高层建筑钢结构-高层钢结构用钢

2020年4月8日星期三
钢材耐火性能对比
高层建筑钢结构
国内的耐火钢的牌号有： 上海宝钢： B400RNQ(Q235级)、B490RNQ (Q325级)。 武钢： WGJ510C2(Q325级)、WGJ590C2(Q410级)。 鞍钢也生产类似的耐火耐候钢，强度等级为Q235级和 Q345级。
其耐腐蚀性能为普通钢材的2－8倍。
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表2.4 部分低合金高强度钢的化学成分规定（GB/T1591）
质量
牌号 等级 C
Mn
≤
化 Si P S ≤≤≤
学 成 分，％
V
Nb
Ti
Al Cr Ni ≥≤≤
Q345
A 0.20 1.00~1.60 0.55 0.045 0.045 0.02~0.15 0.015~0.060 0.02~0.20 － B 0.20 1.00~1.60 0.55 0.040 0.040 0.02~0.15 0.015~0.060 0.02~0.20 － C 0.20 1.00~1.60 0.55 0.035 0.035 0.02~0.15 0.015~0.060 0.02~0.20 0.015 D 0.18 1.00~1.60 0.55 0.030 0.030 0.02~0.15 0.015~0.060 0.02~0.20 0.015 E 0.18 1.00~1.60 0.55 0.025 0.025 0.02~0.15 0.015~0.060 0.02~0.20 0.015
N/mm2
不小于
180 弯曲试验 d=弯心直径； a=试样厚度(直径) 钢材厚度(直径)，
mm
不小于
≤16 >16~100
A 345 325 295 275 470~630 21 B 345 325 295 275 470~630 21 Q345 C 345 325 295 275 470~630 22 D 345 325 295 275 470~630 22 E 345 325 295 275 470~630 22
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5) 高层钢结构构件的常用型材和板材
梁截面
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柱截面
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支撑截面
压型钢板
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组合板的连接形式
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2.3 连接材料
1) 焊接材料
❖ 手工焊接用焊条
E43xx，
上述第1个数字代表螺栓材料的抗拉强度fu，为百分数； 第2个数字为屈强比fy / fu ，为10分位数。
❖ 高强螺栓
8.8级 一般由45号、35号等优质碳素钢制成。 10.9级 一般由20MnTiB, 40B, 35VB等低合金钢制成。 一般需要进行热处理。
❖fu 抗拉强度 Ultimate stress (Tensile strength)
❖E 弹性模量 Young’s modulus
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❖伸长率 Percent elongation
l 100%
l0
5 :
l0 5 d0
( l0 5.65) A0
10 :
l0 10 d0
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3) 国内外钢材牌号的对应关系
国别 中国 美国
日本
欧盟
英国
俄罗 斯
澳大利亚
钢材 牌号
SS400
Q235 A36 SM400
SN400
Q345
A242,A441, A572-50, A588
SM490 SN490
Fe360
Fe510 FeE35
5
40
50B,C, D
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表2.1 Q235钢的化学成分和脱氧方法（GB/T700）
牌号
等级
A
B Q235
C
D
C
0.14~0.22 0.12~0.20
≤0.18 ≤0.17
化学成分，％ Si
Mn
0.30~0.55 0.30~0.70
0.30 0.35~0.80
S 不大于 0.050 0.045 0.040 0.035
fu / fy≥1.2 伸长率δ ≥20％ 应具有明显的屈服台阶，屈服强度波动不宜过大
❖ 对要求屈服耗能的构件，其钢材的实际屈服强度不应 大于标准屈服强度太多。目前国内尚无明确规定。
❖ 对于外露、非保温建筑中的钢结构宜采用耐大气腐蚀 和抗冷脆的钢材。
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2) 高层建筑用钢的发展
34 34 34 27
d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a
d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a
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❖ 采用焊接连接的节点，当板厚≥40mm，且承受沿厚 度方向的拉力作用时，应附加板厚方向断面收缩率的 要求，其值不得小于国家标准《厚度方向性能钢板》 (GB5313)Z15级规定的允许值。以防止发生层状撕裂 破坏。
焊接方位
药皮类型，电流形式
E50xx－xx
熔敷金属化学 成分分类号
❖ 自动及半自动埋弧焊用焊丝及焊剂，应符合国家相 应标准。
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❖ 电渣焊用于焊接隐蔽焊缝
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2) 紧固件
❖ 普通螺栓 4.6级、4.8级为C级螺栓，对孔的要求较松。 5.6级、8.8级为A、B级螺栓，对孔的精度要求较高。
❖ 耐火钢(Fire-Resistent Steel)。
❖ 日本研制了低屈服点钢Ly100和Ly225。
化学成分
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焊接性能中的碳当量(Carbon Equivalents)由下式计算：
Si Mn Ni Cr Mo V
Ceq C 24
6
40
5
4
14
焊接裂缝敏感性(Weld-cracking Sensitivity Composition)
例如常用的强度等级为345MPa的钢，要求－20 ℃的冲击功保 证且要求满足Z15的Z向要求，则应采用Q345GJD/Z15高性能 钢。
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Q345系列的高性能钢与普通Q345钢和日本SN490钢材的化学成分 和强度设计值的取值对比：
化学成分
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高层钢结构用钢
2.1 结构用钢(Structural Steels)
1) 钢材分类
Fe C 其它少量元素 冶炼钢
❖ 按用途分： 结构用钢 船体用结构钢 焊接结构用耐候钢 ………
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低碳钢 C≤0.25％ ❖ 按化学成分：碳素钢 中碳钢 0.26~0.6％
(Carbon) 高碳钢 0.6~2.11％
合金钢 低合金钢 合金元素总量<5％
(Alloy)
中合金钢 高合金钢
5~10％ >10％
❖ 按有害成分：普通钢
S≤0.05％ P≤0.045％
优质钢
S≤0.045％ P≤0.04％
高级优质钢 S≤0.035％ P≤0.03％
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❖ 按炉种分：氧气顶吹转炉钢 平炉钢 电炉钢
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❖ 厚度方向性能钢板(也称Z向钢板)分三级：
Z15
Z25
Z35
ψz ≥15％
wenku.baidu.com
≥25％
≥35％
S<0.01%
<0.007%
<0.005%
厚度方向性能钢板拉伸试件制备图如下
Z向钢性能试验方法(a为板厚, l>1.5d)
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❖ 用于抗震结构的钢材应满足：
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3) 钢材的化学成分
❖ 碳C ↑强度提高，但塑性、冷弯、冲击、疲劳、 焊接性能下降。
❖锰Mn 是强度增强剂和弱脱氧剂，但对焊接不利， 不宜过多
❖硅Si 是强脱氧剂，可细化精粒，提高强度，且不影 响其它性能，但过量会恶化焊接性和抗锈性。
❖硫S(氧O) 有害元素，引起热脆和分层。
( l0 11.30) A0
对试验标准 件的尺寸要 求
伸长率的大小，代表延性的好坏。延性(ductility)是钢 材抵抗塑性变形能力大小的量度。
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❖冷弯性能 Cold bending behavior
P d
a
❖ 冲击韧性 Impact toughness
P
冲击功 Impact energy
P
脱氧方法
0.045 F、b、Z
0.040
Z
0.035
TZ
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表2.2 Q235的拉伸试验和冲击试验结果要求（GB/T700）
拉伸试验
冲击试验
牌号
等级
屈服点σs，N/mm2
伸长率δs，％
V型
钢板厚度（直径），mm
抗拉强度
钢板厚度（直径），mm
冲击功
温度
>16 ≤16
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表2.5 部分低合金高强度钢的力学性能要求（GB/T1591）
质量 牌号
等级
屈服点σs，N/mm2
伸长率 冲击功，AkV，(纵向)，J
钢板厚度（直径），mm 抗拉强度 δs，％ +20℃ 0℃ -20℃ -40℃
>50~10 σb
≤16 >16~35 >35~50 0
❖ 按脱氧程度分： 沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b 特镇静钢 Tz
仅用锰脱氧 采用硅或铝脱氧 介入上述二者之间 采用铝、硅脱氧
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2) 钢材的主要力学性能
单向拉伸试 验的荷载应 力应变曲线
❖fy 屈服点 Yield stress (Yield strength)
~40
>40 >60 >100 >150
~60 ~100 ~150
σb N/mm2
>16 ≤16
~40
>40 >60 >100 >150
~60 ~100 ~150
℃
(纵向) J
不小于
不小于
不小于
A
－－
B
20
Q235
235 225 215 205 195 185 375~460 26 25 24 23 22 21
夏比缺口韧性 Charpy V-Notch toughn图es2.3s.4(冷C弯V试验N toughness)
冲击功大小，代表韧性好坏。韧性(toughness)是钢材 抵抗冲击能力大小的量度。
❖断面收缩率 Percent reduction in area A 100%
A0
Z 称为沿厚度方向拉伸试验的断面收缩率。
由下式计算：
PCM
C Si 30
Mn Cu 20 20
Cr 20
Ni 60
Mo 15
V 5B 10
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高层建筑钢结构
低屈服点钢的机械性能和一般结构钢的对比
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高层建筑钢结构
低屈服点钢材具有良好的滞回性能(Hysteretic Behavior)
C235 C345
250 C250
350 C350
Q390
Q420
A572-60
SA440B SA440C
50F
C390
400 Hd400
C440
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4) 日本研制的若干新钢种
❖ 高强高性能钢材TMCP490N/mm2钢，高性能 590N/mm2 (SA440)钢和780N/mm2级钢。
C
0 27
D
-20
为什么会逐渐降低？
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表2.3 Q235钢的冷弯试验结果要求（GB/T700）
牌号 Q235
试样方向
纵向 横向
冷弯试验 B=2a 180°
a，钢材厚度（直径），mm
60
>60~100
>100~200
弯心直径 d
a
2a
2.5a
1.5a
2.5a
3a
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❖ 《高层建筑结构用钢板》(YB4104-2000) 在Q235和Q345的基础上，经改进生产工艺而制成的 用于高层建筑钢结构的高性能钢板，每个牌号分三个 质量等级(C,D,E)，分别规定了0℃，－20 ℃和－40 ℃的冲击功指标。每个牌号又分为Z向钢和非Z向钢。 其命名如下
Q235GJx/(Zy) 其中x为C、D、E质量等级，y为Z向钢性 Q345GJx/(Zy) 能级别15、25、35
❖磷P(氮N) 有害元素，引起冷脆。
❖其他合金(钒、铌、钛、铝、铜、铬、镍、钼等) 细化晶粒、提高强度、可焊性、耐候性等
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高层建筑钢结构
2.2 高层钢结构用钢
1) 基本要求和选材
对主要受力构件用钢的基本要求
❖ 应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作 环境、钢板的厚度等因素综合考虑，选用合适的钢 材牌号和质量等级。国内推荐采用B级和优于B级的 Q235和Q345钢材。
高层建筑钢结构
力学性能
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高层建筑钢结构
强度设计值
厚板时优势明显，即使用厚板时宜采用高建钢
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高层建筑钢结构
❖ 耐火耐候钢 国内的耐火耐候钢尚无部标， 只有企业标准
多数参照日本耐火钢标准研制
与非耐火钢板的区别为在 600℃高温时其屈服强度不低 于标准屈服强度最低值的2/3。