新旧英标在钢材次等级计算方面的比较分析_王龙.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 3 7新旧英标在钢材次等级计算方面的比较分析王 龙,白玉冰,倪可斌(中建科工集团有限公司,深圳5 1 8 0 4 0)摘 要:在钢结构工程中,为了满足钢材的韧性要求,一般都会对钢材的次等级有一定的要求。论文对新旧英国标准B SE N1 9 9 3-1-1 0(新)和B S5 9 5 0-1(旧)的钢材次等级的计算方面进行了比较分析并归纳了新旧标准的异同,同时给出了应用算例,可为从事国外钢结构工程的相关设计和施工人员提供参考。关键词:钢结构;钢材;次等级;韧性;板厚;参考温度C o m p a r i s o na n dA n a l y s e so nC a l c u l a t i o no fS t e e l S u b-g r a d ei nt h eN e w&O l dB r i t i s hS t a n d a r dWANGL o n g,B A IY u-b i n g,N IK e-b i n(C h i n aC o n s t r u c t i o nS c i e n c ea n dI n d u s t r yC o r p o r a t i o nL t d,S h e n z h e n5 1 8 0 4 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h es t e e l s u b-g r a d ea r e r e q u i r e dt om e e t t h e t o u g h n e s s i ns t e e l s t r u c t u r e s.A n dt h e c o m p a r i s o na n da n a l y-s i so f s t e e l s u b-g r a d ea r ed i s c u s s e db a s e do nt h en e wa n do l dB r i t i s hS t a n d a r d,i.e.b e t w e e nB SE N1 9 9 3-1-1 0a n dB S5 9 5 0-1,m o r e o v e raw o r k e de x a m p l eb a s e do nt h ec a l c u l a t i o ni s i n t r o d u c e d,a l lo fw h i c hp r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u t i o no f s t e e l s t r u c t u r e s.K e yw o r d s:s t e e l s t r u c t u r e;s t e e l s u b-g r a d e;t o u g h n e s s;p l a t e t h i c k n e s s;r e f e r e n c e t e m p e r a t u r e收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 4.作者简介:王 龙(1 9 8 9-),工程师.E-m a i l:2 5 8 3 2 1 8 8 8 1q q.c o m随着我国经济的快速发展和“一带一路”战略的推进,有力促进了沿线各国的经济繁荣与区域经济合作,一些中国建筑企业积极开拓国际市场,承接越来越多的海外工程项目。由于钢结构轻质高强、易于制作加工的突出优点,被广泛应用于各类建筑工程中。在许多钢结构工程中,有些钢构件会承受拉力、焊接和疲劳等作用,出现脆性断裂的现象,即钢材在破坏前没有明显的屈服征兆,突然从应力集中处断裂,最终导致整个结构的破坏。因此在钢结构工程的设计和施工中,要注意防止脆性断裂的发生。为了避免脆性断裂,应使钢材在脆性和延性之间有一个“缓冲期”,这需赋予钢材一定的韧性,即断裂时必要的吸收机械能的能力,而当使用具有良好冲击韧性的钢材时即可避免脆性断裂,这就需要钢材具有一定的次等级保证(即国内钢材的质量等级)。例如在国外工程中常用钢材S 3 5 5次等级主要有J R、J 0、J 2、K 2、M、N、ML和N L。钢材的次等级的确定取决于诸多因素,如钢材厚度、温度作用、应力状态和节点类型等。在钢结构的钢材采购前必须先确定钢材的次等级,该文将对新旧英国标准B SE N1 9 9 3-1-1 01和B S5 9 5 0-12的钢材次等级如何确定的计算方法进行对比分析,并给出相应的计算实例,可供类似国外钢结构工程参考。1 英国新标准B SE N1 9 9 3-1-1 01的钢材次等级的计算方法1.1 影响因素英国标准B SE N1 9 9 3-1-1 01(以下简称“新英标”)在钢材次等级计算方面主要考虑以下影响因素:1)钢材特性包括材料的屈服强度fy(t)和用测试温度T2 7J或者T4 0J表示的韧性水平;2)构件特性包括构件形状和节点、应力集中情况、钢材厚度等;331建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期3)设计状况包括构件最低温度设计值、构件在相关荷载组合下的最大应力值和其它相对的温度调节。新英标主要适用于应力周期内的受拉、焊接和疲劳的板件某部分存在拉伸的情况,对于其它情况亦可以保守的应用以下的计算方法。该文将主要考虑前一种情况并对上述的各个影响因素将在下文中逐一阐述。1.2 新英标的计算方法及步骤1)确定Tm d和Tr根据B SE N1 9 9 1-1-53确定重现期的最低空气温度Tm d和辐射损失的调节温度Tr。2)确定参考温度TE d结合上述步骤1)并根据B SE N1 9 9 3-1-1 01的式2.1确定参考温度TE d,如式(1)TE d=Tm d+Tr+T+TR+T+T c f(1)式中,Tm d系指指定重现期的最低空气温度,见B SE N1 9 9 1-1-5;Tr系指对辐射损失的调节,见B SE N1 9 9 1-1-5;T系指对材料应力和屈服强度、裂纹瑕疵和构件形状和规格的调节;TR如有要求,系指反应出不同应用程序的不同可靠性水平的安全裕量;T系指对应变速率而不是参考应变速率0进行的调节;T c f是对冷成型程度c f进行的调节。在大多数情况下,上述前两个因素是主要因素,其余的为次要因素。需要注意Tm d并非钢结构的最低使用温度Tm i n,尽管其余调节项为零时,其值相等,但意义并不同,例如:对于室外钢结构,一般情况下当其余项为零时,有Tm d=Tm i n。3)确定Ed和E d计算时应使用以下设计工况Ed=EAT E d+GK+1QK1+2,iQK i(2)式中,AT E d为温度变化引起的位移约束产生的应力;GK为永久作用;1QK1为可变荷载的频率值;2,iQK i是伴随可变负荷产生的准永久性数值;1和2为组合系数,应与B SE N1 9 9 0一致或者参考B SE N1 9 9 1-1-5。最大外加应力E d为潜在断裂发生位置的名义应力。应考虑B SE N1 9 9 1对应部分的永久与可变作用的所有组合,根据正常使用极限状态计算E d。由于假定最低温度、裂纹尺寸、裂纹位置以及材料特性是同时发生的,一般认为以上组合等同于偶然组合;同时E d可能包括温度变化产生的位移约束造成的应力;故E d为式(2)计算所得的最不利荷载组合值。4)确定屈服强度fy(t)fy(t)=fy,n o m-0.2 5t/t0(3)式中,t为钢材厚度,mm;t0=1mm;fy,n o m为名义屈服强度。fy(t)亦可取值为相关钢材标准的屈服强度R e H-数值,一般推荐从钢材标准B SE N1 0 0 2 5或者B SE N1 0 2 1 0中获得屈服强度fy(t)的值。5)确定应力水平E d/fy(t)根据上述步骤3)和4)可确定应力水平E d/fy(t)的值。6)确定钢材的次等级最后根据新英标中的表2.1并结合上述各值,采用线性插值即可确定钢材的次等级。2 英国旧标准B S5 9 5 0-12的钢材次等级的计算方法2.1 影响因素英国标准B S5 9 5 0-12(以下简称“旧英标”)中钢材次等级的计算主要考虑以下的影响因素:1)节点类型、应力水平和应变条件的共同作用;2)测试温度T2 7 J和最低工作温度Tm i n。2.2 旧英标的计算方法及步骤旧英标主要依据不同的测试温度T2 7 J确定相应的最大板厚t,具体求法如下:tK t1并且tt2每一个构件的钢材次等级选择应同时满足上述条件。431建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期其中:K为依钢材节点类型,总应力水平,应力集中效应和应变条件而变化的,详见旧英标中的表3。t1是特定等级和质量钢材在适当的最低温度Tm i n下的厚度极限值,详见下文。t2为构件的最大厚度不能超过相关标准的最大厚度,详见旧英标中的表6。其中上述的t1的计算方法如下:如果Tm i nT2 7 J-2 0t1=5 0(1.2)N3 5 5/Yn o m1.4(4)如果T2 7 J-2 0Tm i nT2 7 J-3 5t1=1 1 0(1.8)N3 5 5/Yn o m1.4(5)如果Tm i nT2 7 J-3 5t1=0(6)式中,N=(Tm i n-T2 7 J)/1 0;Tm i n为在构件预定设计使用寿命内可能发生在钢材上的最低工作温度,;T2 7 J为测试温度,为确定此温度,在产品标准中明确规定了2 7 J的摆锤式冲击试验最小值Cv,或者旧英标中的表7给出的等效值;Yn o m为名义屈服强度。基于上述,当最低工作温度Tm i n为0时,可以计算得到常用材质为S 3 5 5时的钢材的次等级,结果如表1,其中假定了受拉应力大于等于0.3Yn o m、K=1;其他情况以此类推。表1的计算结果已在我司承接的某国际机场钢结构工程中得到了具体有效的实施,即根据钢板厚度选用相应范围的钢材次等级。表1 常用的S 3 5 5钢材的次等级(依据B S5 9 5 0-1)钢材次等级测试温度T2 7 J/最小工作温度Tm i n/名义屈服强度Yn o m/(Nmm-2)计算最大板厚/mm板厚选择范围/mmJ R2 003 5 53 4.713 5J 0003 5 55 0.03 65 0J 2-2 003 5 57 2.05 17 2K 2-3 003 5 58 6.47 38 6N L-5 003 5 51 2 4.48 71 2 43 钢材次等级计算实例某顶层钢结构工程位于室外的某根悬挑钢梁截面为H 3 0 02 0 081 4(焊接H型截面),如图1所示,钢梁材质为S 3 5 5,最低工作温度Tm i n为0。悬挑钢梁的所受荷载如下:恒载:1 0.0k N/m;附加荷载:5.0k N/m;雪活载:4.0k N/m;风荷载:3.5k N/m。试确定此钢梁的次等级。1)算法1:采用新英标B SE N1 9 9 3-1-1 0计算根据计算可得最不利荷载组合4对悬挑钢梁产生的拉应力E d=1 1 2.5N/mm2;同时依据B SE N1 0 0 2 5可知腹板和翼缘的屈服强度fy(t)均为3 5 5N/mm2;故应力水平为E d/fy(t)=1 1 2.5/3 5 5=0.3 2。由前述可知,对于室外环境,此处可取参考温度TE d=Tm i n=0。故对于S 3 5 5,当应力水平为0.3 2和参考温度为0时,依据新英标中的表2.1并采用线性插值可得相应的次等级板厚t的上限值为:J R-8 3.8mm,J 0-1 1 6.0mm。因此,再根据悬挑钢梁的腹板和翼缘的板厚,可知其等级均取为S 3 5 5-J R。2)算法2:采用旧英标B S5 9 5 0-1计算依据前述表1的板厚选择范围可知,此悬挑钢梁的腹板和翼缘的等级均为S 3 5 5-J R。4 新旧英国标准的比较分析综上所述,可以得到新旧英国标准在钢材的次等级计算方面有以下异同: