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《中國建筑鋼結構工程質量狀況調查報告》

作者:建筑鋼結構網    
時間:2009-12-22 20:52:35 [收藏]

    重點建筑鋼結構工程鋼材及鋼構件制作質量狀況調查
    沈 榮
    (2007年11月)
    一、 關于重點建筑鋼結構工程國產鋼材的質量狀況
    高強度低合金建筑結構用厚鋼板國產化的進程,一直是我們關注的熱點,隨著我國鋼鐵冶金業(yè)在工藝裝備、控制技術、科研開發(fā)等方面的迅速發(fā)展,使一批重點建筑鋼結構工程如:國家體育場(鳥巢)、中央電視臺新址主樓、廣州新電視塔、珠江新城西塔、首都機場3號航站樓、北京南站等鋼結構用材的供應實現了全部國產化。而Q345GJ C(D)/Z35和Q460E/Z35等高強度、高韌性鋼材的研發(fā)和生產,標志著我國建筑用鋼的品種開發(fā)進入到一個新的發(fā)展階段。
    本文重點對Q345GJC(D)/Z35和Q460E/Z35兩種牌號(厚度≥100mm)的鋼板實物質量狀況進行了調查。
    目前建筑鋼結構的設計選材至今尚未有一個比較具體的準則或指南,這不僅關系到結構的安全和壽命而且與鋼材的用量及工程造價有關,準確合理選材至關重要。本文對設計選材中還應注重的幾個問題提出了建議意見,供有關部門進一步商榷。
    鋼材通過加工制作生產出符合設計要求的鋼構件,為促進制作工藝編制的更加合理、準確和完善,進一步提高鋼構件的制作質量,本文提出了加強設計→鋼廠→制作廠三者之間應建立的有效工作聯絡機制,以更好地促進我國建筑鋼結構產業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。




    通過對Q35GJC(D)/Z35(t=100)21爐鋼板的出廠報告所列的數據分析意見如下:
    ① 鋼的化學成分符合GB/T19879-2005(以下簡稱標準),且每爐鋼水的定碳命中率較高,波動幅度窄僅為±0.01%,碳含量控制在0.14-0.15%之間,低于標準值。
    ② S含量控制在0.002%~0.003之間,P含量控制在0.007-0.013之間均低于“標準值”鋼水的潔凈度高。
    ③ 碳當量控制在0.39%-0.42%之間,低于標準值,有利于改善鋼材的焊接性。
    ④ 屈強比控制在0.60-0.70之間,低于標準的要求,鋼材的塑性儲備余度較大,有利于結構抗震需要,但應注意過低的屈強比,對有效發(fā)揮鋼材潛能不利,造成用鋼量增加,影響結構設計的經濟性。
    ⑤ 鋼材的延伸率為24%~33%,高于標準值的要求,鋼材的斷面收縮率(Z向性能)試驗平均值在61.2%~68%之間高于Z35的要求。說明鋼材的塑性性能較好。
    ⑥ 0℃沖擊功試驗平均值在167.3~206.7(J)之間大大高于標準值。鋼材的韌性較好,有利于提高結構抗低溫脆斷的能力。
    縱上所述:Q35GJC/Z35牌號鋼材的生產,采取了降C、降Mn、加微合金化的成分設計路線,通過加入適量的細晶粒元素(Ni、V、Ti等)及采取控冷控軋工藝制度,滿足了高強度、塑韌性好、低碳當量、焊接性好及減輕板厚效應的設計要求。
    2)Q460E/Z35實物質量數據(t=100mm)






    品質分析:
    1、關于Q460E牌號鋼(t=100mm)的成分設計。不同鋼廠其設計思路是有差異的,這是一個值得深入研討的課題,對鋼板的性能、鋼材的生產成本起著決定性的作用,下表列舉了三個不同鋼廠的成分設計供研究。

    3、由于鋼廠實行了:精料、精練、精軋、精整的生產方針,并執(zhí)行嚴于國際標準的企業(yè)內控質量標準,因此為國家體育場等重點工程供應的Q460E/Z35鋼板(t=100mm)的質量符合GBT1591-94的規(guī)定并滿足設計的要求。
    4、為保證足夠的軋制比采用了大單重的扁錠軋制,為消除或減輕鑄態(tài)組織易產生的偏析、疏松、氣孔、夾雜等缺陷,鋼廠開發(fā)了無缺陷澆鑄工藝,使鋼錠質量大為提高,保證了鋼板的品質。
    5、Q460E/Z35鋼板的生產依然采用了微合金化設計及空冷空軋工藝,通過細晶及析出強化,使鋼板獲得了最佳的綜合性能。
    4)有關工作的建議
    (1)有關選材中應注意的幾個問題
    通常鋼結構的設計選材主要依據以下幾個原則
    ①結構的重要性類別
    ②結構服役期內的荷載特征及應力水平
    ③結構及構件所處的工作溫度及環(huán)境特征
    ④構件連接方法及節(jié)點拘束度大小(即應力集中程度)
    ⑤鋼板厚度的影響
    迄今尚未有一套可以全面具體知道設計選材的“指南”或“準則”。為更好地保證結構安全可靠又盡可能做到經濟耐用,最大限度地發(fā)揮鋼材地能力,下列幾個方面在選材時應重視并認真考慮。
     過分追求鋼材的強度指標,以達到減輕結構的質量(重量),減少用鋼量的觀點并不充分。
    從斷裂力學觀點出發(fā),鋼材實際上是不連續(xù),不均質,各相也不同性的,內部總是存在夾雜,分層、點孔狀缺陷或微裂紋,即存在發(fā)生疲勞斷裂的隱患,強度越高的鋼材往往韌性越差,所以認為首先要考慮選擇韌性好,裂紋擴展速率低的鋼材。
     只有在接近實際使用條件下,對鋼材進行試驗所獲得的數據才比較真實可靠,作為選材的依據。同時,一定要注意樣本的數量和取樣的代表性。
    鋼材的性能都是通過各種試驗得出的,由于實驗室條件與實際使用環(huán)境有很大的差異,鋼材的性能因環(huán)境而有差異。所以只有在接近環(huán)境下試驗所得的數據,才比較真實客觀。
     鋼材的密度,對鋼材的綜合性能十分關鍵。
    鋼材的密度決定了鋼材的綜合品質,因此,一定要保證足夠的軋制力和一定的壓縮比(軋制比),以生產出質量致密的鋼材。在同等條件下要選擇軋制力大的軋機。
     要重視鋼材的綜合性能,不要追求某個單項指標,既要注意宏觀的力學指標,又要關注鋼材內部的金相組織結構和晶粒度、夾雜物等微觀情況。
     應力集中現象是產生鋼結構破壞的最主要原因之一,鋼材選定后一定要采取合理的結構設計,盡量避免過大的應力集中。
    (2)關于建筑用鋼的質量定位是獲得鋼材最佳性價比的關鍵
    鋼的雜質含量越少潔凈度就越高,鋼材的品質越好,生產周期越強,但生產成本越高,價格也越貴。不同用途的鋼材性能要求有差別對潔凈度的要求有差別如:
    橋梁鋼要求有良好的抗低周疲勞性能及低的應變時效傾向;
    船體鋼要求有良好的抗低溫裂紋擴展的能力;
    管線鋼要求有抗斷裂及抗氫銹發(fā)裂紋(HIC)的性能;
    汽車大梁鋼要求有良好的沖壓性能和承受沖擊荷載的能力;
    高層建筑用鋼要求有抗層狀撕裂及低的屈強比;
    根據這些不同的要求,在成分設計、工藝流程、金相組織和潔凈度:即,∑(S,P,H,O,N)夾雜物的總含量應有不同。確定建筑用鋼的潔凈度控制水平,對縮短冶煉周期、增加產量及成材率、降低生產成本十分重要。
    (3)關于“鋼廠”為設計及制作廠提供更多技術幫助和指導的意見。
    ①為使結構設計工作者對鋼材品質有更加全面、深刻的了解,應加強結構設計人員與材料研究生產人員兩者之間更加緊密的交流與磋商,建立必要的工作聯絡制度這是保證合理選材的重要途徑。
    ②結構設計者在選材時,往往對成分設計、質量等級、交貨狀態(tài)及一些由雙方協議確定的條款,往往缺乏全面認識,需要材料工作者給予指導和幫助。
    ③為使制作廠更好地掌握鋼材的性能,準確地編制制作工藝并減少不必要的重復性工作,鋼廠在一定批量及使用新牌號鋼材時應盡可能地為制作廠提供下列數據或資料:
    金相組織;非金屬夾雜物的類別及含量;晶粒度;SHCCT曲線系列沖擊試驗,落錘試驗、斜Y試驗、CTOD試驗的數據。
    ④應建立設計、鋼廠、制作廠三者之間的有效工作聯絡機制
    ⑤關于“鋼材”復驗工作的改進意見
    根據目前許多工程都要求制作廠進行鋼材復驗的情況,提出以下意見,請商榷。
     鋼材出廠檢驗時,只有當檢驗項目中出現不合格項時才需進行擴大取樣比例的復驗,鋼廠所供應得鋼材應完全是合格產品,所提供的質量證明書中的數據應準確符合所供鋼材的實際品質狀況,保證每項指標都是合格的。應該強調:鋼廠應對其所供應的鋼材質量及質量證明書中的數據負責。制作廠只需審核質量證明書中的數據是否準確并符合要求,只在必要時才做少量的抽樣復查,不應把復驗的工作完全推到制作廠身上。
     由于現代化的鋼鐵生產工藝裝備、控制水平及嚴格的質量保證管理體系,鋼材的質量應是穩(wěn)定的,因此即使制作廠需進行抽查,也應對抽查的數量和批次有科學的規(guī)定,以避免不必要的資源浪費。
     目前所進行的復驗工作中往往由于試件加工的精度、試驗設備的性能、操作人員的水平及加載過程的差異而出現與鋼廠質保書中的數據不一致時,其達成共識的過程冗長而復雜,不利于工程進度。

    上述企業(yè)的主要特點是:
    ①資質等級高都具有“鋼結構工程專業(yè)承包壹級資質”
    具有“輕鋼房屋鋼結構專項工程設計甲級資質”
    具有“鋼結構制造企業(yè)特級資質”
    具有“中國實驗室國家認可委員會認可證書”??CNAL證或地方政府認可的試驗室檢測資質。
    具有“中華人民共和國計量認證合格證書”??CMA證書
    ②規(guī)模大、產量高、設備齊全、性能好
    ③都擁有完善的理化試驗室、焊接工藝試驗室及無損檢測中心。
    ④擁有一批優(yōu)秀的技術管理人員,特別是擁有一個企業(yè)設計院或設計中心,進行結構分析和詳圖設計。
    ⑤都有焊工考試委員會,負責焊工培訓、考試、資格管理工作。
    ⑥都擁有一套全整的質量管理體系。
    ⑦都已經具備了海外鋼結構工程市場的開發(fā)能力,并承接了多個大型工程,信譽甚好。
    綜上所述,上述這些制作企業(yè)都是我國建筑鋼結構業(yè)的大型骨干企業(yè),是我們持續(xù)發(fā)展建筑鋼結構行業(yè)的基本力量和生力軍。



    3、制作質量的保證措施及初步評定:
    由于一些工程正在進行,而且工程及構件質量的評定需由一個專門委員會來進行,我們僅根據已掌握的數據、資料,加上自身的經驗加以初步評定:
    1)、上述重點工程,事前都單獨制訂了適宜本工程特點《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》,與國家的鋼結構構件方面質量評定標準體系。
    2)、上述各項工程都在事前開展了大量的設計試驗或施工試驗,通過這些試驗(構件驗證和節(jié)點驗證),驗證設計、完善制作工藝,以確保萬無一失。
    3)、對鋼材的質量,除嚴格選擇鋼廠外,還強調了選材技術協議條款的制定與供應廠商簽訂嚴格的質量保證協議。并在制作前進行了大批次的鋼材復驗工作。
    4)、對首次采用國家Q460E牌號鋼的焊接性進行了完整、系統(tǒng)的試驗,進行冷裂紋敏感性試驗:如:斜y焊接裂紋試驗,熱影響最高硬度試驗,拆銷試驗,自然裂紋敏感性試驗。其結果 指導,制作工廠的“焊接工藝規(guī)程”及“焊接制作指導書”的編制。
    5)、針對有些結構部位,采用鑄鋼節(jié)點的具體情況還進行異種鋼材的焊接性試驗。
    6)、由于上述工程中大量采用厚板或特厚板,因此專門針對厚板焊接工藝進行研究、開發(fā),特別是注重厚板連接節(jié)點處抗層狀撕裂性能的改善與提高。
    7)、為了比較真實地符合工地、施工環(huán)境,還特地模擬實際環(huán)境下的氣溫,同速下進行焊接試驗。
    8)、對構件的焊接收縮量,焊接復形進行仿真模擬,估算其數值并通過焊接試驗加以評論,制定正確的焊接順序。設計合理的焊接層次及焊接道次布置。
    9)、開展了焊材、焊劑的質量調研,嚴格地選用焊材、焊劑,并對焊材的成分,焊劑的堿度等提出了要求。
    10)、提高了電渣焊縫的沖擊韌性值。
    11)、對焊后消氣條殘余 ,措施得當,成效顯著。
    12)、編制完整的“制作要領書”,全面指導鋼構件制作。
    13)、事前對焊工進行了培訓,并進行附加技能的考試。
    14)、設計了多種實工裝、器具,以保證構件裝配精度和勞動生產率的提高。
    15)、建立了一套嚴格的質量三檢制度(自檢、互檢、來檢),建立了一套嚴細的工序質量備驗制度,對不合要求的零部件必須通達修理合格,才能進入下道工序。
    通過以上這些措施,(材料、工藝、裝備、人員、檢測……)保證了制作質量。

    注:本次調查工作得到了江蘇滬寧鋼機股份有限公司、上海冠達爾鋼結構有限公司、浙江精工鋼結構股份有限公司、上海中遠川崎鋼結構有限公司的支持和幫助,在此謹向他們表示感謝!

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