起重機鋼結(jié)構(gòu)材料及其質(zhì)量等級

高山，張琳琳

（1.科尼起重機設備（上海）有限公司，上海 200331；2.沈陽理工大學，沈陽 110159）

1 起重機鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇要求

起重機鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇要求結(jié)構(gòu)安全可靠，用材經(jīng)濟合理。在選擇鋼材時需考慮下列因素：1）根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性等級的不同，選擇鋼材的質(zhì)量等級也應不同，重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用質(zhì)量好的鋼材。2）按照載荷性質(zhì)（靜力或動力荷載）應選用各項性能不同的鋼材。3）焊接結(jié)構(gòu)應選擇可焊性好的鋼材，非焊接結(jié)構(gòu)可對含碳量降低要求。4）結(jié)構(gòu)環(huán)境工作溫度對鋼材的影響很大，宜選用具有適應低溫，高溫和腐蝕性環(huán)境能力的鋼材。5）在符合上述性能的條件下，鋼材還應能容易生產(chǎn)、采購、價格便宜。

起重機通常采用普通低合金結(jié)構(gòu)鋼和普通碳素結(jié)構(gòu)鋼為其鋼結(jié)構(gòu)的材料，因為這類鋼結(jié)構(gòu)材料不但能夠滿足結(jié)構(gòu)安全可靠和使用的要求，還可以最大可能地降低造價和節(jié)約鋼材。起重機鋼結(jié)構(gòu)材料應具有較高的伸長率、屈服強度、抗拉強度和對磷、硫元素含量的合格保證。對焊接結(jié)構(gòu)，為保證其良好的可焊性，還應具有碳含量的合格保證。冷彎試驗的合格保證對于焊接承重結(jié)構(gòu)和重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)所采用的鋼材也是必不可少。常溫或負溫沖擊韌性的合格保證則對于需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材至關重要。常溫沖擊韌性的合格保證對需要驗算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材不可或缺。

2 起重機鋼結(jié)構(gòu)材料的品種、牌號和等級

1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。其中Q235 最為常用。按質(zhì)量等級和脫氧方法等可以表示為Q235-A/B/C/D-F/b.例如：Q235 為屈服強度235 N/mm2,A 為A 級鎮(zhèn)靜鋼；AF 為A 級沸騰鋼；Bb 為B 級半鎮(zhèn)靜鋼；C 為C 級鎮(zhèn)靜鋼；D 為D 級特殊鎮(zhèn)靜鋼。

2）低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，Q390,Q420。其中Q345 最為常用。按質(zhì)量等級可以表示為Q345-A/B/C/D/E。例如：Q390 為屈服強度390 N/mm2，A/B 為A/B 級鎮(zhèn)靜鋼；C/D/E 為C/D/E 級特殊鎮(zhèn)靜鋼。

3）等級劃分。A 級：保證抗拉強度、屈服點和伸長率及硫、磷含量，對沖擊韌性值未做要求，對冷彎實驗只在需方有要求時才進行。B、C、D 級：保證抗拉強度、屈服點、伸長率及碳、硅、錳、硫、磷含量，還需滿足冷彎和沖擊韌性AKV≥27J（分別在20 ℃、0 ℃、-20 ℃下）合格的條件。E級：除了必須具備D 級的各項指標，還要求-40℃時的沖擊韌性。

3 影響鋼材性能的因素

1）化學成分。鋼材是由各種化學成分組成的，其中鐵質(zhì)量分數(shù)在碳素鋼中約占99%，碳和其它元素僅占1%，但對鋼材的力學性能卻有著決定性的影響。碳質(zhì)量分數(shù)增加，鋼的強度提高而塑性、韌性和疲勞強度下降。因此碳質(zhì)量分數(shù)一般不超過0.22%，在0.2%以下時，可焊性良好。硅和錳是鋼材中的有益元素，含量適宜時可提高鋼材的強度，對塑性和韌性并無不良影響。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，硅質(zhì)量分數(shù)應不大于0.3%，錳質(zhì)量分數(shù)為0.3%～0.8%。在低合金結(jié)構(gòu)鋼中，硅質(zhì)量分數(shù)可達0.55%，錳質(zhì)量分數(shù)可達1%～1.6%。氧和氮都是鋼材中的有害雜質(zhì)，降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高低溫時易使鋼材熱脆和冷脆。因此在起重機鋼結(jié)構(gòu)選材時應嚴格控制化學成分的含量，既要保證較高的抗拉強度，還要保證良好的塑性、韌性和可焊性。

2）冶金缺陷與鋼材硬化。裂紋、氣孔、非金屬化合物、偏析等為常見的冶金缺陷,會造成鋼中化學成分分布不均勻。裂紋、氣孔和非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。偏析使鋼中化學成分分布不均勻，造成偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。鋼材中存在非金屬化合物會使鋼材性能變脆。當材料加載超過其比例極限之后，隨即卸載，出現(xiàn)殘余變形，再次加載時，塑性和韌性降低，屈服點提高，即冷作硬化。此外還有時效硬化等對鋼材的性能都有較大的影響，因此特別是對于重要的承載構(gòu)件要選用質(zhì)量良好的鋼材。

3）溫度的影響。100 ℃以內(nèi)的環(huán)境溫度對鋼材性能無影響；超過100 ℃之后，隨溫度升高，總的趨勢是塑性增大，彈性模量與強度降低。250 ℃上下時塑性和韌性降低，抗拉強度略有提高，脆性增加即出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“藍脆區(qū)”。250～350 ℃應力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度持續(xù)變形，即稱徐變現(xiàn)象。到達600 ℃左右，彈性模量趨于零，鋼材基本上完全失去承載能力。受高溫輻射作用的起重機鋼結(jié)構(gòu)，應根據(jù)不同情況，采取加隔熱層或保護層等防護措施。設計時對計算應力的許用值應適當考慮高溫的影響并作相應的減小，以確保安全。當溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。T1～T2之間溫度轉(zhuǎn)變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)溫度不同，必須通過試驗確定。在強度或剛度允許的前提下，設計時盡量采用較薄的鋼板，而厚度超過36 mm 的鋼板不應用于低溫承載結(jié)構(gòu)上。對于有特殊溫度或輻射要求的起重機，應按訂單特殊設計，合理選擇材料并嚴格控制質(zhì)量等級。

4）應力集中的影響。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面不平整上面的孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或?qū)挾韧蛔兊炔课?，在力作用下出現(xiàn)高峰應力，而其它部位應力較低，這種應力集中現(xiàn)象特別是在負溫下或動力荷載作用下，可能提前出現(xiàn)塑性變形使材料的脆性增加，塑性降低或發(fā)生脆性破壞。設計中應努力去避免尖銳角和截面突變的情況，避免或減小應力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。

圖1 溫度對鋼材力學性能的影響

圖2 沖擊韌性與溫度的關系曲線

圖3 孔洞及槽孔處的應力集中

圖4 變幅疲勞

5）鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。在連續(xù)反復荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，盡管應力低于抗拉強度，甚至低于屈服點，但經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，也會發(fā)生突然斷裂破壞，即疲勞破壞。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上難免有微觀裂紋，如非金屬雜質(zhì)、軋制或加工時造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的尖端因應力集中而出現(xiàn)高應力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應力場，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在長期反復荷載作用下，高應力區(qū)出現(xiàn)的微觀裂紋逐漸展開成宏觀裂紋，裂紋尖端的拉應力使裂紋逐步擴展，與此同時結(jié)構(gòu)件的有效截面也逐步減小。經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)n 后，一旦裂紋擴展到構(gòu)件截面不能承受荷載時，結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。當n≥105時，應該進行疲勞計算。

目前疲勞計算仍采用的是容許應力幅法，荷載采用標準值，不考慮分項系數(shù)和動力系數(shù)，并按彈性工作計算。實際上起重機的起吊荷載每次可能都不一樣，且多數(shù)工作荷載小于設計的額定荷載，每次循環(huán)鋼結(jié)構(gòu)工作應力幅都是變化的，計算時應將隨機變化的應力幅折算成等效常應力幅，用容許應力幅作為疲勞強度。

4 起重機鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級的確定

4.1 結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級的一般確定

通常情況下，對于A 級鋼含碳量和冷彎實驗合格，對沖擊韌性不作要求，所以僅適合于不直接承受動力的結(jié)構(gòu)中。對于需要驗算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)應采用具有常溫沖擊韌性合格保證的B 級鋼。當起重機工作溫度介于0 ℃～-20 ℃之間時，所選鋼結(jié)構(gòu)材料Q235 鋼和Q345 鋼應具有0 ℃沖擊韌性合格保證的C 級鋼；Q390 鋼和Q420 鋼應具有-20 ℃沖擊韌性合格保證的D 級鋼。當起重機工作溫度等于或低于-20 ℃時，所選鋼結(jié)構(gòu)材料Q235 鋼和Q345 鋼應具有-20 ℃沖擊韌性合格保證的D 級鋼；Q390和Q420 鋼應具有-40 ℃沖擊韌性合格保證的E 級鋼。對于非焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂的危險性比焊接結(jié)構(gòu)小些，對材質(zhì)的要求可適當放寬。

4.2 起重機鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級在《GB/T3811-2008起重機設計規(guī)范》中的確定

導致起重機鋼結(jié)構(gòu)材料脆性破壞的因素有：

1）縱向拉伸殘余應力與自重載荷引起的縱向拉伸應力的聯(lián)合作用。

對于一類焊縫：自重載荷引起的縱向拉伸應力σG與鋼材的屈服點σS之比σG/σS＞0.3 時，才考慮此因素對脆性破壞的影響，殘余應力評價系數(shù)ZA=σG/（0.3σS）-1。對于二類焊縫：只有縱向焊縫的結(jié)構(gòu)，脆性破壞的危險性增加。評價系數(shù)ZA=σG/（0.3σS）。對于三類焊縫：焊縫聚集，高度應力集中，脆性破壞的危險性最大。ZA=σG/（0.3σS）+1。

2）構(gòu)件材料的厚度。

3）工作環(huán)境的溫度

當起重機工作環(huán)境溫度為0 ℃以下時，隨著溫度的降低，脆性破壞的危險性越來越大。當溫度不低于-30 ℃時，評價系數(shù)ZC=6T2/1 600。當溫度低于-30 ℃，但高于-55 ℃時，評價系數(shù)ZC=（-2.25T-33.75）/10。

4）鋼材質(zhì)量等級的確定。

將評價系數(shù)ZA、ZB、ZC相加，得到總評價系數(shù)Z=ZA+ZB+ZC，由表1、表2 查出所要求鋼材質(zhì)量級別。

5）計算實例。計算應力為120 MPa，材料為Q235。

鋼材質(zhì)量等級的選擇（GB/T3811-2008）如下：

應力比（拉伸應力/屈服應力，一類載荷）σG/σS=0.5；焊縫類型為三類焊縫；板材厚度t=25 mm；最低環(huán)境溫度T 為-20 ℃；應力評價系數(shù)ZA為2.7；厚度評價系數(shù)ZB為2.3；溫度評價系數(shù)ZC為1.5；總評價系數(shù)ZA+ZB+ZC為6.5。因此，可以確定鋼材質(zhì)量等級為C。

表1

表2

表3 沖擊韌性參數(shù)qi

4.3 起重機鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級在《EN13001-3-1 起重機通用設計-歐洲標準》中的確定

當選擇拉伸構(gòu)件其材料的質(zhì)量等級時，應考慮的沖擊韌性參數(shù)之和qi。表3 給出了各種情況下的沖擊韌性參數(shù)之和值qi。表4 給出了所需鋼材的質(zhì)量和在qi的工況測試溫度下的沖擊功。

表4 沖擊韌性的要求與所對應的質(zhì)量等級

計算實例如表5 所示，計算應力為220 N/mm2,選擇材料為Q345。根據(jù)鋼材沖擊韌性要求，得到對應質(zhì)量級別為JO（EN10025-2 標準）或C（GB/T1591-2008 標準）。

表5

5 結(jié) 論

起重機鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇是設計中非常重要的問題。掌握起重機各種載荷的特性和量值及其它們應有的載荷組合，了解工作環(huán)境條件及使用要求，特別對于工作在極端溫度條件下的起重機鋼材選擇要十分謹慎，應認真分析各種因素造成的影響，正確合理地選擇起重機的鋼結(jié)構(gòu)材料與質(zhì)量等級，選用最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案和最先進的設計方法，使鋼結(jié)構(gòu)材料選擇與設計做到技術先進，經(jīng)濟合理，安全適用。

［1］ GB/T3811-2008 起重機設計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［2］ GB/T1591-2008 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］ FEM 1.001 3rd Edition 1998Crane Design Rule［S］.

［4］ EN 13001-3-1：2012 起重機通用設計-歐洲標準［S］.

［5］ GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2004.

［6］ 趙建波.鋼結(jié)構(gòu)設計［M］.北京：中國電力出版社，2011.