鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本概念探討

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隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用日趨廣泛，這就要求設(shè)計(jì)人員必須掌握與此相關(guān)的各種知識(shí)。本文論述的幾個(gè)問(wèn)題幾乎是任何一項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都要遇到的基本問(wèn)題。從表面上看這幾個(gè)問(wèn)題非常簡(jiǎn)單，然而不少設(shè)計(jì)人員在處理這幾個(gè)問(wèn)題時(shí)卻把握不準(zhǔn)。究其原因，這幾個(gè)問(wèn)題看起來(lái)簡(jiǎn)單，其內(nèi)涵卻非常豐富，涉及到很多非結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題。筆者翻閱了有關(guān)資料，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中這幾個(gè)經(jīng)常遇到的基本問(wèn)題進(jìn)行論述。希望能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者有所裨益。

　　1鋼材的選型

　　很多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)說(shuō)明關(guān)于鋼材的選型中往往寫(xiě)道：“鋼材選用Q235-B，其抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率、碳、硫、磷極限含量，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定，且保證其可焊性。”這種說(shuō)法是不正確的。其錯(cuò)誤的原因是對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不熟悉，老、舊標(biāo)準(zhǔn)相混淆。目前，我國(guó)建筑鋼材一般只用兩種，即碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-88)和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB／T1591-94)。以前常說(shuō)的三號(hào)鋼和16Mn鋼就分別屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。按(GB700-88)碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q225、0235、Q275，0235又分為A、B、C、D 4個(gè)質(zhì)量等級(jí)，即Q235-A～D。A級(jí)鋼不做沖擊試驗(yàn)，而B(niǎo)、C、D級(jí)則分別保證在20、0、-20℃時(shí)V型沖擊功不小于27J。沖擊功的大小反映了材料的韌性，在研究船舶脆斷的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)V型沖擊功在最低使用溫度下不小13.7J時(shí)，船舶脆斷事故很少發(fā)生。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)時(shí)要根據(jù)環(huán)境溫度的不同情況，選用不同級(jí)別的鋼材。如果我們選用了Q235-B，那么只要它是符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，則鋼材的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、碳、硫、磷等化學(xué)成分，冷彎試驗(yàn)值、V型沖擊功試驗(yàn)值都是有保證的(即以前所說(shuō)的5項(xiàng)保證)，不必另行強(qiáng)調(diào)。因此正確的說(shuō)法應(yīng)該是：“鋼材選用Q235-B，其性能應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)的規(guī)定。”

　　要特別提到的是：在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)中第5.1.1.5條注明：“在保證鋼材力學(xué)性能符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定情況下，各牌號(hào)A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量和各牌號(hào)其他等級(jí)鋼碳、錳含量下限可以不作為交貨條件，但其含量(熔煉分析)應(yīng)在質(zhì)量證明書(shū)中注明。”這就表明A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量是不保證的。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700--88)中第5A.1.3條注明：“各牌號(hào)A級(jí)鋼的冷彎試驗(yàn)，在需方有要求時(shí)才進(jìn)行。當(dāng)冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，抗拉強(qiáng)度上限可以不作為交貨條件。”由于碳含量對(duì)鋼材的可焊性影響很大，從表面上看，既然A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量不保證，那么Q235-A是不能用于焊接結(jié)構(gòu)的，似乎Q235-A是一種質(zhì)量很差的鋼材，除平臺(tái)板和支撐構(gòu)件外，幾乎很少場(chǎng)合可以用Q235-A。事實(shí)并非如此。壓力容器應(yīng)該是典型的焊接結(jié)構(gòu)，對(duì)其性能的要求也比普通的建筑鋼結(jié)構(gòu)要嚴(yán)格。然而，我國(guó)的最新壓力容器標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器》(GB150-1998)卻明文規(guī)定在壓力≤1.0MPa，溫度0-350℃，殼體厚度≤16mm時(shí)，除極度危害介質(zhì)的壓力容器外，可以使用Q235-A(見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)第4.2.2，4.2.3條)。這就表明Q235-A是可以用于焊接結(jié)構(gòu)的。除了像吊車(chē)梁這樣以動(dòng)荷載為主要荷載的承重結(jié)構(gòu)，一般對(duì)沖擊韌性沒(méi)有特殊要求的承重結(jié)構(gòu)都可以選用Q235-A。首先，評(píng)價(jià)一種鋼材的可焊性，并非僅僅由含碳量決定，而是由碳當(dāng)量決定。目前我國(guó)生產(chǎn)的符合標(biāo)準(zhǔn)的Q235-A。其碳當(dāng)量不會(huì)超過(guò)0.45％，其可焊性是有保證的，可以用于焊接結(jié)構(gòu)使用。其次，Q235-A的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率是有保證的，只是當(dāng)冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，抗拉強(qiáng)度上限不保證，而設(shè)計(jì)時(shí)，一般都把屈服強(qiáng)度作為強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算的依據(jù)，結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力值都遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，因此只要材料的屈服強(qiáng)度有保證，則結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是有保證的。至于結(jié)構(gòu)的剛度只與結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸有關(guān)，與抗拉強(qiáng)度并無(wú)關(guān)系。一般而言，當(dāng)一種鋼材的伸長(zhǎng)率和冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，就表明它具有了一定的韌性。因此，對(duì)于一般承重結(jié)構(gòu)所需要的基本力學(xué)性能，Q235-A是可以保證的。

　　綜上所述，Q235-A是可以用于焊接承重結(jié)構(gòu)的，但不能用于低溫環(huán)境和動(dòng)荷載較大的結(jié)構(gòu)(即對(duì)材料的韌性有較高要求的結(jié)構(gòu))。這一點(diǎn)已經(jīng)為大量的工程實(shí)踐所證明。當(dāng)然，在選用Q235-A時(shí)，要附加冷彎試驗(yàn)合格的保證，并且要根據(jù)質(zhì)保書(shū)核算碳當(dāng)量是否滿(mǎn)足要求。為可靠起見(jiàn)，板材的厚度一般不宜超過(guò)16mm。目前，國(guó)內(nèi)鋼材市場(chǎng)上Q235系列的板材和型材大都為Q235-A。如果不分場(chǎng)合，所有的承重結(jié)構(gòu)都選擇Q235-B～D。則不僅工程造價(jià)提高，而且也給材料的采購(gòu)帶來(lái)麻煩，以至延誤工期，是不可取的。

　　2焊接檢驗(yàn)

　　當(dāng)結(jié)構(gòu)的母材和焊接材料選定以后，就要確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。選擇合適的質(zhì)量等級(jí)是非常重要的，不恰當(dāng)?shù)靥岣吆缚p的質(zhì)量等級(jí)將提高工程造價(jià)。

　　鑒于現(xiàn)有的焊接技術(shù)尚無(wú)法避免焊接過(guò)程中焊接缺陷的產(chǎn)生，因此必須采取一定措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內(nèi)。實(shí)踐證明，通過(guò)制定焊接缺陷質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束是一種有效的手段。在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205)中就將焊縫質(zhì)量等級(jí)分為一、二、三3個(gè)等級(jí)。如果經(jīng)過(guò)檢查，焊接缺陷不超過(guò)所要求的級(jí)別的各項(xiàng)規(guī)定，則焊接過(guò)程中焊接缺陷就得到了控制。

　　對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)，焊縫質(zhì)量要達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是很困難的。特別是在采用手工電弧焊且剖口較深時(shí)，一般的焊工很難做到。在實(shí)際工程中，除了大跨度重級(jí)工作制吊車(chē)梁的下翼緣對(duì)接，以及大跨度鋼橋的受拉構(gòu)件的對(duì)接這種對(duì)質(zhì)量要求很高的焊縫要求一級(jí)焊縫以外，其他場(chǎng)合很少用到一級(jí)，一般都要求二級(jí)。

　　對(duì)于角焊縫，除了在要求熔透的情況(如對(duì)于輪壓較大的吊車(chē)梁的上翼緣和腹板連接的角焊縫)，其質(zhì)量等級(jí)要求二級(jí)外，其他場(chǎng)合一般都用三級(jí)。

　　在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205)中，3個(gè)質(zhì)量等級(jí)對(duì)于焊縫的內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)、外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法都作了明確的規(guī)定：設(shè)計(jì)要求全焊透的一、二級(jí)焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)。焊縫內(nèi)部缺陷分級(jí)及探傷方法應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級(jí)法》(GB11345)的規(guī)定，對(duì)于一、二級(jí)焊縫的探傷結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定。

　　在CB11345中檢驗(yàn)等級(jí)分為A、B、C3個(gè)級(jí)別，評(píng)定等級(jí)分為I、II、III、Ⅳ4個(gè)級(jí)別。所謂檢驗(yàn)等級(jí)就是檢驗(yàn)方法(有的設(shè)計(jì)手冊(cè)把焊縫質(zhì)量等級(jí)和檢驗(yàn)等級(jí)混為一談，出現(xiàn)“一級(jí)焊縫應(yīng)符合檢驗(yàn)等級(jí)中的B級(jí)”這樣明顯的錯(cuò)誤)。焊縫中缺陷的位置、形狀和方向直接影響缺陷的聲反射信號(hào)強(qiáng)度。由于缺陷存在的任意性，因此超聲波探測(cè)焊縫的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的概率愈大，則缺陷的檢出率也愈高。根據(jù)探測(cè)方向(取決于探頭角度、探傷側(cè)、探傷面及探頭移動(dòng)角度等)的多少，分為A、B、C3個(gè)級(jí)別，它體現(xiàn)了檢驗(yàn)的完善程度，按A、B、C逐級(jí)提高，其檢驗(yàn)工作的難度系數(shù)也逐級(jí)提高(A為1，B為5-6，C為10～12)。各級(jí)別探傷面、探傷側(cè)、探頭角度及探測(cè)方法等在GB11345中都有明確的規(guī)定。對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)以及壓力容器，目前我國(guó)超聲波探傷的檢驗(yàn)等級(jí)都采用B級(jí)。當(dāng)檢驗(yàn)方法(即檢驗(yàn)等級(jí))確定以后，根據(jù)用該種方法檢測(cè)出焊縫中缺陷的情況，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)，就是所謂的評(píng)定等級(jí)。對(duì)于焊縫宏觀質(zhì)量控制，缺陷的尺寸超過(guò)1mm才有實(shí)際意義。CB11345根據(jù)缺陷的長(zhǎng)度按表2中的規(guī)定予以評(píng)級(jí)。表2中的12、8／3等均為超聲波探傷儀測(cè)出的缺陷尺寸。

　　3螺栓

　　建筑鋼結(jié)構(gòu)所用的螺栓有兩大類(lèi)，即普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓。普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓的主要區(qū)別在于其機(jī)械性能不同，也即性能等級(jí)不同。在設(shè)計(jì)中經(jīng)常注明的“高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)”，8.8即為性能等級(jí)，小數(shù)點(diǎn)前一個(gè)數(shù)字8表示該螺栓材料熱處理后的抗拉強(qiáng)度為800 MPa，小數(shù)點(diǎn)后一個(gè)數(shù)字8則表示該材料的屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值)0.8，10.9級(jí)則表示該材料的抗拉強(qiáng)度為1000MPa，屈強(qiáng)比為0.9。屈強(qiáng)比大，則材料的韌性差，不宜重復(fù)使用。尤其是10.9級(jí)的只能用一次。目前我國(guó)使用的高強(qiáng)度螺栓只有8.8級(jí)和10.9級(jí)，可以寫(xiě)為8.8s和10.9s。普通螺栓如果用Q235(通常用Q235-B以保證有良好的韌性)則性能等級(jí)為4.6，如果用Q345則為6.6級(jí)。普通螺栓一般在設(shè)計(jì)時(shí)不注明性能等級(jí)，只注明鋼號(hào)。

　　一些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)說(shuō)明中往往寫(xiě)道：“高強(qiáng)度螺栓采用承壓型高強(qiáng)度螺栓10.9s”，這是一種不正確的說(shuō)法。對(duì)于設(shè)計(jì)者只要給出高強(qiáng)度螺栓的性能等級(jí)和連接材料摩擦面的抗滑移系數(shù)即可。不必規(guī)定制造商采用何種螺栓。當(dāng)然，如果確有必要，可以推薦用大六角頭高強(qiáng)度螺栓，或是扭剪型高強(qiáng)度螺栓。

　　承壓型高強(qiáng)度螺栓(或摩擦型高強(qiáng)度螺栓)是一個(gè)錯(cuò)誤的術(shù)語(yǔ)，它將螺栓的連接方式(連接的力學(xué)模式)和螺栓的種類(lèi)(外形和性能)這兩個(gè)不相及的概念混為一談。談到承壓型(Bearing Type)與摩擦型(Friction Type)，它應(yīng)該屬于連接形式(Type of Joint)的范疇。承壓型連接和摩擦型連接只是抗剪連接的兩種形式。前面提及的兩種螺栓既可以用于承壓型連接，也可以用于摩擦型連接，性能都是可靠的。至于這兩種連接形式的區(qū)別和具體計(jì)算，在規(guī)范、教科書(shū)和設(shè)計(jì)手冊(cè)中都有詳盡的說(shuō)明。目前高強(qiáng)度螺栓的連接多用于摩擦型連接，這種連接使得結(jié)構(gòu)的剛度較大，是其主要的優(yōu)點(diǎn)。

　　大六角頭高強(qiáng)度螺栓的外觀和普通螺栓基本一致，只是材料和擰緊的方式不同。扭剪型高強(qiáng)度螺栓為日本人首創(chuàng)，20世紀(jì)70年代末隨寶鋼工程引進(jìn)。這種螺栓的尾部設(shè)有槽口和梅花形卡頭，在擰緊螺母時(shí)用專(zhuān)用的電動(dòng)扳手套住螺母和卡頭一起擰。直至卡頭擰斷，此時(shí)螺栓也達(dá)到了規(guī)定的預(yù)拉力值。這種高強(qiáng)度螺栓緊固簡(jiǎn)單，便于檢查是否有漏擰或是欠擰，但耗材略多，預(yù)拉力值離散性大且需要專(zhuān)用扳手，也是其缺點(diǎn)。扭剪型高強(qiáng)度螺栓目前我國(guó)只有10.9級(jí)。這兩種高強(qiáng)度螺栓的類(lèi)型與尺寸及性能都有對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。所謂連接副指一個(gè)螺栓、一個(gè)螺母和一個(gè)墊圈(大六角頭高強(qiáng)度螺栓為兩個(gè)墊圈)。大六角頭高強(qiáng)度螺栓之所以要兩個(gè)墊圈是因?yàn)槠渎菟ǖ募庸ぞ容^低，難以保證它與構(gòu)件的緊密結(jié)合。

　　普通螺栓按制作精度分為A、B、C級(jí)3種，分別稱(chēng)為精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B級(jí)螺栓除了螺栓本身制作精度要求較高以外，對(duì)螺孔的精度也要求較高(I類(lèi)孔)，以前在建筑鋼結(jié)構(gòu)中多用于永久螺栓，現(xiàn)在已逐步為高強(qiáng)度螺栓所取代。這是因?yàn)槿绻?.8級(jí)的大六角頭高強(qiáng)度螺栓，其價(jià)格與精制螺栓相差不多，但高強(qiáng)度螺栓對(duì)螺孔的要求和粗制螺栓幾乎一樣，這樣不僅構(gòu)件的制作和安裝成本可以降低，而且施工方便且性能可靠。C級(jí)螺栓一般都用于安裝螺栓，地腳螺栓也屬于粗制螺栓。

　　4涂裝

　　涂裝其意思與防腐基本一致，不僅包括涂料，還包括對(duì)鋼材表面的除銹要求。“鋼材表面須認(rèn)真除銹”這樣的說(shuō)明缺乏具體的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該注明除銹等級(jí)Sa2.5，或除銹等級(jí)St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是噴射或拋射(通常說(shuō)的噴砂只是其中一種)的等級(jí)要求，共有4級(jí)。手工和動(dòng)力工具除銹等級(jí)只有St2、St3兩種。我國(guó)對(duì)于除銹等級(jí)早已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》(GB8923-88)。噴射除銹不僅除銹徹底，而且能在鋼材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料與鋼材的黏結(jié)，大大提高防腐年限。當(dāng)構(gòu)件有殘余應(yīng)力時(shí)，噴射還可以消除部分殘余應(yīng)力，值得大力推廣。

　　“紅丹兩度打底，調(diào)和漆兩度罩面”這種說(shuō)明使得涂料的品牌不清(紅丹有多種)，漆膜層厚度不明(涂料應(yīng)注明各層厚度)，而且標(biāo)準(zhǔn)也太低，這表明一些設(shè)計(jì)人員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕重要性仍認(rèn)識(shí)不足。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)，掌握一些涂料的知識(shí)，這方面的知識(shí)是非常豐富且在不斷發(fā)展的。