来源:建筑钢结构网 作者: 时间:2009-12-22
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摘要：
摘要：
重点建筑钢结构工程钢材及钢构件制作质量状况调查
沈 荣
（2007年11月）
一、 关于重点建筑钢结构工程国产钢材的质量状况
高强度低合金建筑结构用厚钢板国产化的进程，一直是我们关注的热点，随着我国钢铁冶金业在工艺装备、控制技术、科研开发等方面的迅速发展，使一批重点建筑钢结构工程如：国家体育场（鸟巢）、中央电视台新址主楼、广州新电视塔、珠江新城西塔、首都机场3号航站楼、北京南站等钢结构用材的供应实现了全部国产化。而Q345GJ C（D）/Z35和Q460E/Z35等高强度、高韧性钢材的研发和生产，标志着我国建筑用钢的品种开发进入到一个新的发展阶段。
本文重点对Q345GJC（D）/Z35和Q460E/Z35两种牌号（厚度≥100mm）的钢板实物质量状况进行了调查。
目前建筑钢结构的设计选材至今尚未有一个比较具体的准则或指南，这不仅关系到结构的安全和寿命而且与钢材的用量及工程造价有关，准确合理选材至关重要。本文对设计选材中还应注重的几个问题提出了建议意见，供有关部门进一步商榷。
钢材通过加工制作生产出符合设计要求的钢构件，为促进制作工艺编制的更加合理、准确和完善，进一步提高钢构件的制作质量，本文提出了加强设计→钢厂→制作厂三者之间应建立的有效工作联络机制，以更好地促进我国建筑钢结构产业健康持续发展。
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通过对Q35GJC（D）/Z35（t=100）21炉钢板的出厂报告所列的数据分析意见如下：
① 钢的化学成分符合GB/T19879-2005（以下简称标准），且每炉钢水的定碳命中率较高，波动幅度窄仅为±0.01％，碳含量控制在0.14-0.15％之间，低于标准值。
② S含量控制在0.002％～0.003之间，P含量控制在0.007-0.013之间均低于“标准值”钢水的洁净度高。
③ 碳当量控制在0.39％-0.42％之间，低于标准值，有利于改善钢材的焊接性。
④ 屈强比控制在0.60-0.70之间，低于标准的要求，钢材的塑性储备余度较大，有利于结构抗震需要，但应注意过低的屈强比，对有效发挥钢材潜能不利，造成用钢量增加，影响结构设计的经济性。
⑤ 钢材的延伸率为24％～33％，高于标准值的要求，钢材的断面收缩率（Z向性能）试验平均值在61.2％～68％之间高于Z35的要求。说明钢材的塑性性能较好。
⑥ 0℃冲击功试验平均值在167.3～206.7（J）之间大大高于标准值。钢材的韧性较好，有利于提高结构抗低温脆断的能力。
纵上所述：Q35GJC/Z35牌号钢材的生产，采取了降C、降Mn、加微合金化的成分设计路线，通过加入适量的细晶粒元素（Ni、V、Ti等）及采取控冷控轧工艺制度，满足了高强度、塑韧性好、低碳当量、焊接性好及减轻板厚效应的设计要求。
2）Q460E/Z35实物质量数据（t＝100mm）
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品质分析：
1、关于Q460E牌号钢（t=100mm）的成分设计。不同钢厂其设计思路是有差异的，这是一个值得深入研讨的课题，对钢板的性能、钢材的生产成本起着决定性的作用，下表列举了三个不同钢厂的成分设计供研究。
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3、由于钢厂实行了：精料、精练、精轧、精整的生产方针，并执行严于国际标准的企业内控质量标准，因此为国家体育场等重点工程供应的Q460E/Z35钢板（t=100mm）的质量符合GBT1591-94的规定并满足设计的要求。
4、为保证足够的轧制比采用了大单重的扁锭轧制，为消除或减轻铸态组织易产生的偏析、疏松、气孔、夹杂等缺陷，钢厂开发了无缺陷浇铸工艺，使钢锭质量大为提高，保证了钢板的品质。
5、Q460E/Z35钢板的生产依然采用了微合金化设计及空冷空轧工艺，通过细晶及析出强化，使钢板获得了最佳的综合性能。
4）有关工作的建议
（1）有关选材中应注意的几个问题
通常钢结构的设计选材主要依据以下几个原则
①结构的重要性类别
②结构服役期内的荷载特征及应力水平
③结构及构件所处的工作温度及环境特征
④构件连接方法及节点拘束度大小（即应力集中程度）
⑤钢板厚度的影响
迄今尚未有一套可以全面具体知道设计选材的“指南”或“准则”。为更好地保证结构安全可靠又尽可能做到经济耐用，最大限度地发挥钢材地能力，下列几个方面在选材时应重视并认真考虑。
过分追求钢材的强度指标，以达到减轻结构的质量（重量），减少用钢量的观点并不充分。
从断裂力学观点出发，钢材实际上是不连续，不均质，各相也不同性的，内部总是存在夹杂，分层、点孔状缺陷或微裂纹，即存在发生疲劳断裂的隐患，强度越高的钢材往往韧性越差，所以认为首先要考虑选择韧性好，裂纹扩展速率低的钢材。
只有在接近实际使用条件下，对钢材进行试验所获得的数据才比较真实可靠，作为选材的依据。同时，一定要注意样本的数量和取样的代表性。
钢材的性能都是通过各种试验得出的，由于实验室条件与实际使用环境有很大的差异，钢材的性能因环境而有差异。所以只有在接近环境下试验所得的数据，才比较真实客观。
钢材的密度，对钢材的综合性能十分关键。
钢材的密度决定了钢材的综合品质，因此，一定要保证足够的轧制力和一定的压缩比（轧制比），以生产出质量致密的钢材。在同等条件下要选择轧制力大的轧机。
要重视钢材的综合性能，不要追求某个单项指标，既要注意宏观的力学指标，又要关注钢材内部的金相组织结构和晶粒度、夹杂物等微观情况。
应力集中现象是产生钢结构破坏的最主要原因之一，钢材选定后一定要采取合理的结构设计，尽量避免过大的应力集中。
（2）关于建筑用钢的质量定位是获得钢材最佳性价比的关键
钢的杂质含量越少洁净度就越高，钢材的品质越好，生产周期越强，但生产成本越高，价格也越贵。不同用途的钢材性能要求有差别对洁净度的要求有差别如：
桥梁钢要求有良好的抗低周疲劳性能及低的应变时效倾向；
船体钢要求有良好的抗低温裂纹扩展的能力；
管线钢要求有抗断裂及抗氢锈发裂纹（HIC）的性能；
汽车大梁钢要求有良好的冲压性能和承受冲击荷载的能力；
高层建筑用钢要求有抗层状撕裂及低的屈强比；
根据这些不同的要求，在成分设计、工艺流程、金相组织和洁净度：即，∑（S，P，H，O，N）夹杂物的总含量应有不同。确定建筑用钢的洁净度控制水平，对缩短冶炼周期、增加产量及成材率、降低生产成本十分重要。
（3）关于“钢厂”为设计及制作厂提供更多技术帮助和指导的意见。
①为使结构设计工作者对钢材品质有更加全面、深刻的了解，应加强结构设计人员与材料研究生产人员两者之间更加紧密的交流与磋商，建立必要的工作联络制度这是保证合理选材的重要途径。
②结构设计者在选材时，往往对成分设计、质量等级、交货状态及一些由双方协议确定的条款，往往缺乏全面认识，需要材料工作者给予指导和帮助。
③为使制作厂更好地掌握钢材的性能，准确地编制制作工艺并减少不必要的重复性工作，钢厂在一定批量及使用新牌号钢材时应尽可能地为制作厂提供下列数据或资料：
金相组织；非金属夹杂物的类别及含量；晶粒度；SHCCT曲线系列冲击试验，落锤试验、斜Y试验、CTOD试验的数据。
④应建立设计、钢厂、制作厂三者之间的有效工作联络机制
⑤关于“钢材”复验工作的改进意见
根据目前许多工程都要求制作厂进行钢材复验的情况，提出以下意见，请商榷。
钢材出厂检验时，只有当检验项目中出现不合格项时才需进行扩大取样比例的复验，钢厂所供应得钢材应完全是合格产品，所提供的质量证明书中的数据应准确符合所供钢材的实际品质状况，保证每项指标都是合格的。应该强调：钢厂应对其所供应的钢材质量及质量证明书中的数据负责。制作厂只需审核质量证明书中的数据是否准确并符合要求，只在必要时才做少量的抽样复查，不应把复验的工作完全推到制作厂身上。
由于现代化的钢铁生产工艺装备、控制水平及严格的质量保证管理体系，钢材的质量应是稳定的，因此即使制作厂需进行抽查，也应对抽查的数量和批次有科学的规定，以避免不必要的资源浪费。
目前所进行的复验工作中往往由于试件加工的精度、试验设备的性能、操作人员的水平及加载过程的差异而出现与钢厂质保书中的数据不一致时，其达成共识的过程冗长而复杂，不利于工程进度。
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上述企业的主要特点是：
①资质等级高都具有“钢结构工程专业承包壹级资质”
具有“轻钢房屋钢结构专项工程设计甲级资质”
具有“钢结构制造企业特级资质”
具有“中国实验室国家认可委员会认可证书”??CNAL证或地方政府认可的试验室检测资质。
具有“中华人民共和国计量认证合格证书”??CMA证书
②规模大、产量高、设备齐全、性能好
③都拥有完善的理化试验室、焊接工艺试验室及无损检测中心。
④拥有一批优秀的技术管理人员，特别是拥有一个企业设计院或设计中心，进行结构分析和详图设计。
⑤都有焊工考试委员会，负责焊工培训、考试、资格管理工作。
⑥都拥有一套全整的质量管理体系。
⑦都已经具备了海外钢结构工程市场的开发能力，并承接了多个大型工程，信誉甚好。
综上所述，上述这些制作企业都是我国建筑钢结构业的大型骨干企业，是我们持续发展建筑钢结构行业的基本力量和生力军。
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3、制作质量的保证措施及初步评定：
由于一些工程正在进行，而且工程及构件质量的评定需由一个专门委员会来进行，我们仅根据已掌握的数据、资料，加上自身的经验加以初步评定：
1）、上述重点工程，事前都单独制订了适宜本工程特点《钢结构工程施工质量验收规范》，与国家的钢结构构件方面质量评定标准体系。
2）、上述各项工程都在事前开展了大量的设计试验或施工试验，通过这些试验（构件验证和节点验证），验证设计、完善制作工艺，以确保万无一失。
3）、对钢材的质量，除严格选择钢厂外，还强调了选材技术协议条款的制定与供应厂商签订严格的质量保证协议。并在制作前进行了大批次的钢材复验工作。
4）、对首次采用国家Q460E牌号钢的焊接性进行了完整、系统的试验，进行冷裂纹敏感性试验：如：斜y焊接裂纹试验，热影响最高硬度试验，拆销试验，自然裂纹敏感性试验。其结果 指导，制作工厂的“焊接工艺规程”及“焊接制作指导书”的编制。
5）、针对有些结构部位，采用铸钢节点的具体情况还进行异种钢材的焊接性试验。
6）、由于上述工程中大量采用厚板或特厚板，因此专门针对厚板焊接工艺进行研究、开发，特别是注重厚板连接节点处抗层状撕裂性能的改善与提高。
7）、为了比较真实地符合工地、施工环境，还特地模拟实际环境下的气温，同速下进行焊接试验。
8）、对构件的焊接收缩量，焊接复形进行仿真模拟，估算其数值并通过焊接试验加以评论，制定正确的焊接顺序。设计合理的焊接层次及焊接道次布置。
9）、开展了焊材、焊剂的质量调研，严格地选用焊材、焊剂，并对焊材的成分，焊剂的碱度等提出了要求。
10）、提高了电渣焊缝的冲击韧性值。
11）、对焊后消气条残余 ，措施得当，成效显著。
12）、编制完整的“制作要领书”，全面指导钢构件制作。
13）、事前对焊工进行了培训，并进行附加技能的考试。
14）、设计了多种实工装、器具，以保证构件装配精度和劳动生产率的提高。
15）、建立了一套严格的质量三检制度（自检、互检、来检），建立了一套严细的工序质量备验制度，对不合要求的零部件必须通达修理合格，才能进入下道工序。
通过以上这些措施，（材料、工艺、装备、人员、检测……）保证了制作质量。
注：本次调查工作得到了江苏沪宁钢机股份有限公司、上海冠达尔钢结构有限公司、浙江精工钢结构股份有限公司、上海中远川崎钢结构有限公司的支持和帮助，在此谨向他们表示感谢！
