鋼結構設計中的基本概念探討工學論文

　　摘要：文章通過對某高架橋鋼筋混凝土預應力現澆葙梁施工過程的敘述。闡述了箱梁施工的質量控制要點和注意事項。

　　關鍵詞：鋼結構設計；高強度螺栓；涂裝

　　隨著經濟的發展，鋼結構在土木工程中的應用日趨廣泛，這就要求設計人員必須掌握與此相關的各種知識。本文論述的幾個問題幾乎是任何一項鋼結構設計都要遇到的基本問題。從表面上看這幾個問題非常簡單，然而不少設計人員在處理這幾個問題時卻把握不準。究其原因，這幾個問題看起來簡單，其內涵卻非常豐富，涉及到很多非結構專業的問題。筆者翻閱了有關資料，對鋼結構設計中這幾個經常遇到的基本問題進行論述。希望能對鋼結構設計者有所裨益。

　　1 鋼材的選型

　　很多設計人員在設計時說明關于鋼材的選型中往往寫道：“鋼材選用Q235-B，其抗拉強度、屈服點、伸長率、碳、硫、磷極限含量，應符合有關規定，且保證其可焊性。”這種說法是不正確的。其錯誤的原因是對我國現行的鋼產品標準不熟悉，老、舊標準相混淆。目前，我國建筑鋼材一般只用兩種，即碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼，其相應的國家標準為《碳素結構鋼》(GB700-88)和《低合金高強度結構鋼》(GB／T1591-94)。以前常說的三號鋼和16Mn鋼就分別屬于碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。按(GB700-88)碳素結構鋼分為Q195、Q215、Q225、0235、Q275，0235又分為A、B、C、D 4個質量等級，即Q235-A～D。A級鋼不做沖擊試驗，而B、C、D級則分別保證在20、0、-20℃時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中發現V型沖擊功在最低使用溫度下不小13.7J時，船舶脆斷事故很少發生。因此，當設計承受動力荷載的結構時要根據環境溫度的不同情況，選用不同級別的鋼材。如果我們選用了Q235-B，那么只要它是符合標準的產品，則鋼材的屈服點、抗拉強度、伸長率、碳、硫、磷等化學成分，冷彎試驗值、V型沖擊功試驗值都是有保證的(即以前所說的5項保證)，不必另行強調。因此正確的說法應該是：“鋼材選用Q235-B，其性能應符合國家標準(GB700-88)的規定。”

　　要特別提到的是：在國家標準(GB700-88)中第5.1.1.5條注明：“在保證鋼材力學性能符合本標準規定情況下，各牌號A級鋼的碳、錳、硅含量和各牌號其他等級鋼碳、錳含量下限可以不作為交貨條件，但其含量(熔煉分析)應在質量證明書中注明。”這就表明A級鋼的碳、錳、硅含量是不保證的。在國家標準(GB700--88)中第5A.1.3條注明：“各牌號A級鋼的冷彎試驗，在需方有要求時才進行。當冷彎試驗合格時，抗拉強度上限可以不作為交貨條件。”由于碳含量對鋼材的可焊性影響很大，從表面上看，既然A級鋼的碳、錳、硅含量不保證，那么Q235-A是不能用于焊接結構的，似乎Q235-A是一種質量很差的鋼材，除平臺板和支撐構件外，幾乎很少場合可以用Q235-A。事實并非如此。壓力容器應該是典型的焊接結構，對其性能的要求也比普通的建筑鋼結構要嚴格。然而，我國的最新壓力容器標準《鋼制壓力容器》(GB150-1998)卻明文規定在壓力≤1.0MPa，溫度0-350℃，殼體厚度≤16mm時，除極度危害介質的壓力容器外，可以使用Q235-A(見該標準第4.2.2，4.2.3條)。這就表明Q235-A是可以用于焊接結構的。除了像吊車梁這樣以動荷載為主要荷載的承重結構，一般對沖擊韌性沒有特殊要求的承重結構都可以選用Q235-A。首先，評價一種鋼材的可焊性，并非僅僅由含碳量決定，而是由碳當量決定。目前我國生產的符合標準的Q235-A。其碳當量不會超過0.45％，其可焊性是有保證的，可以用于焊接結構使用。其次，Q235-A的屈服強度、抗拉強度、伸長率是有保證的，只是當冷彎試驗合格時，抗拉強度上限不保證，而設計時，一般都把屈服強度作為強度計算和穩定計算的依據，結構的實際應力值都遠低于屈服強度，因此只要材料的屈服強度有保證，則結構的強度是有保證的。至于結構的剛度只與結構形式和截面尺寸有關，與抗拉強度并無關系。一般而言，當一種鋼材的伸長率和冷彎試驗合格時，就表明它具有了一定的韌性。因此，對于一般承重結構所需要的基本力學性能，Q235-A是可以保證的。

　　綜上所述，Q235-A是可以用于焊接承重結構的，但不能用于低溫環境和動荷載較大的結構(即對材料的韌性有較高要求的結構)。這一點已經為大量的工程實踐所證明。當然，在選用Q235-A時，要附加冷彎試驗合格的保證，并且要根據質保書核算碳當量是否滿足要求。為可靠起見，板材的厚度一般不宜超過16mm。目前，國內鋼材市場上Q235系列的板材和型材大都為Q235-A。如果不分場合，所有的承重結構都選擇Q235-B～D。則不僅工程造價提高，而且也給材料的采購帶來麻煩，以至延誤工期，是不可取的。

　　2 焊接檢驗

　　當結構的母材和焊接材料選定以后，就要確定焊縫的質量等級。選擇合適的質量等級是非常重要的，不恰當地提高焊縫的質量等級將提高工程造價。

　　鑒于現有的焊接技術尚無法避免焊接過程中焊接缺陷的產生，因此必須采取一定措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內。實踐證明，通過制定焊接缺陷質量要求標準進行約束是一種有效的手段。在《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205)中就將焊縫質量等級分為一、二、三3個等級。如果經過檢查，焊接缺陷不超過所要求的級別的各項規定，則焊接過程中焊接缺陷就得到了控制。

　　對于建筑鋼結構，焊縫質量要達到一級標準是很困難的。特別是在采用手工電弧焊且剖口較深時，一般的焊工很難做到。在實際工程中，除了大跨度重級工作制吊車梁的下翼緣對接，以及大跨度鋼橋的受拉構件的對接這種對質量要求很高的焊縫要求一級焊縫以外，其他場合很少用到一級，一般都要求二級。

　　對于角焊縫，除了在要求熔透的情況(如對于輪壓較大的吊車梁的上翼緣和腹板連接的角焊縫)，其質量等級要求二級外，其他場合一般都用三級。

　　在《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205)中，3個質量等級對于焊縫的內部缺陷檢驗、外觀質量標準及檢驗方法都作了明確的規定：設計要求全焊透的一、二級焊縫應采用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗。焊縫內部缺陷分級及探傷方法應符合國家現行標準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級法》(GB11345)的規定，對于一、二級焊縫的探傷結果應符合表1的規定。

　　在CB11345中檢驗等級分為A、B、C3個級別，評定等級分為I、II、III、Ⅳ4個級別。所謂檢驗等級就是檢驗方法(有的設計手冊把焊縫質量等級和檢驗等級混為一談，出現“一級焊縫應符合檢驗等級中的B級”這樣明顯的錯誤)。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強度。由于缺陷存在的任意性，因此超聲波探測焊縫的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的概率愈大，則缺陷的檢出率也愈高。根據探測方向(取決于探頭角度、探傷側、探傷面及探頭移動角度等)的多少，分為A、B、C3個級別，它體現了檢驗的完善程度，按A、B、C逐級提高，其檢驗工作的難度系數也逐級提高(A為1，B為5-6，C為10～12)。各級別探傷面、探傷側、探頭角度及探測方法等在GB11345中都有明確的規定。對于建筑鋼結構以及壓力容器，目前我國超聲波探傷的檢驗等級都采用B級。當檢驗方法(即檢驗等級)確定以后，根據用該種方法檢測出焊縫中缺陷的情況，對其結果進行等級分類，就是所謂的評定等級。對于焊縫宏觀質量控制，缺陷的尺寸超過1mm才有實際意義。CB11345根據缺陷的長度按表2中的規定予以評級。表2中的12、8／3等均為超聲波探傷儀測出的缺陷尺寸。

　　3 螺栓

　　建筑鋼結構所用的螺栓有兩大類，即普通螺栓和高強度螺栓。普通螺栓和高強度螺栓的主要區別在于其機械性能不同，也即性能等級不同。在設計中經常注明的“高強度螺栓8.8級”，8.8即為性能等級，小數點前一個數字8表示該螺栓材料熱處理后的抗拉強度為800 MPa，小數點后一個數字8則表示該材料的屈強比(屈服強度與抗拉強度比值)0.8，10.9級則表示該材料的抗拉強度為1000MPa，屈強比為0.9。屈強比大，則材料的韌性差，不宜重復使用。尤其是10.9級的只能用一次。目前我國使用的高強度螺栓只有8.8級和10.9級，可以寫為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)則性能等級為4.6，如果用Q345則為6.6級。普通螺栓一般在設計時不注明性能等級，只注明鋼號。

　　一些設計人員在設計說明中往往寫道：“高強度螺栓采用承壓型高強度螺栓10.9s”，這是一種不正確的說法。對于設計者只要給出高強度螺栓的性能等級和連接材料摩擦面的抗滑移系數即可。不必規定制造商采用何種螺栓。當然，如果確有必要，可以推薦用大六角頭高強度螺栓，或是扭剪型高強度螺栓。

　　承壓型高強度螺栓(或摩擦型高強度螺栓)是一個錯誤的術語，它將螺栓的連接方式(連接的力學模式)和螺栓的種類(外形和性能)這兩個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別和具體計算，在規范、教科書和設計手冊中都有詳盡的說明。目前高強度螺栓的連接多用于摩擦型連接，這種連接使得結構的剛度較大，是其主要的優點。

　　大六角頭高強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。扭剪型高強度螺栓為日本人首創，20世紀70年代末隨寶鋼工程引進。這種螺栓的尾部設有槽口和梅花形卡頭，在擰緊螺母時用專用的電動扳手套住螺母和卡頭一起擰。直至卡頭擰斷，此時螺栓也達到了規定的預拉力值。這種高強度螺栓緊固簡單，便于檢查是否有漏擰或是欠擰，但耗材略多，預拉力值離散性大且需要專用扳手，也是其缺點。扭剪型高強度螺栓目前我國只有10.9級。這兩種高強度螺栓的類型與尺寸及性能都有對應的國家標準。所謂連接副指一個螺栓、一個螺母和一個墊圈(大六角頭高強度螺栓為兩個墊圈)。大六角頭高強度螺栓之所以要兩個墊圈是因為其螺栓的加工精度較低，難以保證它與構件的緊密結合。

　　普通螺栓按制作精度分為A、B、C級3種，分別稱為精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B級螺栓除了螺栓本身制作精度要求較高以外，對螺孔的精度也要求較高(I類孔)，以前在建筑鋼結構中多用于永久螺栓，現在已逐步為高強度螺栓所取代。這是因為如果用8.8級的大六角頭高強度螺栓，其價格與精制螺栓相差不多，但高強度螺栓對螺孔的要求和粗制螺栓幾乎一樣，這樣不僅構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，還包括對鋼材表面的除銹要求。“鋼材表面須認真除銹”這樣的說明缺乏具體的標準，應該注明除銹等級Sa2.5，或除銹等級St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是噴射或拋射(通常說的噴砂只是其中一種)的等級要求，共有4級。手工和動力工具除銹等級只有St2、St3兩種。我國對于除銹等級早已有國家標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》(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，大大提高防腐年限。當構件有殘余應力時，噴射還可以消除部分殘余應力，值得大力推廣。

　　“紅丹兩度打底，調和漆兩度罩面”這種說明使得涂料的品牌不清(紅丹有多種)，漆膜層厚度不明(涂料應注明各層厚度)，而且標準也太低，這表明一些設計人員對鋼結構的防腐蝕重要性仍認識不足。設計人員應該不斷學習，掌握一些涂料的知識，這方面的知識是非常豐富且在不斷發展的。

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