著大范圍的寒冷地區(qū)，環(huán)境低溫和鋼板厚度增大導(dǎo)致鋼材的韌性變差，從而使鋼結(jié)構(gòu)厚板工程的應(yīng)用面臨著較為嚴(yán)峻的低溫冷脆問(wèn)題。而現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范尚缺乏防止厚板脆性斷裂的選材規(guī)定。在厚板低溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，從低溫條件、鋼板厚度及韌脆轉(zhuǎn)變溫度三方面對(duì)選材方法進(jìn)行探討，為鋼結(jié)構(gòu)厚板工程的防脆斷設(shè)計(jì)提供選材建議。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)厚板；沖擊韌性；低溫；脆性斷裂；選材
    低溫使鋼材的塑性和韌性降低，是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要因素之一[1]。脆性斷裂的發(fā)生非常突然，破壞時(shí)無(wú)明顯塑性變形，危害很大心]。
我國(guó)東北、華北、西北大部分地區(qū)的歷史最低氣溫均在30℃以下，低溫地區(qū)建筑鋼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用不可避免地面臨著脆性斷裂的問(wèn)題口]。當(dāng)前，建筑鋼結(jié)構(gòu)逐漸向超高層、大跨度方向發(fā)展，使得對(duì)厚板鋼材的需求增大，厚板工程越來(lái)越廣泛H]。隨著厚度的增加，鋼板中裂紋或類(lèi)裂紋缺陷尖端的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)由平面應(yīng)力向平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變，約束增加而使脆性斷裂傾向增大口j。同時(shí)，厚板鋼材的治煉軋制工藝，往往使鋼板的韌性隨厚度的增加而降低∞。；且Z向性能較差的厚板容易發(fā)生層狀撕裂‘7]。
    低溫和板厚對(duì)鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂破壞的重要影響應(yīng)當(dāng)引起工程界的足夠重視。而關(guān)于脆性斷裂的問(wèn)題，現(xiàn)行GB 50017 - 2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》∽1除在“8.7節(jié)提高寒冷地區(qū)結(jié)構(gòu)抗脆斷能力的要求”這一節(jié)中提出若干構(gòu)造措施之外，只是采用沖擊韌性指標(biāo)Ak。來(lái)指導(dǎo)不同低溫環(huán)境下的鋼材選材，對(duì)沖擊韌性沒(méi)有考慮鋼板厚度的影響。對(duì)于厚度差別較大的同一牌號(hào)及質(zhì)量等級(jí)的鋼板，若仍采用相同的沖擊韌性代表值，將難以反映不同厚度鋼板的韌性特征，可能導(dǎo)致不合理的選材。
    沖擊韌性指標(biāo)在一定程度上能夠反映鋼材抵抗斷裂的能力，且沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)便易行，因此在鋼結(jié)構(gòu)工程中得到了廣泛應(yīng)用。。J。本文在Q345-B鋼結(jié)構(gòu)厚板低溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，從低溫、厚度和韌脆轉(zhuǎn)變溫度這三方面對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)沖擊韌性的規(guī)定進(jìn)行了探討，提出了鋼結(jié)構(gòu)厚板防止脆性斷裂的選材方法建議。

1  沖擊韌性試驗(yàn)
    根據(jù)GBlT 229- 2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》‘1。]，在-20，O，- 20，- 40，- 60℃五個(gè)溫度點(diǎn)下對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材Q345-B厚板(60，90，120，150 mm四種厚度)進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)‘11]。厚板的主要化學(xué)成分指標(biāo)如表1所示。
    每種厚度鋼板在不同位置取樣（分別為距鋼板表面O、1/8、1／4、318、1／2厚度的位置），同一溫度點(diǎn)與厚度位置選用4個(gè)試樣。試驗(yàn)采用V型缺口試樣，試樣用酒精與液氮t昆合液體冷卻至相應(yīng)的低溫點(diǎn)，置于SANS擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定每個(gè)試樣的沖擊功值。4個(gè)試樣沖擊功的平均值如表2所示。表2  沖擊功Ak。試驗(yàn)結(jié)果
    對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同厚度鋼板與鋼板不同厚度位置處沖擊功值的溫度變化曲線(xiàn)。從表1可知：
    1)隨著溫度降低，鋼材昀沖擊功值迅速降低，沖擊韌性變差。
    2)相同溫度下，鋼材的沖擊韌性隨鋼板厚度甑增大而降低。
    3)沿厚度方向從表面到中心位置，沖擊韌性呈明顯的降低趨勢(shì)。
    鋼結(jié)構(gòu)厚板低溫沖擊韌性試驗(yàn)的結(jié)果為厚板能選材提供了試驗(yàn)依據(jù)。
2現(xiàn)行規(guī)范對(duì)沖擊韌性指標(biāo)的規(guī)定
    我國(guó)GB 50017 - 2003對(duì)于沖擊韌性指標(biāo)的規(guī)定如下：
    1)對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)（Q345-B鋼）．應(yīng)具有常溫20℃沖擊韌性的保證。當(dāng)工作溫度不高于o℃但高于20℃時(shí)，應(yīng)具有0℃沖擊韌性能合格保證。當(dāng)結(jié)構(gòu)T作溫度不高于-20℃時(shí)，應(yīng)貝有  20℃的沖擊韌性。
    2)對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)，也應(yīng)具有常溫20℃沖擊韌性的保證。當(dāng)工作溫度不高亍
-- 20℃時(shí)，應(yīng)具有o℃沖擊韌性的合格保證。
    GB/T  1591- 2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》和GBlT 19879-2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》分別劉Q345鋼與Q345GJ鋼的沖擊韌性做了如表3所示的要求。
表3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼材沖擊功值
    上述規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容概括為以下兩點(diǎn)：
    1)不同工作溫度下，應(yīng)滿(mǎn)足該溫度范圍對(duì)沖擊韌性的要求，但是規(guī)定的沖擊韌性對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)茭該溫度范圍的上限值。
    2)鋼板的質(zhì)量等級(jí)越高，其對(duì)沖擊韌性昀要球越嚴(yán)格，即能保證沖擊韌性要求的溫度點(diǎn)越低。
    但是，目前的GB 50017 - 2003對(duì)沖擊韌性雕要求有待進(jìn)一步完善。主要存在的問(wèn)題是：對(duì)低溫的要求程度不夠、未考慮鋼板厚度的影響以及沒(méi)確引入韌脆轉(zhuǎn)變溫度這一概念。