钢材Z向收缩率-钢结构设计原理

钢板在长、宽和厚度三个方向的机械性能有差异，沿轧制方向性能最好，垂直于轧制方向的性能稍差，沿厚度方向性能则又次之。用一般质量的钢轧成的钢材，尤其是厚钢板（板厚 ＞ 40 mm），由于钢中的硫、磷偏析和非金属夹杂等缺陷，局部性的分层现象往往难以避免。在钢结构制造中，由于钢材质量和焊接构造等原因，当构件沿厚度方向产生较大应变时，厚板容易出现层状撕裂，沿厚度方向受拉的接头更为不利。厚钢板层状撕裂现象的发生，不仅严重影响钢结构工程的质量与施工进度，如未被发现与处理，还会危及钢结构工程的安全。应附加要求板厚方向的 Z 向收缩率，以防止钢材在焊接时或承受厚度方向的拉力时，发生分层撕裂。

1．层状撕裂的发生

钢板和型钢都是经过辊轧成型的，辊轧有热轧和冷轧之分，一般钢结构所用钢材为热轧成型，冷轧只用于生产小截面型钢和薄板。热轧可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒（见图 2.12），钢锭浇注时形成的气泡和裂纹可在高温和压力作用下焊合，从而使钢材的力学性能得到改善。

图2.12　钢的轧制使晶粒细化

然而，这种改善主要体现在沿轧制方向上，因钢材内部的非金属夹杂物（主要为硫化物、氧化物、硅酸盐等）经过轧压后被压成薄片，仍残留在钢板中（一般与钢板表面平行），而使钢材出现分层（夹层）现象。这种非金属夹层现象，使钢材沿厚度方向受拉的性能恶化。

钢板的层状撕裂一般在焊接节点中产生（见图 2.13）。焊缝冷却时会产生收缩变形，焊缝的收缩变形使钢板沿板面垂直方向受到很大的拉力，如果钢板很薄或没有对变形的约束，钢板会发生扭曲从而释放应力。但如果钢板很厚或有加劲肋、相邻板件的约束，钢板不能自由变形，而只能通过钢板在垂直于板面方向产生很大的应变来适应这种变形，则在钢板中可能产生层状撕裂。在约束很强的区域，由焊缝收缩引起的局部应力可能数倍于材料的屈服极限，远远大于由设计荷载引起的应力。一般厚钢板较易产生层状撕裂，因为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和变形也越大。

2．钢板的 Z 向性能

钢板沿厚度方向的受力性能（主要为延性性能）称为 Z 向性能。钢板的 Z 向性能可通过做试样拉伸试验得到（见图 2.14），一般以断面收缩率作为评定指标。(www.xing528.com)

试件采用圆柱体，可由整个板厚加工而成。试件直径 d0＝10 mm（板厚＞25 mm 时），长度 l0≥1.5d0，并沿钢板轧制方向的任意一端中部截取。试件拉断后，其断口处横截面面积 A1比原横截面面积 A0的缩减百分比值zψ，称为厚度（Z 向）的断面收缩率，即

图2.13　层状撕裂过程

图2.14　Z向拉伸试件

《厚度方向性能钢板》（GB/T 5313）的规定，适用于厚度 15～150 mm 及屈服点不大于 500 MPa 的镇静钢钢板。该标准将钢板 Z 向断面收缩率分为 Z15、Z25、Z35 等 3 个级别，它对应的zψ相应为 15%、25%、35%。对这 3 个级别的钢材还规定含硫量相应地分别小于 0.01%、0.007%、0.005%。断面收缩率的级别越高，其抗层状撕裂的性能越好，含硫量越高，断面收缩率的级别越低。

对于厚钢板，为防止层状撕裂的发生，需对其 Z 向性能提出要求。Z 向断面收缩率大于 20% 的钢板，其层状撕裂一般可以避免；当 Z 向断面收缩率小于 20% 时，则有可能发生层状撕裂。