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SN钢材

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SN钢材,是当代社会用以建筑的结构钢材规范之一,因为具有特殊的工法要求,提升了钢铁的“强度”、“韧性”、“焊接性”,而具有较佳的耐震效果,不同于较早期的SS系列及SM系列钢材因为没有规定最高降伏强度或拉力强度,使得建材产生强度可能过高、降伏比的问题,及合金元素规定不足的情形使得不易管制。因此新一代的SN系列材料的规范也就因应而生。SN钢材目前主要运用在房屋结构、厂房、车站等其他建筑物上,因为安全需求高所以在部分先进国家会进行使用SN钢材的要求限制。[1]

钢结构工程的演进

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钢结构的历史,应始于平炉炼钢法发明前数十年,1779年英格兰塞文河上建造世界首座铸铁桥梁。后又采用铁制作桁架,其中承受拉力的杆件采用锻铁。1823 年,发明蒸汽机火车头的乔治·史蒂芬森建造了第一座铸铁造之铁路桥梁。十八世纪金属结构渐使用于建筑物上,1851年在英国伦敦博览会上建造的水晶宫是以铁作骨架,十九世纪50年代随着平炉炼钢法的问世,钢结构得以迅速发展,例如1874年美国圣路易斯由J.B.Eads设计之伊兹桥是世界上第一座钢桁桥,跨径达152米,横跨密西西比河。1889年英国福斯湾上之福斯桥采用悬臂式桁架桥梁,其悬臂桁架采用直程3.66 m之钢管。但由于钢结构理论之发展不够完善,因此在二十世纪初建造的钢结构桥梁偶有失败,但采用钢结构建造的建筑结构却少有失败之例子。

十九世纪末,各种型钢的生产进展快速,与各种不同宽度厚度的钢板组合可制任何规格和强度的钢结构组件。1885年生产的最重之型钢每英尺还不到100磅,而到二十世纪60年代已超过每英尺700磅之巨型型钢断面(板厚在10公分以上)。第二次世界大战后,摩天大楼由于钢材之进步与钢结构理论的发展而迅速蓬勃起来,二十世纪20年代又出现争向高度发展的趋势,1931年在纽约建造的102层,381米高的帝国大厦保持了40 年的最高纪录,这座大楼在短短的一年零45天内达成,说明钢结构设计和施工技术均有很大的进步。

第二次世界大战后,广泛采用焊接代替螺栓和铆钉。战后以来各种钢材在不同载重下的应力状况,包括极限强度的研究,有了长足的进展,因而能对钢结构作更为精确和系统的分析,且可依不同的需要应用不同强度的钢材,钢结构已成为工业化国家土木或建筑物的主要建材,如日本采用钢结构或钢骨钢筋混凝土结构之建筑物占80%以上,而钢桥的比例亦占50%以上,SN钢材也在追求新技术的时代里孕育而生。[2]

SN钢材料规范之演进

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在钢材的村料规范上,由于早期SS系列SM系列钢材未规定最高降伏强度或拉力强度之关系,以致产生强度可能过高与降伏比的问题,甚至产生合金元素规定不足的问题。因此新一代的SN钢材料规范也就因应而生,最早由日本JIS标准于1994年6月颁布了”建筑结构用轧延钢材”的编号G3136 SN(Steels for New Structure)新规范,其与编号G3101(一般构造用SS钢材)及编号G3106(熔接构造用SM钢材)的碳当量及化学成分比较后发现,SN钢材规范较为严格,如SM系列钢材之P及S含量为0.035%以下,但SN400B与SN490B之P须小于 0.030%,而S须小于0.015%, SN400C及SN490C之磷(P)与硫(S)更须分别小于 0.020%及0.008%,SN钢材并规定降伏比须小于0.8,而降伏强度及拉力强度亦增加上限值的规定以控制强度变异,而为因应焊接设计日趋复杂及钢板厚度方向韧性较差,容易产生焊接撕裂的现象,因此SN400C及 SN490C更增加厚度方向拉伸试验的要求,规定厚度方向之断面缩减率必须大于25% 。 SN钢材更增加碳当量及冷裂敏感度之要求,尤其对于需要较佳焊接性及耐震性能者应采用SN之B或C系列钢材,焊接施工复杂者更应采用SN之C系列钢材。[3]

1995年日本阪神大地震,造成许多钢结构建筑物损害,其中很多都是钢材直接撕裂破坏,让人很难相信,韧性的材料会造成如此严重的破坏。所以许多专家学者在阪神大地震后相继研究破坏的原因,发现只有SN钢材才能符合耐震材料的特性,所以在日本建筑规范中明订将SS及SM钢材自建筑结构用取消,相信将来重要结构之耐震设计会以SN材为主。[4][5]

制程

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一般轧延

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1960年代以前,没有微合金添加(Microalloying) 的理念,亦无控制轧延(Controlled Rolling)的技术,强度上完全依赖与合金元素,故碳当量Ceq非常高,如SM490之 Ceq高达约0.5%,不适于焊接作业。[6]

正常化处理

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1960年以后有了正常化处理(Normalizing),即钢板加热至约900°C,停留一段时间,再空冷下来,可借此而细化晶粒提高强度,因此SM490之Ceq、由过去的0.5%降到约0.42%水准,钢构才能由铆接的时代过渡到焊接时代。

控制轧延

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1970年代又发展了微合金添加(如Nb、V...…等)及控制轧延的技术,50kg/mm2等级钢板之Ceq。因此可降低到 0.38%左右的水准,更提升钢板焊接性。

热机控制轧延

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1980年代开发了钢板线上加速冷却系统(On-Line Accelerated Cooling System),生产50kg/mm2等级钢板,其碳当量更可降低到0.33%左右的水率。该生产制程简称TMCP( Thermo-mechanical controlled process)。

特性

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SN系列钢材在机械性质方面有下列特性。[2]

降伏强度

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降伏强度之上、下限的规定可以控制钢材降伏强度的变异性。钢材降伏强度的变异性过大时会导致如下的顾虑:(a)强柱弱梁的设计理念无法落实;(b)三维构架在非弹性阶段可能产生额外的地震偏心力扭矩;(c)容量设计的理念无法落实。

SN系列钢材厚度在12mm以上之B级钢板及厚度在16mm以上之C级钢板,其降伏强度即有上限及下限之规定。

降伏比

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钢材之降伏比为实测降伏强度与实测抗拉强度之比值。钢材降伏比较低可使梁柱接头的塑性铰区范围扩增,这样除可减少应力集中现象外,亦可增加塑性转角容量,提升梁柱接头之延展性及消能容量。日本JIS的SN系列规定降伏比不得大于0.8;美国ASTM A992建筑结构用钢则规定降伏比不得大于0.85。另一个影响梁柱接头延展性及消能容量的重要因素为梁柱接头型式,美国对梁柱接头型式有明确的规定(例如:切削式或补强式梁柱接头),故钢材降伏比采用比SN系列钢材稍微宽松的规定(不得大于0.85)。

冲击值

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Charpy冲击值越高表示产生相同断裂面所需的能量越高,Charpy冲击值越高就越不容易产生不稳定的裂缝成长(或称脆性断裂),因此对焊接瑕疵的容忍度也较高。Charpy冲击值受测试时的温度及加载速率(loading rate)的影响很大,测试时的温度越低、加载速率越高Charpy冲击值越小。一般应视结构体在使用情况下之最低温度来规定Charpy冲击试验的温度,但是Charpy冲击试验的加载速率远高于结构体受力时之加载速率,因此Charpy冲击试验的温度可以稍加提升,补偿加载速率不同所造成的差异。以日本为例,日本的最低气温低于摄氏零度不少,但是日本规范却规定钢材Charpy冲击试验的测试温度为摄氏零度。国内绝大部分的结构物使用的最低温度约在摄氏10度,因此Charpy冲击试验的温度可以比摄氏10度高,但是目前中国国家标准(CNS)直接引用日本的规定,并未针对台湾地区的实际情况调整,尚待修正。

化学成分改变

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SN钢材对化学成分的控制相当严谨,如降低等不利于钢结构焊接含量,增加焊接性,尤其是高入热量焊接,故较适用于使用潜弧焊等高入热量焊接之组合型钢。

SN钢材特性

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SN钢材目前主要是用在房屋结构、厂房、车站等其他建筑物,大楼及大型建筑物已经使用普遍,使用等级为SN490B或C等级,如兴建中的云林高铁,采用SN490B、C系列钢材。但低矮层使用之SN400系列钢材,国内虽有钢铁厂生产,但只有少数消费者知晓,以前都是以 SS400、SM400或ASTM A36兴建,在日本低矮层建筑使用钢结构比例不低,但在阪神地震中,前述钢材已被证实不具耐震能力,且之后设计之低矮层建筑物都已SN钢材,目前国内生产链已供应,将来设计者应优先采用SN等级之钢材。[2]

耐震建筑结构钢材规范国家标准

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台湾内政部营建署自1997年起即参考日本SN钢材标准,建立我国耐震建筑结构钢材规范国家标准(标准编号CNS 13812 G3262)。并自2003年起逐渐研修,拟对建筑物之重要钢骨结构,逐步引导使用SN等级的钢材。在2014年,CNS 13812增添了降伏强度250 N/mm2等级的SN400YB、SN 400YC及降伏强度325 N/mm2等级的SN490YB、SN 490YC钢材选项,作为耐震钢材的标准。[7]

另见

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参考来源

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  1. ^ 阪神地震後「SN鋼材」,耐震建築唯一指標,中時電子報2014年09月22日報導. [2014年10月14日]. (原始内容存档于2014年10月15日). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 谈“房屋结构用钢材选用ASTM规格”,陈正平,技师报No.605
  3. ^ 建筑结构用轧钢料SN系列钢材特性介绍(下),陈正平,技师报No.462
  4. ^ 钢结构行为与设计,陈生金 科技图书公司,2009,第一版
  5. ^ 你家的建築結構鋼ㄟ穩? 選購鋼材 耐不耐震有學問,中時電子報2014年09月22日報導. [2014年11月17日]. (原始内容存档于2014年12月9日). 
  6. ^ 结构用钢材之规格与性能手册-第二版中华民国钢结构协会
  7. ^ 高品質鋼材建構的家 才是最安全的避風港,中時電子報2014年09月22日報導. [2014年11月17日]. (原始内容存档于2014年12月6日). 

延伸阅读

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