起重機鋼結構材料及其質量等級

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 起重機鋼結構材料的選擇要求

起重機鋼結構材料的選擇要求結構安全可靠，用材經濟合理。在選擇鋼材時需考慮下列因素：1）根據結構或構件的重要性等級的不同，選擇鋼材的質量等級也應不同，重要的結構構件選用質量好的鋼材。2）按照載荷性質（靜力或動力荷載）應選用各項性能不同的鋼材。3）焊接結構應選擇可焊性好的鋼材，非焊接結構可對含碳量降低要求。4）結構環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、采購、價格便宜。

起重機通常采用普通低合金結構鋼和普通碳素結構鋼為其鋼結構的材料，因為這類鋼結構材料不但能夠滿足結構安全可靠和使用的要求，還可以最大可能地降低造價和節約鋼材。起重機鋼結構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。對焊接結構，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構和重要的非焊接承重結構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構的鋼材至關重要。常溫沖擊韌性的合格保證對需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材不可或缺。

2 起重機鋼結構材料的品種、牌號和等級

1）普通碳素結構鋼Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。其中Q235 最為常用。按質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 級鎮靜鋼；AF 為A 級沸騰鋼；Bb 為B 級半鎮靜鋼；C 為C 級鎮靜鋼；D 為D 級特殊鎮靜鋼。

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

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，其中鐵質量分數在碳素鋼中約占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。碳質量分數增加，鋼的強度提高而塑性、韌性和疲勞強度下降。因此碳質量分數一般不超過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。在碳素結構鋼中，硅質量分數應不大于0.3%，錳質量分數為0.3%～0.8%。在低合金結構鋼中，硅質量分數可達0.55%，錳質量分數可達1%～1.6%。氧和氮都是鋼材中的有害雜質，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。因此在起重機鋼結構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件要選用質量良好的鋼材。

3）溫度的影響。100 ℃以內的環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，脆性增加即出現藍脆現象，該溫度區段稱為“藍脆區”。250～350 ℃應力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度持續變形，即稱徐變現象。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構，應根據不同情況，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之間溫度轉變脆性區，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉變區溫度不同，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構上。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量等級。

4）應力集中的影響。鋼結構構件表面不平整上面的孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或寬度突變等部位，在力作用下出現高峰應力，而其它部位應力較低，這種應力集中現象特別是在負溫下或動力荷載作用下，可能提前出現塑性變形使材料的脆性增加，塑性降低或發生脆性破壞。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，并選用質量優良的鋼材。

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）鋼結構的疲勞破壞。在連續反復荷載作用下的鋼結構構件，盡管應力低于抗拉強度，甚至低于屈服點，但經過一定的循環次數后，也會發生突然斷裂破壞，即疲勞破壞。鋼結構構件上難免有微觀裂紋，如非金屬雜質、軋制或加工時造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區的尖端因應力集中而出現高應力區，并伴隨雙向或三向拉應力場，使鋼材的塑性發展受到限制。在長期反復荷載作用下，高應力區出現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，與此同時結構件的有效截面也逐步減小。經過一定的循環次數n 后，一旦裂紋擴展到構件截面不能承受荷載時，結構件出現突然斷裂。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，不考慮分項系數和動力系數，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，且多數工作荷載小于設計的額定荷載，每次循環鋼結構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 起重機鋼結構材料質量等級的確定

4.1 結構材料質量等級的一般確定

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構中。對于需要驗算疲勞的焊接結構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，所選鋼結構材料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，所選鋼結構材料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。對于非焊接結構構件發生脆性斷裂的危險性比焊接結構小些，對材質的要求可適當放寬。

4.2 起重機鋼結構材料質量等級在《GB/T3811-2008起重機設計規范》中的確定

導致起重機鋼結構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ZA=σG/（0.3σS）-1。對于二類焊縫：只有縱向焊縫的結構，脆性破壞的危險性增加。評價系數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）構件材料的厚度。

3）工作環境的溫度

當起重機工作環境溫度為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ZC=6T2/1 600。當溫度低于-30 ℃，但高于-55 ℃時，評價系數ZC=（-2.25T-33.75）/10。

4）鋼材質量等級的確定。

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

5）計算實例。計算應力為120 MPa，材料為Q235。

鋼材質量等級的選擇（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；最低環境溫度T 為-20 ℃；應力評價系數ZA為2.7；厚度評價系數ZB為2.3；溫度評價系數ZC為1.5；總評價系數ZA+ZB+ZC為6.5。因此，可以確定鋼材質量等級為C。

表1

表2

表3 沖擊韌性參數qi

4.3 起重機鋼結構材料質量等級在《EN13001-3-1 起重機通用設計-歐洲標準》中的確定

當選擇拉伸構件其材料的質量等級時，應考慮的沖擊韌性參數之和qi。表3 給出了各種情況下的沖擊韌性參數之和值qi。表4 給出了所需鋼材的質量和在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。根據鋼材沖擊韌性要求，得到對應質量級別為JO（EN10025-2 標準）或C（GB/T1591-2008 標準）。

表5

5 結 論

起重機鋼結構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構材料與質量等級，選用最優結構方案和最先進的設計方法，使鋼結構材料選擇與設計做到技術先進，經濟合理，安全適用。

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

［2］ GB/T1591-2008 低合金高強度結構鋼［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 鋼結構設計規范［S］.北京：中國標準出版社，2004.

［6］ 趙建波.鋼結構設計［M］.北京：中國電力出版社，2011.