建筑钢结构用钢标准体系分析

2006-12-13 00:00 来源: 我的钢铁
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    建筑钢结构具有自重轻、便于施工、经济性好、可循环利用、符合环保要求等优点,为此国际钢铁协会(IISI)启动了由世界11大钢铁公司(包括世界前5家)参加的建筑用钢项目,目的是到2010年使全球建筑用钢用量增长10%,即比2002年成品钢的消费量大约增加2 7亿t。与世界发达国家相比,我国建筑钢结构用钢量占全部钢材总产量的比例不足5%,而美国、瑞典、日本等发达国家的钢结构用钢,已占钢材产量的30%以上,所以我国建筑钢结构用钢还拥有较大的发展空间和应用领域。
    我国建筑用钢主要包括建筑用钢结构、钢筋混凝土用钢筋、钢绞线、钢丝以及门窗等,而建筑钢结构用钢主要包括中厚板、彩涂板、冷轧板、H型钢与各类型钢以及焊接钢管等。根据钢结构类型不同,其所使用的钢材品种也有所侧重,低层与轻钢结构主要用彩涂钢板;高层、超高层钢结构和大跨度结构,主要用高强度以及带有特殊性能的钢板与H型钢。本文主要分析建筑钢结构用钢标准。
    建筑钢结构用钢材发展趋势
    目前,国内外建筑钢结构用钢材的发展呈现如下趋势:
    (1)强度越来越高。随着建筑结构高层、超高层以及大跨度的发展,建筑钢结构用钢正在向高强化发展。因此,大量使用高强度建筑用钢已成为当今世界建筑结构的趋势,钢级变化为:Q235→Q345→Q420→Q460→Q500,甚至更高。
    (2)综合性能越来越好。钢结构制作加工对高层钢结构适用的钢材要求具有良好的可焊性或低裂纹敏感性;抗震方面要求钢材具有良好的韧性与冲击功吸收能力;耐火方面要求钢材在高温状态下具有良好的延迟性,一般要求600℃时屈服强度不小于常温下的2/3等。
    (3)生产工艺布局越来越紧凑。在面对对钢结构用钢要求越来越苛刻的同时,还面临着节约资源与减低成本的压力,因此钢结构用钢生产必须走低成本、高效能工艺路线。为此,世界各国围绕着轧制工艺与轧制技术的创新,先后研究出热轧→淬火与回火(离线)→TMCP(热机械控制轧制)与QST(淬火加自回火)的新工艺。
    (4)金相组织与化学成分的变化。金相组织的变化:从奥氏体钢→回火马氏体钢→铁素体(贝氏体)钢,其晶粒越来越细化。在化学成分上,碳与合金元素的含量也未随钢材强度的增加而增加,而大多采用低碳微合金高强钢。
    世界主要国家工程结构用钢简介
    世界各国工程结构用钢基本上形成了各自的标准与钢级体系,其主要钢级对比见表1。

    表1 世界主要国家工程结构用钢的代表钢种

中国GB 国际ISO 日本JIS 德国DIN 美国ASTM 英国BS/EN
Q235 E235 SS400 St37-2 G33/G36 S235M
    SN400      
    SM400      
Q275 E275 SS490 t44-2 G40 S275M
Q345 E355 SN490 St53-3 G50 S355M
Q420   SY390 StE420 G60 S420M/ML
Q460   SM570   G65 S460M/ML
Q485       G70  

    由表1可见,美、英、德国建筑钢结构用钢的标准自成体系。美国在大力推广G60(Q420)钢级的基础上,正在高层建筑中积极推广G65(Q460)。日本建筑钢结构用钢特别是高强度结构用钢也自成体系,且较科学,值得借鉴。

    日本建筑钢结构用钢标准体系
    1 标准体系基本框架
日本建筑钢结构用钢大致分为3个层次,第1层次为一般结构用钢,包含轧材JISG3101-2003、焊接结构用钢JISG3106-2004、钢管JISG3466-1988共3个标准;第2层次为建筑结构专用钢材,有轧材JISG3136-1994、棒材JISG3138-1996、管材JISG3475-1995共3个标准;第3层次为特殊性能建筑结构用钢,有耐候钢JISG3114-2004、厚度性能钢板JISG3199-1992共2个标准;耐火钢的标准正在制定中。
    2 一般结构用钢标准
    第1层次的一般结构用钢标准中包含了一般结构用轧制钢材的SS系列,具有良好可焊性的轧制钢材SM系列,适用于民房、建筑以及其他建构的STKR系列,详见表2。

    表2 日本一般结构用钢标准

标准号 强度等级代号 适用范围 适用的品种 尺寸范围/mm
JISG3101 SS330(205) 适用于一般结构用轧制钢材。例如:桥梁钢、造船钢和其他结构用钢 厚板、薄板、钢带、扁钢和钢棒  
  SS400(245)   厚板、薄板、钢带、型钢、扁钢和钢棒  
  SS490(285)      
  SS540(400)   厚板、薄板、钢带、型钢、扁钢和钢棒(厚度、直径边长小于40mm)  
JISG3106 SM400A(245) 适用于具有优良焊接性能的桥梁钢、造船钢、轧制钢坯,石油储罐及容器以及其他结构用钢 厚板、钢带、型钢、扁钢和钢棒  ≤200
  SM400B      
  SM400C   厚板、钢带、型钢 ≤100
  SM490A(325)   厚板、钢带、型钢和扁钢 ≤200
  SM490B      
  SM490C   厚板、钢带、型钢 ≤100
  SM490YA   厚板、钢带、型钢和扁钢 ≤100
  SM490YB      
  SM520B(365)   厚板、钢带、型钢和扁钢 ≤100
  SM520C   厚板、钢带、型钢 ≤100
  SM570(460)   厚板、钢带、型钢 ≤100
JISG3466 STKR400(245) 适用于民房、建筑以及其他建筑 方管  
  STKR490(325)      

    3 建筑结构用钢标准
    第2层次的建筑结构用钢标准包括轧材SN系列、钢管STKN系列和棒材SNR系列,详见表3。

    表3 日本建筑结构用钢标准

标准号 强度等级代号 适用范围 适用的品种 尺寸范围/mm
JISG3136 SN400A(≥235) 不要求抗震性能 厚板、钢带、型钢与扁钢 6~100
  SN400B(235-400) 满足抗震要求   6~100
  SN400C(235-400) 满足抗震要求   16~100
  SN490B(325-355) 满足抗震要求   6~100
  SN490C(325-355) 满足抗震要求   16~100
JISG3475 STKN400W 不要求抗震性能 无缝管、电阻焊、对焊或电弧焊(直缝焊)钢管  
  STKN400B 满足抗震要求    
  STKN490B 满足抗震要求    
JISG3138 SNR400A 不要求抗震性能 圆棒、方棒与成卷交货的棒材 6~100
  SNR400B 满足抗震要求   6~100
  SNR490B 满足抗震要求   6~100

    1) SN系列
    在钢结构构件抗震设计中,需要考虑构架变形时吸收的抗震能量,为增加抗震吸收能,就要确保不同钢级在具有足够强度的同时,也应具有相应的塑性变形能力。为此,日本于1994年制定了建筑结构轧制钢材即SN标准系列。此后,SN系列就成为用于建筑结构的抗震用钢材标准。标准中,用抗拉强度表示钢级,有2个等级:SN400(400MPa)和SN490(490MPa)。根据性能与用途,SN400和SN490被分成A、B、C3个等级。A级常限定用于应力不超过弹性极限,此级别不能用于主框架。应选用B和C作为确保加速屈服变形能力和良好可焊性的级别;B级钢主要用于除C级钢应用范围外的结构框架等级;C级钢特别用于具有厚度性能的高应力的等级或者大线能量焊接的主框架等级。SN系列覆盖的产品有厚度为6~100mm的厚板、钢带、型钢与扁钢。
    SN系列的主要特性指标有:
    (1)确保塑性变形能力。屈强比不大于0 80,屈服强度波动范围控制在120MPa以内。
    (2)确保良好的可焊性。为降低碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性(Pcm),应选择合适的化学成分。
    (3)能够经受厚度方向的拉伸应力。在厚度拉伸试验时有较高的塑性,即面缩率不小于25%。
    (4)保证公称截面尺寸。限制最小公差(公称尺寸为+0 3mm)。
    2) STKN系列
    日本于1996年制定了建筑结构用碳素钢管STKN标准,包括无缝钢管和采用电阻焊、对焊或电弧焊焊接而成的直缝焊管。本标准采用抗拉强度表示钢级,规定了3个钢级:STKN400W、STKN400B和STKN490B,其中W级用于仅发生弹性变形的材料与部件,B级用于仅发生塑性变形的材料与部件。
    3) SNR系列
    于1996年制定的建筑结构用钢棒SNR标准中也规定了3个钢级:SNR400A、SNR400B和SNR490B。
    4) 具有特殊性能的结构钢标准
    为扩展某些特殊性能,在第2层建筑用结构钢的基础上,形成了第3层次的标准。JISG3114-2004《焊接结构用耐候钢轧制钢材》中SMA系列,强度等级比JISG3116多了一个SMA570系列。但为保证其耐候性,在化学成分中添加了铜、铬与镍等元素。JISG3199《厚度方向性能钢板》的Z15、Z25与Z35系列是在以上建筑结构用钢板与扁钢的基础上,保证厚度方向性能的标准。据了解,日本正在制定耐火钢的标准。
    我国建筑结构用钢标准现状
    近年来,我国在钢材标准的修订中,加大了采用国际与国外标准的力度,并随着建筑钢结构的发展,基本形成了3层结构的雏形,但还有待于进一步完善。
    1 基本构架
    我国建筑结构用钢也可大致分为3个层次,第1层为一般结构用钢,包括钢板、型钢、钢管和基础标准;第2层为建筑结构用钢,现仅有钢板1个标准;第3层为特殊性能建筑结构用钢,有耐候钢、厚度性能钢板等标准。
    2 一般结构用钢标准
    在第1层中,我国主要有16个标准(见表4),而日本只有3个标准,日本的3个标准涵盖了一般建筑结构用钢的范围。我国各类标准之间不很配套,也不协调,如型钢是尺寸偏差标准+基础标准才能构成交货标准,而钢板在基础标准与尺寸偏差之上构成了一个交货标准。总的来说,我国建筑工程用钢还没有摆脱生产型的标准,这种各类标准自成体系的做法只是便于生产与标准化的管理,而不是从贸易与使用的角度出发的。对于一个建筑物,从设计的角度出发,各类钢材同在一种受力系统与环境中,其性能要求应该大体一致。所以要求各类标准之间应当协调配套。日本标准在系统与顶层设计方面就比较好。

    表4 我国一般结构用钢的主要标准

标准分类 标准号 标准名称
基础标准 GB700-1988 碳素结构钢
  GB1591-1994 低合金结构钢
型钢标准 GB/T706-1988 热轧工字钢尺寸、外形、重量及允许偏差
  GB/T707-198 热轧等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差
  GB/T7987-1988 热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差
  GB/T7988-1988 热轧不等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差
  GB/T9946-1988 热轧L型钢尺寸、外形、重量及允许偏差
  GB/T11263-1998 热轧H型钢和剖分T型钢
  YB/T3301-1992 焊接H型钢
钢板 GB/T714-2000 桥梁用结构钢
  GB/T912-1989 碳素结构钢和低合金钢热轧薄钢板和钢带
  GB/T3274-1988 碳素结构钢和低合金钢热轧厚钢板和钢带
  GB/T3524-1992 碳素结构钢钢带
钢管 GB/T8162-1999 结构用无缝钢管
  YB/T4112-2002 结构用高强度耐候焊接钢管
  GB/T6728-2002 结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、重量及允许偏差

    3 建筑结构用钢标准
    在第2层中目前仅有YB/T4104-2000高层建筑结构用钢板一个行业标准,现已上升为国标。由舞阳钢铁公司起草,现已完成审定,正在报批之中。
    4 特殊性能建筑结构用钢
    在第3层标准中,我国仅有钢板方面的标准,而且耐候钢在品种方面还不配套,今后应尽快将近年来国内研制的耐火钢等纳入标准。
    分析我国与世界先进标准间的差距,今后我国建筑钢结构用钢标准应在3个方面进行调整和完善。
    (1)第1层标准需要调整。为满足贸易与市场需要,扩大标准的适用性,这一层需要理顺标准体系。在型钢方面,工、槽、角、H型钢都可以整合,尺寸、外形与技术条件也可以整合;在钢板方面,厚板与薄板可以整合;在钢管方面,无缝管与焊管可以整合。
    (2)第2层标准需要补充。在建筑钢结构用钢方面,我国只有钢板标准(厚板),还要补充与之对应的型钢与钢管标准。
    (3)第3层标准需要完善。在这层标准中,可根据生产、科研与市场的需要,适时地增加新研制的耐火钢以及耐候耐火钢等具有高性能的标准。

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