基于冲击韧性的钢结构厚板防止

摘  要：建筑钢结构在我国正逐步兴起，结构向高层、超高层或大跨度方向发展的同时带来了钢材的厚板化。我国存在着大范围的寒冷地区，环境低温和钢板厚度增大导致钢材的韧性变差，从而使钢结构厚板工程的应用面临着较为严峻的低温冷脆问题。而现行钢结构设计规范尚缺乏防止厚板脆性断裂的选材规定。在厚板低温冲击韧性试验结果的基础上，从低温条件、钢板厚度及韧脆转变温度三方面对选材方法进行探讨，为钢结构厚板工程的防脆断设计提供选材建议。
关键词：钢结构厚板；冲击韧性；低温；脆性断裂；选材
    低温使钢材的塑性和韧性降低，是导致钢结构发生低应力脆断的主要因素之一[1]。脆性断裂的发生非常突然，破坏时无明显塑性变形，危害很大心]。
我国东北、华北、西北大部分地区的历史最低气温均在30℃以下，低温地区建筑钢结构的推广应用不可避免地面临着脆性断裂的问题口]。当前，建筑钢结构逐渐向超高层、大跨度方向发展，使得对厚板钢材的需求增大，厚板工程越来越广泛H]。随着厚度的增加，钢板中裂纹或类裂纹缺陷尖端的应力应变状态由平面应力向平面应变转变，约束增加而使脆性断裂倾向增大口j。同时，厚板钢材的治炼轧制工艺，往往使钢板的韧性随厚度的增加而降低∞。；且Z向性能较差的厚板容易发生层状撕裂‘7]。
    低温和板厚对钢结构脆性断裂破坏的重要影响应当引起工程界的足够重视。而关于脆性断裂的问题，现行GB 50017 - 2003《钢结构设计规范》∽1除在“8.7节提高寒冷地区结构抗脆断能力的要求”这一节中提出若干构造措施之外，只是采用冲击韧性指标Ak。来指导不同低温环境下的钢材选材，对冲击韧性没有考虑钢板厚度的影响。对于厚度差别较大的同一牌号及质量等级的钢板，若仍采用相同的冲击韧性代表值，将难以反映不同厚度钢板的韧性特征，可能导致不合理的选材。
    冲击韧性指标在一定程度上能够反映钢材抵抗断裂的能力，且冲击试验简便易行，因此在钢结构工程中得到了广泛应用。。J。本文在Q345-B钢结构厚板低温冲击韧性试验结果的基础上，从低温、厚度和韧脆转变温度这三方面对现行规范中有关冲击韧性的规定进行了探讨，提出了钢结构厚板防止脆性断裂的选材方法建议。

1  冲击韧性试验
    根据GBlT 229- 2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》‘1。]，在-20，O，- 20，- 40，- 60℃五个温度点下对结构钢材Q345-B厚板(60，90，120，150 mm四种厚度)进行了冲击试验‘11]。厚板的主要化学成分指标如表1所示。
    每种厚度钢板在不同位置取样（分别为距钢板表面O、1/8、1／4、318、1／2厚度的位置），同一温度点与厚度位置选用4个试样。试验采用V型缺口试样，试样用酒精与液氮t昆合液体冷却至相应的低温点，置于SANS摆锤式冲击试验机上测定每个试样的冲击功值。4个试样冲击功的平均值如表2所示。表2  冲击功Ak。试验结果
    对上述结果进行分析，得到不同厚度钢板与钢板不同厚度位置处冲击功值的温度变化曲线。从表1可知：
    1)随着温度降低，钢材昀冲击功值迅速降低，冲击韧性变差。
    2)相同温度下，钢材的冲击韧性随钢板厚度甑增大而降低。
    3)沿厚度方向从表面到中心位置，冲击韧性呈明显的降低趋势。
    钢结构厚板低温冲击韧性试验的结果为厚板能选材提供了试验依据。
2现行规范对冲击韧性指标的规定
    我国GB 50017 - 2003对于冲击韧性指标的规定如下：
    1)对于需要验算疲劳的焊接结构（Q345-B钢）．应具有常温20℃冲击韧性的保证。当工作温度不高于o℃但高于20℃时，应具有0℃冲击韧性能合格保证。当结构T作温度不高于-20℃时，应贝有  20℃的冲击韧性。
    2)对于需要验算疲劳的非焊接结构，也应具有常温20℃冲击韧性的保证。当工作温度不高亍
-- 20℃时，应具有o℃冲击韧性的合格保证。
    GB/T  1591- 2008《低合金高强度结构钢》和GBlT 19879-2005《建筑结构用钢板》分别刘Q345钢与Q345GJ钢的冲击韧性做了如表3所示的要求。
表3标准规定的钢材冲击功值
    上述规范或标准的内容概括为以下两点：
    1)不同工作温度下，应满足该温度范围对冲击韧性的要求，但是规定的冲击韧性对应的温度点茭该温度范围的上限值。
    2)钢板的质量等级越高，其对冲击韧性昀要球越严格，即能保证冲击韧性要求的温度点越低。
    但是，目前的GB 50017 - 2003对冲击韧性雕要求有待进一步完善。主要存在的问题是：对低温的要求程度不够、未考虑钢板厚度的影响以及没确引入韧脆转变温度这一概念。