2焊接设计

2.1 材料选用

2.1.1母材材料选用

2.1.1.1 钢结构对材料的要求^[5]

钢结构所用的1）较高的抗拉强度f_u和屈服点f_y

f_y是衡量结构承载能力的指标，f_y高则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。f_u是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时f_u高可以增加结构的安全保障。

2）较高的塑性和韧性

塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。

3）良好的工艺性能

良好的工艺性能不但能保证通过冷加工、热加工和焊接加工成各种形式结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不良影响。

此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境能力。

按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和2.1.1.2 钢结构用钢的分类 ^[5]

在钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构钢（或称普通碳素钢）和低合金结构钢。

1）碳素结构钢

根据国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）的规定，将碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五种牌号，钢的牌号有屈服强度字母（Q）、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C和D）、脱氧方法符号等四部分顺序组成。常见用钢具体参数见表2-1-1。

2）低合金钢

根据《低合金高强度结构钢》（GB1591-94）的规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，其中Q345、Q390为钢结构常用钢种，Q420已在九江长江大桥中成功使用。具体参数见表2-1-1。

2.1.1.2 钢结构用钢选用原则^{[5] [6]}

钢材的选用在钢结构设计中是重要的一环，选择的目的是既要保证结构的安全，又要做到可靠和经济合理。选择钢材时应考虑以下几点。

1）结构的重要性

对重型工业建筑钢结构、大跨度钢结构、压力容器、高层或超高层民用建筑或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材；其他按工作性质分别选用普通质量的钢材；另外，安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。

2）载荷情况

一般承受静载荷的结构，应主要以满足强度要求来选取。直接承受交变载荷的结构，若属于低周疲劳，在保证一定强度要求下，着重考虑材料的塑性和韧性；若属于高周疲劳，这时强度队疲劳抗力起着主导作用，应选择强度高的材料。承受冲击载荷的结构，所选材料应具有足够的延性和韧性。按刚度条件设计的结构，其工作应力一般比较小，但其壁厚较厚，此时选材不应是高强度的，而应是塑性和韧性好的一般强度的材料。在厚度方向受到拉伸载荷，应选择层状夹杂少，厚度方向塑性好的材料，以防止产生层状撕裂。

3）连接方法

焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面必须严格控制碳、硫、磷的含量；非焊接结构对碳当量可放宽要求。

4）结构所处的温度和环境

在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。露天结构易产生时效，有害介质作用的钢材易腐蚀、疲劳和断裂，应区别地选择不同的材质，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准GB/T4172《焊接结构有耐候钢》的规定。

5）钢材厚度

厚钢材辊轧次数少，轧制压缩比相对薄板小。所以厚度大的钢材不仅强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。推荐采用Z向钢，其材质应符合现行国家标准GB/T5313《厚度方向性能钢材》的规定。

6）对于需要演算疲劳的焊接结构的钢材，应具用常温冲击韧性的合格保证。0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具用0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420-20℃冲击韧性的合格保证。-20℃时，Q235钢和Q345钢应具用-20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420-40℃冲击韧性的合格保证。

吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要演算疲劳的构件相同。

表2-1-1常见结构钢力学性能及匹配焊接材料

钢材							手工电弧焊焊条	CO₂^⑤气体保护焊实心焊丝	埋弧焊焊接材料
牌号	等级	抗拉强度^①Re/Mpa	屈服强度		冲击吸收功^①		型号示例	型号示例	焊剂型号-焊丝牌号
			δ≤16mm	δ>50～100mm	T/℃	A_KV/J
Q235	A	375～460	235	205^②	—	—	E4303^③	ER49-1^③	F4A0-H08A
	B				20	27	E4303、E4328、E4315、E4316
	C				0	27		ER50-6
	D				-20	27			F4A2-H08A
Q295	A	390～570	295	235	—	—	E4303^③	ER49-1^③ER49-6	F5004-H08A^⑥、F5004-H08MnA^⑦
	B				20	34	E4328、E4315、E4316	ER50-3、ER50-6	F5014-H08A^⑥、F5014-H08MnA^⑦
Q345	A	470～630	345	275	—	—	E5003^③	ER49-1^③	F5004-H08A^⑥、F5004-H08MnA^⑦F5004-H10Mn2^⑦
	B				20	34	E5003^③、E5015、E5016、E5018	ER50-3	F5014-H08A^⑥、F5014-H08MnA^⑦、F5014-H10Mn2^⑦、F5011-H08A^⑥、F5011-H08MnA^⑦、F5011-H10Mn2^⑦
	C				0	34	E5015、E5016、E5018	ER50-2	F5024-H08A^⑥、F5024-H08MnA^⑦、F5024-H10Mn2^⑦、F5021-H08A^⑥、F5021-H08MnA^⑦、F5021-H10Mn2^⑦
	D				-20	34			F5034-H08A⑥、F5034-H08MnA⑦、F5034-H10Mn2⑦、F5031-H08A⑥、F5031-H08MnA⑦、F5031-H10Mn2⑦