朱晶;徐宗亚;曹旭;彭云飞;聂祯
【摘 要】国产建筑结构用钢板(又称国产GJ系列钢)是优质升级换代建筑用钢,较目前普遍采用的低合金高强钢(特别是在厚板及超厚板方面)有更好的综合性能.本文主要从材性、冲击韧性、疲劳性能等基本力学性能方面对国内进行的关于国产GJ系列钢材的基础研究进行了综述,并介绍了其在国内重大工程中的应用情况. 黑龙江科技大学不良视频【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2016(038)004
【总页数】3页(P70-72)
【关键词】GJ钢;材性;冲击韧性;疲劳性能;工程应用
【作 者】朱晶;徐宗亚;曹旭;彭云飞;聂祯
【作者单位】同济大学建筑工程系, 上海200092;同济大学建筑工程系, 上海200092;同济大学建筑工程系, 上海200092;同济大学建筑工程系, 上海200092;同济大学建筑工程系, 上海200092
【正文语种】中 文
【中图分类】TU392.4
20世纪土建结构领域内的重大进展之一就是高层钢结构和大跨空间结构的兴建，这不仅是社会经济发展的必然趋势，同时也能综合体现一个国家(或地区)在建筑技术发展上的高层次水平。绝大多数高层和大跨钢结构建筑需要用到厚板，而普通的低合金高强钢(如Q345)的厚板效应较明显，厚板(t>50～100mm)的屈服强度较薄板(t<16mm)下降约20%，且其他力学与工艺性能也不能满足使用要求。改革开放之后，随着经济社会的发展，我国相继建成了一批高层钢结构建筑，但所用钢材多为国外进口。为改变这种局面，国内率先由舞阳钢铁厂自主研发了新型高性能结构钢，并参考日本标准JISG 3136《建筑结构用钢材》制定了相应的材料标准YB4104-2000《高层建筑结构用钢板》，2005年又升级为国标GB15879-2005《建筑结构用钢板》。
国产GJ系列钢材作为优质升级换代建筑用钢，较普通低合金高强钢有着更好的综合性能，主要体现在：①厚板的屈服强度降幅小；②低屈强比，提高结构抗震性能；③屈服强度波动范围小；④良好塑性和冲击韧性性能；⑤抗层状撕裂能力强；⑥碳当量较低，焊接性能良好。凭借着上述优良的性能，国产GJ系列钢材从首次应用于天津云顶大厦开始，已经在国内多个重大项目上被广泛采用。
本文主要从材性、冲击韧性、疲劳性能等基本力学性能方面对国内进行的关于国产GJ系列钢材的基础研究进行了综述，并介绍了其在国内重大工程中的应用情况。
1.1 材性参数研究
2007年，重庆大学褚燕风[1]收集了舞阳钢铁有限责任公司在2006年度生产的Q345GJ钢常规拉伸试验的初、复验数据，并进行了独立试验，总共得到有效数据1772组。同时，为了研究试验加载速度与试验机柔度对材料强度的影响，开展了两组对比试验。对试验数据的统计分析表明在5%的显著性水平上，Q345GJ钢材的屈服强度满足正态分布。结合加载速度和试验机柔度的影响，得到了Q345GJ的材料性能不定性Km的统计参数，其成果已经以设计指标的形式列入到GB50017-201X《钢结构设计规范》[2]和JGJ99-2015《高层民用建 筑钢结构技术规程》[3]中。
2010年，同济大学[4]对宝钢在2008年和2010年生产的两批Q235GJ、Q345GJ的材性特点进行了研究，其中Q235GJ数据664组，Q345GJ数据833组。同时进行了专项试验考虑加载速度对材性的影响。对试验数据的统计分析分别得到了材料性能的变异性参数Kj和实际材料性能与标准试件材料性能的差别不定性参数K0。
透明度原则2015年，清华大学朱希[5]对国内多家钢铁生产企业和钢结构加工企业提供的Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ的材性数据进行了调研，并开展了独立的材性试验。分析表明上下屈服强度的折减系数约为4.10%，同时考虑试验不定性因素的影响，得到了材料不定性的参数，为下一步计算抗力分项系数和GJ钢的工程应用提供了条件和参考。新语丝网
1.2 冲击韧性研究
2010年，同济大学[6]对宝钢生产的75mm厚Q235GJ和80mm厚Q345GJ开展了冲击韧性的试验研究。试验分别采用2mm和8mm两种半径的冲击摆锤，测出了标准试件在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-50℃和-60℃的冲击功。研究表明冲击半径对冲击功的影响与试验结
束时试件的状态有关。从冲击韧性曲线(图1和图2)可以看出，GJ系列钢材的韧性并没有因为材料强度的提高而降低，这是由于Q345GJ采用了微合金化的冶金手段，大大地降低了影响冲击韧性的碳的含量。
2014年，李治阳[7]对某国产30mm厚Q390GJ及其焊接接头的冲击韧性进行了研究。研究发现Q390GJ表现出明显的低温脆性，而且缺口方向对冲击性能没有太大影响，板中央成分偏析导致该部位冲击韧性低于1/4板厚处。焊缝中心及母材热影响区在-20℃的冲击功值分别为229J和69J，造成母材热影响区冲击性能较低的原因是由于焊接加热及冷却的过程使得过渡区晶粒大小不均匀，存在混晶现象。
汉书艺文志1.3 疲劳性能研究
2014年，清华大学施刚[8]对22个Q390GJ母材试样进行了轴向拉伸疲劳性能试验研究。根据试验结果拟合得到了能够描述其疲劳性能的保证率为95% 的S-N曲线，如图3所示，通过曲线方程可以求得N=200万次时该种Q390GJ母材试件的最大应力为218.68MPa，比GB50017-2003《钢结构设计规范》计算出的值154.88MPa要大。通过电子显微镜对破坏断面的观察表明：Q390GJ疲劳试件在较高应力幅下的疲劳裂纹起源于试样表面的某种缺
陷，如图4所示，在较低应力幅下的疲劳裂纹起源于大尺寸的夹杂，如图5所示；疲劳扩展区断口微观形貌可观测到疲劳辉纹和微孔空穴，瞬断区断口形貌具有典型的韧窝特征。
2014年，清华大学施刚[9]分别对21个Q390GJ磨光对接焊缝和21个Q390GJ原状对接焊缝进行了轴向拉伸疲劳试验。试验在国产高频试验机上进行，应力比为0.1，加载频率为105±5Hz。根据试验结果分别得到了Q390GJ磨光对接焊缝和原状对接焊缝的S-N曲线，如下图6、图7所示。通过S-N曲线求得的200万次下磨光对接焊缝的最大应力210.31MPa大于规范值160.05MPa，而原状对接焊缝在200万次时的最大应力为120.12MPa小于规范值130.83MPa，这说明不同的焊接处理方式对焊接接头的疲劳性能有较大影响。同时，焊缝连接试件的疲劳性能结果离散性非常大，保证焊接质量是提高焊接接头的疲劳性能的重要措施。
2.1 央视新大楼
中央电视台新台址主楼是目前最复杂的超高层钢结构工程之一，也是单体房屋建筑钢结构用量最大的工程之一，主体结构总用钢量达到12.6万t[10]。在钢材选用过程中通过对比发现：对于50～100mm厚钢板，Q345GJC和Q390D的强度指标接近，但Q345GJC的延伸率
和屈强比都要好于Q390D，具有更好的抗震性能，同时Q345GJC的含碳量低，更易满足厚板的焊接工艺要求，大大降低了焊接质量问题的风险。基于上述原因，该工程的厚板(t>50mm)均用Q345GJC替代Q390D使用。物探化探计算技术
2.2 广州新电视塔
广州新电视塔地上37层、地下3层、高610m(塔身454m+天线桅杆156m)，是目前世界最高塔，塔体主要钢构件用钢量达到38421t[11]。该工程主要采用Q345、Q345GJ和Q390GJ钢材，其中柱、斜撑、节点、天线等主要构件全部采用国产GJ系列钢材，用量达30369t，约占塔体总用钢量的80%。
2.3 天津高银117大厦
天津高银117大厦结构高度596.5m，是目前中国在建结构高度第一高楼。该项目主体为全钢结构，用钢量大，塔楼钢结构用钢量达14万t[12]。钢材主要采用Q235B、Q345B、Q345GJC和Q390GJD，其中巨柱、巨柱支撑、桁架、钢板剪力墙、次框架柱等竖向抗侧力构件全部采用国产GJ系列钢材，用量达到10万t，占主塔楼总用钢量的70%以上。
国产GJ系列钢材是优质升级换代建筑用钢，较目前普遍采用的低合金高强钢(特别是在厚板及超厚板方面)有更好的综合性能。为进一步推广GJ系列钢材在大跨和高层建筑钢结构上的应用，并为相关设计规范纳入该种钢材提供必要的设计参数，国内的学者已经开展了一系列的研究工作并取得了相应成果。自20世纪90年代由舞阳钢铁厂率先开发以来，GJ系列钢材已经在国内多个重大工程中得到了应用，新版JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》也已将GJ系列钢材列为推荐用材。
中学语文教学参考
随着建筑物向超高、超大跨的大型化方向发展，GJ系列钢材的应用将更加普及，同时结构对强度和厚度的要求也将不断提高。这就要求钢铁生产企业能够与时俱进，开发出强度更高性能更好的GJ钢材，同时结构设计相关基础研究也应该及时跟进，为工程实践提供基础。
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