高强度建筑结构用钢应用几个问题

1  焊接结构的经济性

    根据承受的负荷计算出应力，钢材能保证的最低屈服强度，设计要求的屈服强度最低值计算出了结构的尺寸。

    使用高屈服强度的钢可以减少厚度囚此减轻结构的重量。可减重量主要取决于载荷在结构上的传递条件。图1显示，在拉伸载荷下，屈服强度增加一倍重量可减轻50％。在弯曲和扭转应力下减轻会小些，但仍然相当可观。

    图2是采用高强度钢使承受张力的桁粱钢结构截面积减少的例子。高强度低合金钢一般对钢的冶炼、加工工艺有更高的要求，以保证钢的组织密实性。由于较高的生产成本，成本方面的节约相对重量方面的节约要少。但是材料成本的降低仍很可观，而运输与制造方面的节约要大得多。由于截面积减少造成焊缝金慝量成平方指数减少就充分体现了这种节约。焊缝金属量的减少缩短了制造时间，降低了人工工资成本。

    热机械轧制钢是低碳钢，因此可以减少甚至完全取消防止焊接裂纹的焊前预热处理。由于减少了这个工序，尽管新型钢种有较高的价格，但整个结构的成本将降低2％。

    表1归纳了一结构工程的成本。在一座桥上用屈眼强度460MPa级的高强度低合金钢替代335MPa级的热机械轧制钢。这个例子清楚地表明，制造者的成本大大地降低了。当然钢厂也由于生产高附加值的产品而获益。

    2  安全性分析

    除屈服强度作为承载能力的特性值外，为保证结构件的牢固对钢的韧性也有一定要求。由于实际结构件中不可避免存在缺陷，常常将结构的几何形状、可能存在或实际测定出的缺陷和钢的强度综合起来，用断裂力学进行失效分析。最典型的安全性分析是基于“总体屈服”的概念，即在裂纹产生之前净截面(net.ection)要有一定的塑性变形。这是不发生脆性断裂的先决条件。图3显示了细晶粒尺寸可以大大改善韧脆转折温度。

在欧洲的钢结构设计标准中，制定了一个具体的计算方法，它简化了断裂力学的计算。韧脆转折温度就是用夏比v形缺口冲击试验得到27J的冲击功时的试验温度。这使韧脆转变温度很容易确定。根据这一原理，应变，应变比，工作温度，辐射，由于力学性能分散需考虑的安全系数等诸多影响韧脆转折温良的因素都要折合成一个名义温度。各种温度项相加将影响T27J温度。当所有描述应力分布因素的温度项的和(TS)比计算出的材料抗力温良(TR)高时就不会出现脆性断裂。

    根据这一原理，结构工程师找到了计算材料和制造条件等影响因素的方法。这一称准化的方法已由最初的力学性能和结构行为之间的经验性关系发展到现在的更科学化的断裂力学安全理念。

    但是即使韧性值是在夏比冲击曲线的上部分，如果设计的J积分值低于结构单元的计算值，仍会产生裂纹。

图4显示的一些实际试验结果表明，强度越高、结构的缺陷越大，需要的韧性也越高。很显然，断裂力；学值的增加和屈服强度的平方值成正比。为了结构的牢固，最大缺陷尺寸必须根据高强度钢的韧性来定。

3合金化概念

安全方面的考虑不仅局限于钢材本身的性能而且还要考虑焊缝金属、热影响区的性能。因此，冶金工作者的任务就是在追求更高强度的同时，还要保证钢佬有更好的可焊性的更高的韧性。

降低碳含量可以改善韧性塑性，见上图5。

从热影响区安全性考虑的可焊性也要求碳含量低于0.09％。碳含量高于此临界值时金属凝固时要穿过包晶反应区。一次铁素体相变为奥氏体时伴有体积的额外收缩，造成富含合金元素的终凝固钢水的枝晶间夹杂。高强度低合金钢中的主要合金锰的典型偏析可达平均含量的两倍。

由于一次偏析，造成二次偏析在热影响区产生脆性相使钢的整体韧性变坏。图6显示的3种不同碳含量的50级结构钢热影响区的显微结构和韧性(用CTOD方法测定)证明了以上结论。

    因此，在现代结构钢中不能依靠增加碳含量来获得需要的强度，高强度低合金钢的冶金学发展是依靠细化晶粒作为主要强化机理。

    4  屈强比

    提高含碳量，提高抗拉强度比提高屈服强度要快3倍。因此，现代低碳的高强度低合金钢的一个特性就是高屈强比(Y／T)。如果是通过晶粒细化提高屈服强度的钢，屈强比还要高。图7显示的各种高强度低合金钢的屈服强度说明了这一事实。还可以看出，塑性(延伸率和面缩率)随强度的增加而降低。

    然而，屈服强度或屈强比与韧性、J积分值、夏比v形缺口转折温度之间没有任何对应关系。因此用屈强比来作为安全性指标是不合适的。另外，用细化晶粒强化机制同时还改善韧性，是结构牢固的重要保障。

    高屈强比意味着低加工硬化指数和低均匀延伸率。因此在欧洲规范中要求屈强比小于0.91以允许使用塑性设计方法，这种方法可降低成本25％左右。这个方法认为载荷依靠局部塑性变形从刚性部分分布到不太刚性部分，称为旋转能力。主要用于未加强和半刚性连接件(如梁到立住的连接)。

图8解释了这一术语，并显示了两种不同屈强比的低强度和高强度钢的不同结果。很明显，即使屈强比高达1 .0仍表现出可观的旋转能力。这就得出这样一个结论即实际制定的屈强比可以作为一个条件，没有必要制定一个具体数值。有些结构中要求在发生净断面断裂之前要有总断面屈服。如在抗震结构中的能量吸收或管线钢由于地面沉陷可能产生的变形。在这些情况下除了断裂力学上的考虑之外，制定一个具体的屈强比是有益的。

    5  结论

    对建筑结构，钢是一种非常经济适用的材料，提高材料屈服强度并结合使用经济的焊接工艺可以大大降低成本。

    这些优点只有在结构安全的前提下才实用，实际设计规范允许基于断裂力学和小试样的试验结果来考虑避免脆性断裂的安全设计。净断面屈服要求带缺陷部件除要求高强度钢材还要有高韧性。可允许的缺陷尺寸要根据钢的韧性来确定，屈强比随屈服强度增大而增大。对大多数结构来讲，屈强比在可焊钢中不能作为安全判据。在更经济的塑性设计方法中屈强比同样也不能作为安全判据。在承受周期性负荷的结构中，已经发现，更高强度的高强度低合金钢对有些焊接结构并不适用。但是仍然存在改善焊接部件的疲劳性能的方法，图9就是一个例子。

    (付俊岩等人编译)