基于沖擊韌性的鋼結構厚板防止

摘  要：建筑鋼結構在我國正逐步興起，結構向高層、超高層或大跨度方向發展的同時帶來了鋼材的厚板化。我國存在著大范圍的寒冷地區，環境低溫和鋼板厚度增大導致鋼材的韌性變差，從而使鋼結構厚板工程的應用面臨著較為嚴峻的低溫冷脆問題。而現行鋼結構設計規范尚缺乏防止厚板脆性斷裂的選材規定。在厚板低溫沖擊韌性試驗結果的基礎上，從低溫條件、鋼板厚度及韌脆轉變溫度三方面對選材方法進行探討，為鋼結構厚板工程的防脆斷設計提供選材建議。
關鍵詞：鋼結構厚板；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，是導致鋼結構發生低應力脆斷的主要因素之一[1]。脆性斷裂的發生非常突然，破壞時無明顯塑性變形，危害很大心]。
我國東北、華北、西北大部分地區的歷史最低氣溫均在30℃以下，低溫地區建筑鋼結構的推廣應用不可避免地面臨著脆性斷裂的問題口]。當前，建筑鋼結構逐漸向超高層、大跨度方向發展，使得對厚板鋼材的需求增大，厚板工程越來越廣泛H]。隨著厚度的增加，鋼板中裂紋或類裂紋缺陷尖端的應力應變狀態由平面應力向平面應變轉變，約束增加而使脆性斷裂傾向增大口j。同時，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生層狀撕裂‘7]。
    低溫和板厚對鋼結構脆性斷裂破壞的重要影響應當引起工程界的足夠重視。而關于脆性斷裂的問題，現行GB 50017 - 2003《鋼結構設計規范》∽1除在“8.7節提高寒冷地區結構抗脆斷能力的要求”這一節中提出若干構造措施之外，只是采用沖擊韌性指標Ak。來指導不同低溫環境下的鋼材選材，對沖擊韌性沒有考慮鋼板厚度的影響。對于厚度差別較大的同一牌號及質量等級的鋼板，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，可能導致不合理的選材。
    沖擊韌性指標在一定程度上能夠反映鋼材抵抗斷裂的能力，且沖擊試驗簡便易行，因此在鋼結構工程中得到了廣泛應用。。J。本文在Q345-B鋼結構厚板低溫沖擊韌性試驗結果的基礎上，從低溫、厚度和韌脆轉變溫度這三方面對現行規范中有關沖擊韌性的規定進行了探討，提出了鋼結構厚板防止脆性斷裂的選材方法建議。

1  沖擊韌性試驗
    根據GBlT 229- 2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》‘1。]，在-20，O，- 20，- 40，- 60℃五個溫度點下對結構鋼材Q345-B厚板(60，90，120，150 mm四種厚度)進行了沖擊試驗‘11]。厚板的主要化學成分指標如表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），同一溫度點與厚度位置選用4個試樣。試驗采用V型缺口試樣，試樣用酒精與液氮t昆合液體冷卻至相應的低溫點，置于SANS擺錘式沖擊試驗機上測定每個試樣的沖擊功值。4個試樣沖擊功的平均值如表2所示。表2  沖擊功Ak。試驗結果
    對上述結果進行分析，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。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。
    鋼結構厚板低溫沖擊韌性試驗的結果為厚板能選材提供了試驗依據。
2現行規范對沖擊韌性指標的規定
    我國GB 50017 - 2003對于沖擊韌性指標的規定如下：
    1)對于需要驗算疲勞的焊接結構（Q345-B鋼）．應具有常溫20℃沖擊韌性的保證。當工作溫度不高于o℃但高于20℃時，應具有0℃沖擊韌性能合格保證。當結構T作溫度不高于-20℃時，應貝有  20℃的沖擊韌性。
    2)對于需要驗算疲勞的非焊接結構，也應具有常溫20℃沖擊韌性的保證。當工作溫度不高亍
-- 20℃時，應具有o℃沖擊韌性的合格保證。
    GB/T  1591- 2008《低合金高強度結構鋼》和GBlT 19879-2005《建筑結構用鋼板》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標準規定的鋼材沖擊功值
    上述規范或標準的內容概括為以下兩點：
    1)不同工作溫度下，應滿足該溫度范圍對沖擊韌性的要求，但是規定的沖擊韌性對應的溫度點茭該溫度范圍的上限值。
    2)鋼板的質量等級越高，其對沖擊韌性昀要球越嚴格，即能保證沖擊韌性要求的溫度點越低。
    但是，目前的GB 50017 - 2003對沖擊韌性雕要求有待進一步完善。主要存在的問題是：對低溫的要求程度不夠、未考慮鋼板厚度的影響以及沒確引入韌脆轉變溫度這一概念。