起重机钢结构材料及其质量等级

高山，张琳琳

（1.科尼起重机设备（上海）有限公司，上海 200331；2.沈阳理工大学，沈阳 110159）

1 起重机钢结构材料的选择要求

起重机钢结构材料的选择要求结构安全可靠，用材经济合理。在选择钢材时需考虑下列因素：1）根据结构或构件的重要性等级的不同，选择钢材的质量等级也应不同，重要的结构构件选用质量好的钢材。2）按照载荷性质（静力或动力荷载）应选用各项性能不同的钢材。3）焊接结构应选择可焊性好的钢材，非焊接结构可对含碳量降低要求。4）结构环境工作温度对钢材的影响很大，宜选用具有适应低温，高温和腐蚀性环境能力的钢材。5）在符合上述性能的条件下，钢材还应能容易生产、采购、价格便宜。

起重机通常采用普通低合金结构钢和普通碳素结构钢为其钢结构的材料，因为这类钢结构材料不但能够满足结构安全可靠和使用的要求，还可以最大可能地降低造价和节约钢材。起重机钢结构材料应具有较高的伸长率、屈服强度、抗拉强度和对磷、硫元素含量的合格保证。对焊接结构，为保证其良好的可焊性，还应具有碳含量的合格保证。冷弯试验的合格保证对于焊接承重结构和重要的非焊接承重结构所采用的钢材也是必不可少。常温或负温冲击韧性的合格保证则对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材至关重要。常温冲击韧性的合格保证对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材不可或缺。

2 起重机钢结构材料的品种、牌号和等级

1）普通碳素结构钢Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。其中Q235 最为常用。按质量等级和脱氧方法等可以表示为Q235-A/B/C/D-F/b.例如：Q235 为屈服强度235 N/mm2,A 为A 级镇静钢；AF 为A 级沸腾钢；Bb 为B 级半镇静钢；C 为C 级镇静钢；D 为D 级特殊镇静钢。

2）低合金结构钢Q345，Q390,Q420。其中Q345 最为常用。按质量等级可以表示为Q345-A/B/C/D/E。例如：Q390 为屈服强度390 N/mm2，A/B 为A/B 级镇静钢；C/D/E 为C/D/E 级特殊镇静钢。

3）等级划分。A 级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量，对冲击韧性值未做要求，对冷弯实验只在需方有要求时才进行。B、C、D 级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率及碳、硅、锰、硫、磷含量，还需满足冷弯和冲击韧性AKV≥27J（分别在20 ℃、0 ℃、-20 ℃下）合格的条件。E级：除了必须具备D 级的各项指标，还要求-40℃时的冲击韧性。

3 影响钢材性能的因素

1）化学成分。钢材是由各种化学成分组成的，其中铁质量分数在碳素钢中约占99%，碳和其它元素仅占1%，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。碳质量分数增加，钢的强度提高而塑性、韧性和疲劳强度下降。因此碳质量分数一般不超过0.22%，在0.2%以下时，可焊性良好。硅和锰是钢材中的有益元素，含量适宜时可提高钢材的强度，对塑性和韧性并无不良影响。在碳素结构钢中，硅质量分数应不大于0.3%，锰质量分数为0.3%～0.8%。在低合金结构钢中，硅质量分数可达0.55%，锰质量分数可达1%～1.6%。氧和氮都是钢材中的有害杂质，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高低温时易使钢材热脆和冷脆。因此在起重机钢结构选材时应严格控制化学成分的含量，既要保证较高的抗拉强度，还要保证良好的塑性、韧性和可焊性。

2）冶金缺陷与钢材硬化。裂纹、气孔、非金属化合物、偏析等为常见的冶金缺陷,会造成钢中化学成分分布不均匀。裂纹、气孔和非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。偏析使钢中化学成分分布不均匀，造成偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。钢材中存在非金属化合物会使钢材性能变脆。当材料加载超过其比例极限之后，随即卸载，出现残余变形，再次加载时，塑性和韧性降低，屈服点提高，即冷作硬化。此外还有时效硬化等对钢材的性能都有较大的影响，因此特别是对于重要的承载构件要选用质量良好的钢材。

3）温度的影响。100 ℃以内的环境温度对钢材性能无影响；超过100 ℃之后，随温度升高，总的趋势是塑性增大，弹性模量与强度降低。250 ℃上下时塑性和韧性降低，抗拉强度略有提高，脆性增加即出现蓝脆现象，该温度区段称为“蓝脆区”。250～350 ℃应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度持续变形，即称徐变现象。到达600 ℃左右，弹性模量趋于零，钢材基本上完全失去承载能力。受高温辐射作用的起重机钢结构，应根据不同情况，采取加隔热层或保护层等防护措施。设计时对计算应力的许用值应适当考虑高温的影响并作相应的减小，以确保安全。当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。T1～T2之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。在强度或刚度允许的前提下，设计时尽量采用较薄的钢板，而厚度超过36 mm 的钢板不应用于低温承载结构上。对于有特殊温度或辐射要求的起重机，应按订单特殊设计，合理选择材料并严格控制质量等级。

4）应力集中的影响。钢结构构件表面不平整上面的孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度突变等部位，在力作用下出现高峰应力，而其它部位应力较低，这种应力集中现象特别是在负温下或动力荷载作用下，可能提前出现塑性变形使材料的脆性增加，塑性降低或发生脆性破坏。设计中应努力去避免尖锐角和截面突变的情况，避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。

图1 温度对钢材力学性能的影响

图2 冲击韧性与温度的关系曲线

图3 孔洞及槽孔处的应力集中

图4 变幅疲劳

5）钢结构的疲劳破坏。在连续反复荷载作用下的钢结构构件，尽管应力低于抗拉强度，甚至低于屈服点，但经过一定的循环次数后，也会发生突然断裂破坏，即疲劳破坏。钢结构构件上难免有微观裂纹，如非金属杂质、轧制或加工时造成的微小裂纹等。在荷载作用下，受拉区的尖端因应力集中而出现高应力区，并伴随双向或三向拉应力场，使钢材的塑性发展受到限制。在长期反复荷载作用下，高应力区出现的微观裂纹逐渐展开成宏观裂纹，裂纹尖端的拉应力使裂纹逐步扩展，与此同时结构件的有效截面也逐步减小。经过一定的循环次数n 后，一旦裂纹扩展到构件截面不能承受荷载时，结构件出现突然断裂。当n≥105时，应该进行疲劳计算。

目前疲劳计算仍采用的是容许应力幅法，荷载采用标准值，不考虑分项系数和动力系数，并按弹性工作计算。实际上起重机的起吊荷载每次可能都不一样，且多数工作荷载小于设计的额定荷载，每次循环钢结构工作应力幅都是变化的，计算时应将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅，用容许应力幅作为疲劳强度。

4 起重机钢结构材料质量等级的确定

4.1 结构材料质量等级的一般确定

通常情况下，对于A 级钢含碳量和冷弯实验合格，对冲击韧性不作要求，所以仅适合于不直接承受动力的结构中。对于需要验算疲劳的焊接结构应采用具有常温冲击韧性合格保证的B 级钢。当起重机工作温度介于0 ℃～-20 ℃之间时，所选钢结构材料Q235 钢和Q345 钢应具有0 ℃冲击韧性合格保证的C 级钢；Q390 钢和Q420 钢应具有-20 ℃冲击韧性合格保证的D 级钢。当起重机工作温度等于或低于-20 ℃时，所选钢结构材料Q235 钢和Q345 钢应具有-20 ℃冲击韧性合格保证的D 级钢；Q390和Q420 钢应具有-40 ℃冲击韧性合格保证的E 级钢。对于非焊接结构构件发生脆性断裂的危险性比焊接结构小些，对材质的要求可适当放宽。

4.2 起重机钢结构材料质量等级在《GB/T3811-2008起重机设计规范》中的确定

导致起重机钢结构材料脆性破坏的因素有：

1）纵向拉伸残余应力与自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用。

对于一类焊缝：自重载荷引起的纵向拉伸应力σG与钢材的屈服点σS之比σG/σS＞0.3 时，才考虑此因素对脆性破坏的影响，残余应力评价系数ZA=σG/（0.3σS）-1。对于二类焊缝：只有纵向焊缝的结构，脆性破坏的危险性增加。评价系数ZA=σG/（0.3σS）。对于三类焊缝：焊缝聚集，高度应力集中，脆性破坏的危险性最大。ZA=σG/（0.3σS）+1。

2）构件材料的厚度。

3）工作环境的温度

当起重机工作环境温度为0 ℃以下时，随着温度的降低，脆性破坏的危险性越来越大。当温度不低于-30 ℃时，评价系数ZC=6T2/1 600。当温度低于-30 ℃，但高于-55 ℃时，评价系数ZC=（-2.25T-33.75）/10。

4）钢材质量等级的确定。

将评价系数ZA、ZB、ZC相加，得到总评价系数Z=ZA+ZB+ZC，由表1、表2 查出所要求钢材质量级别。

5）计算实例。计算应力为120 MPa，材料为Q235。

钢材质量等级的选择（GB/T3811-2008）如下：

应力比（拉伸应力/屈服应力，一类载荷）σG/σS=0.5；焊缝类型为三类焊缝；板材厚度t=25 mm；最低环境温度T 为-20 ℃；应力评价系数ZA为2.7；厚度评价系数ZB为2.3；温度评价系数ZC为1.5；总评价系数ZA+ZB+ZC为6.5。因此，可以确定钢材质量等级为C。

表1

表2

表3 冲击韧性参数qi

4.3 起重机钢结构材料质量等级在《EN13001-3-1 起重机通用设计-欧洲标准》中的确定

当选择拉伸构件其材料的质量等级时，应考虑的冲击韧性参数之和qi。表3 给出了各种情况下的冲击韧性参数之和值qi。表4 给出了所需钢材的质量和在qi的工况测试温度下的冲击功。

表4 冲击韧性的要求与所对应的质量等级

计算实例如表5 所示，计算应力为220 N/mm2,选择材料为Q345。根据钢材冲击韧性要求，得到对应质量级别为JO（EN10025-2 标准）或C（GB/T1591-2008 标准）。

表5

5 结 论

起重机钢结构材料的选择是设计中非常重要的问题。掌握起重机各种载荷的特性和量值及其它们应有的载荷组合，了解工作环境条件及使用要求，特别对于工作在极端温度条件下的起重机钢材选择要十分谨慎，应认真分析各种因素造成的影响，正确合理地选择起重机的钢结构材料与质量等级，选用最优结构方案和最先进的设计方法，使钢结构材料选择与设计做到技术先进，经济合理，安全适用。

［1］ GB/T3811-2008 起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［2］ GB/T1591-2008 低合金高强度结构钢［S］.北京：中国标准出版社，2008.

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

［4］ EN 13001-3-1：2012 起重机通用设计-欧洲标准［S］.

［5］ GB50017-2003 钢结构设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2004.

［6］ 赵建波.钢结构设计［M］.北京：中国电力出版社，2011.