第3章支承体系中的金属材料

112第3章支承体系中的金属材料玻璃结构中的支承结构一般采用建筑钢材、不锈钢、铝合金等金属材料。§3.1建筑钢材3.1.1物理性能用于玻璃结构中的钢材具有几乎相同的物理性能：密度:3/5.78ρmkN=，热膨胀系数:Co/1012α6×=，弹性摸量:25/1006.2mmNE。3.1.2化学性能钢材分为碳素结构钢、低合金钢、高强度钢、耐火耐候钢等[136]。1.碳素结构钢按含碳量的大小，碳素结构钢分为低碳钢（含碳量0.03%～0.25%）、中碳钢（含碳量0.26%～0.60%）和高碳钢（含碳量0.60%～2.00%）；按钢材质量，分为A（无冲击功规定）、B（20oC时冲击功27≥kAJ）、C（0oC时冲击功27≥kAJ）、D（-20oC时冲击功27≥kAJ）四个等级；按冶炼方法，分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）四类。钢材牌号由屈服点字母Q、屈服点值、质量登记和脱氧方法四个部分顺序组成。钢材中的含碳量越多，钢的强度与硬度也越高，塑性越低。碳素结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等，其中Q235在使用、加工焊接方面的性能都比较好，是玻璃结构中最常用的建筑钢材。2.低合金钢在碳素结构钢中增加一种或几种少量的合金元素（钢内各合金元素的总含量小于5%），从而提高其强度、耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性，形成了低合金钢。低合金钢的含碳量一般较低（少于0.20%），以便于钢材的加工焊接。按钢材质量，低合金钢分为A（无冲击功规定）、B（20oC时冲击功34≥kAJ）、C（0oC时冲击功34≥kAJ）、D（-20oC时冲击功34≥kAJ）、E（-40oC时冲击功34≥kAJ）五个等级。其低合金钢的脱氧方式为镇静钢（Z）或和特殊镇静钢（TZ）。低合金钢的牌号有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等。其中，Q345在玻璃结构中使用最多。3．耐候钢玻璃幕墙用耐候钢应符合现行国家标准《高耐候结构钢》GB/T4171和《焊接结构用耐候钢》GB/T4172的规定。3.1.3力学性能表3-1给出了几种常用钢材的强度设计值：113表3-1钢材强度设计值（MPa）钢材厚度或直径d(mm)抗拉、抗压、抗弯抗剪端面承压Q235t≤1621512532516t≤4020512040t≤60200115Q345t≤1631018040016t≤3529517035t≤50265155Q235NHt≤1621612529516t≤4020712040t≤60198115t＞60198115Q295NHt≤1627115734416t≤4026215240t≤6025314760t≤100235136Q355NHt≤1632718940216t≤4031718440t≤6030817960t≤100299173Q460NHt≤1641424045116t≤4040523540t≤6039623060t≤100387224Q295GNH(热轧)t≤6271157320t＞6271157Q295GNHL(热轧)t≤6271157353t＞6271157Q345GNH(热轧)t≤6317184361t＞6317184Q345GNHL(热轧)t≤6317184394t＞6317184Q390GNH(热轧)t≤6359208402t＞6359208Q295GNH(冷轧)t≤2.5239139320Q295GNHL(冷轧)t≤2.5239139320Q345GNHL(冷轧)t≤2.5294171369注：表中厚度是指计算点的钢材厚度；对轴心受力构件是指截面中较厚板件的厚度。3.1.5防腐要求碳素结构钢和低合金高强度结构钢应采用有效的防腐处理，当采用热浸镀锌防腐蚀处理时，锌膜厚度应符合现行国家标准《金属覆盖层钢铁制品热镀锌层技术要求》GB/T13912的规定。采用氟碳漆喷涂或聚脂漆喷涂时，涂膜厚度不宜小于35m；在空气污染及海滨地区，涂膜厚度不宜小于45m。114§3.2不锈钢3.2.1概述不锈钢是在钢中加入了一定比例的铬、镍等。由于铬的化学性质比较活泼，铬首先与环境中的氧化合，生成一层与钢基体牢固结合的紧密的氧化膜层，使内部的钢不致生锈。不锈钢的种类很多，经常使用的有64个品种。各种不锈钢的耐腐蚀性能、物理性能、机械加工性能、高低温使用性能及焊接性能等方面各不相同，经济指标也有差异。根据工程环境的腐蚀介质和腐蚀条件，在玻璃结构中注意选择适当的不锈钢品种是十分重要的。在玻璃结构中使用的不锈钢通常是一般用途的不锈钢，各种具有特殊性能的不锈钢使用很少。玻璃结构中的不锈钢应具有一定的强度、良好的耐腐蚀性能、较大的韧性及良好的焊接性能。符合这些条件的不锈钢品种有：Ocr13、Ocr17Ti、Cr18、Cr18Ni9、Cr18Ni8、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Mn8Ni5、1Cr17Ni13Mo2Ti、Cr17Mo2Ti等，其中使用较多的有Cr18Ni18、Cr17Ti和1Cr17Mo2Ti。我国不锈钢国家标准如《不锈钢棒》（GB/T1220）[137]、《不锈钢冷轧钢板》（GB/T3280）[138]等都列出了各种牌号不锈钢的化学成分和力学性能（包括屈服强度、抗拉强度、伸长率和收缩率等）。从所列的力学性能指标，可以看出不锈钢具有较高的强度和较好的塑性变形能力，可以用于点支式玻璃中的拉杆、拉索、支承结构和连接件。由于我国尚未制订不锈钢结构设计规范，关于受力构件中不锈钢材料强度设计值的研究很少，在一定程度上影响了不锈钢的使用。不锈钢材料强度设计值的确定依据主要是标准试件的拉伸试验资料。鉴于不锈钢牌号十分众多，只能对常用的几个牌号的强度设计值加以确定。3.2.2不锈钢的强度试验值和统计特性1.三个牌号不锈钢屈服强度的试验资料表3-2是上海第五钢铁厂不锈钢室自1997年以来进行的三种牌号不锈钢标准试件屈服强度f0.2的测试结果。表3-2不锈钢标准试件屈服强度f0.2的测试结果2.三个牌号不锈钢屈服强度的概率分布及统计参数图3-1是根据表3-2统计得到的三种牌号不锈钢屈服强度分布的直方图。0Cr18Ni9（共145个）1Cr18Ni9Ti（共557个）00Cr18Ni9（共92个）f0.2(MPa)数量f0.2(MPa)数量f0.2(MPa)数量f0.2(MPa)数量f0.2(MPa)数量f0.2(MPa)数量f0.2(MPa)数量235240255260265270275126712821280285290295300305182132010720521021522523023524011713231678245250255260265270275163013116612135280285290295300305320301427811230240250255260265270224863262752802852902953003051015923111150102030405060230250270290屈服强度(MPa)试验数据个数0510152025303540230250270290屈服强度(MPa)020406080100120140160205235265295屈服强度(MPa)（a）0Cr18Ni9不锈钢(b)00Cr18Ni9不锈钢(c)1Cr18Ni9Ti不锈钢图3-1三种牌号不锈钢屈服强度分布的直方图根据表3-2，可以得到三种牌号不锈钢屈服强度的统计参数，见表3-3。表3-3三种牌号不锈钢统计参数结果根据三种牌号的不锈钢屈服强度分布的直方图，经检验证明它们的屈服强度的概率分布为正态分布N(μ,σ2)。3.2.3屈服强度的标准值和设计值我国“建筑结构设计统一标准”（GBJ50068-2001）[140]规定材料强度的标准值fk可取其概率分布的0.05分位数确定。对于正态分布，fk=fμ-1.645fσ，式中fμ为平均值，fσ为标准差。对于三种牌号的不锈钢，根据测试数据的统计参数得到的屈服强度标准值列于表3-4。在表中还列出了不锈钢标准中的f0.2值。可以看出，屈服强度标准值f0.2k均高于不锈钢标准的f0.2，为了方便使用，决定与钢结构设计规范一样，取不锈钢标准中的f0.2作为屈服强度的标准值。表3-4三种类型不锈钢的屈服强度的标准值（MPa）不锈钢牌号0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti00Cr18Ni9f0.2k256.535228.60248.12f0.2201205205不锈钢牌号0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti00Cr18Ni9备注平均值xμ279.97257.711271.087mxmiix∑1μ==，1)μ(σ∑122mxmixix==方差2σx202.911313.231194.880标准差xσ14.24617.69813.960116我国“建筑结构设计统一标准”[140]定义强度设计值为强度标准值除以抗力分项系数Rγ。抗力分项系数Rγ则是通过可靠指标β的优化得到的。根据可靠指标的定义，有22σσμμβsRsR+=（6-1）式中：Rμ、R分别为抗力的平均值和标准差，s、s分别为荷载和作用效应的平均值和标准差。式（6-1）经变换可写成下式：sssRRRμ)δβα1μ)δβα1+=（（（6-2）式中：22σσσαsRRR+=，22σσσαsRss+=，抗力变异系数RRRμσδ=，荷载和作用的变异系数sssμσδ=。抗力分项系数为：RRRRΩμδβα11γ）（=（6-3）RΩμ为抗力的无量刚均值，等于抗力均值除以标准值。在点支式玻璃结构中，不锈钢主要用于拉杆和拉索。受拉杆件的抗力表达式为AfRl=（6-4）式中：fl为杆件材料的抗拉强度；A为拉杆的截面面积。式（6-4）中的R、fl及A均为随机变量，再考虑抗力计算模型的不定性，则有PAMRμμμμ=（6-5）222δδδδPAMR++=（6-6）式中：RRδμ、为杆件抗力的平均值和变异系数；MMδμ、为杆件材料抗拉强度的平均值和变异系数；AAδμ、为杆件截面面积的平均值和变异系数；PPδμ、为抗力计算模型差异的平均值和变异系数。由于Rα与sσ有关，因此抗力分项系数Rγ不仅与可靠指标有关外，也与sσ有关，即与荷载的大小及概率分布有关。由式（6-3）可知，要确定抗力分项系数Rγ，必须知道可靠指标117，无量纲化后的抗力平均值KRμ和变异系数KRδ以及Rα。可靠指标根据“建筑结构设计统一标准”（GBJ68-84）[140]的规定，取3.2。KRμ和KRδ由式（12）和式（13）计算。考虑到不锈钢结构与钢结构除屈服强度的大小与概率分布略有不同外，其他参数可认为基本相同。因此各项统计参数可取钢拉杆的有关数值。这样，有[140]：92.0μ0=KR，035.0δ0=R；0.1μ=KA，05.0δ=A和05.1KP，07.0P。三种牌号不锈钢的Kf和f则可计算如下：0Cr18Ni9不锈钢：366.12.0ffKf，0509.0fff；1Cr18Ni9Ti不锈钢：257.12.0ffKf，0687.0fff；00Cr18Ni9不锈钢，：322.12.0ffKf，0515.0fff。采用以上统计参数，由式（6-5）及（6-6）可得到不锈钢拉杆的KR和KP如下：0Cr18Ni9不锈钢：319.1KR，1059.0KR；1Cr18Ni9Ti不锈钢：214.1KR，1155.0KR；00Cr18Ni9不锈钢：277.1KR，1062.0KR。R可由下式计算：22222RSSRRSRRR（6-7）注意到式（6-1）可写成：222221RSSRRSSRSR（6-8）又考虑到幕墙支承结构所受的力主要是风荷载，因此荷载和作用效应可只考虑风荷载，由《建筑结构设计统一标准》（GBJ50068-2001）[14