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1、德国钢结构委员会 DASt 在结构钢焊接结构中 避免阶状断口的推荐标准 德国钢结构委员会 DASt 原则014 此原则是由德国钢结构委员会（DASt），附属“德国钢结构材料委员会”与德国焊接技术联合会（DVS）以及德国钢铁工业工作者协会（VDEh）共同合作设定的。 目录 页 1． 应用指示 1 2． 阶状断口产生的原因及概念 1 3． 钢种类 2 4． 确
2、定钢的阶状断口倾向的试验方法 2 4． 1 非破坏性的试验方法 2 4． 2 破坏性的试验方法 2 4．2．1 垂直于产品表面的拉伸试验 2 4．2．2 取样 2 4．2．3 重复试验 2 5． 避免阶状断口 3 5．1 有关材料的标准 3 5．2 结构设计和生产
3、技术标准 3 6． 对于在厚度方向上所要求 的必要断面收缩率的规定以及 选择在厚度方向上有负荷的 钢板，带钢及宽扁钢结构的 钢质量等级之推荐标准 7 7． 对于应用原则的指示 8 1． 应用指示 在焊接钢质桥以及可与之相互比较的结构情况时，推荐使用此原则。 框外左侧文字：印刷和复印，即使是摘要性地，只有得到钢结构出版有限公司，5000，科隆，的批准才可进行。 2． 阶状断口产生的原因及概念 轧制产品可在纵向（轧制方向），横向以及厚度方向上有负荷。
4、相对于纵向和横向上的要求，厚度方向的负荷往往是要减弱变形能力。在室温下进行的拉伸试验中所计算而得的断面收缩率Z，是一个变形能力的参数。此参数在厚度方向上（下标D）能够下降至低于的数值。引发此现象的原因是在轧制时所产生的以一层一层方式平行布置于表面的非金属夹杂物（硫化物，硅酸盐，氧化物）。在轧制产品中，这些夹杂物以小平板形式（图1a）以及/或者行列形式伸展着存在。夹杂物的大小则因此而根据观察角度的不同而有所区别。最大的平面则在厚度方向的投影情况下产生（图1a）。 L=纵向 Q=横向 D=厚度方向 图1： a）.轧制的夹杂物在三个图纸水平面的投影 b）.不可轧制的球
5、状夹杂物在三个图纸水平面的投影 1）.根据英文的专业表达“lamellar tearing”，阶状断口也可命名为片层断口（德国工业标准 8524 第3部分）。 通过钢结构出版有限公司，埃本普拉茨，1.5000 科隆 1 进行销售。 在对变形有要求的情况下，夹杂物的尺寸并非和和金属矩阵部件的尺寸相同，而是根据其垂直于负荷方向上的平面大小以及根据材料的变形能力而有所减小。 根据厚度方向的负荷，断口可平行移向轧制产品的表面并且具有典型的阶状形或者片层形外观（图2）。 图2：由阶状断口所形成的剖面，图表描述 因而此断口也可称为阶状
6、断口。（导致阶状断口的要求类型，请参阅段落6） 要特别注意焊接结构中易于造成阶状断口的材料，因为在焊接的十字接头，T字接头以及斜接接头情况下，总有一个工件段由于厚度方向上的收缩应力而有所负荷。 阶状断口倾向在随着以下情况而有所加强： ·随着夹杂物的数量（硫化物，氧化物，硅酸盐） ·随着引起夹杂物平行于表面的平面的增多 ·随着局部增多的夹杂物的集中 3． 钢种类 此原则意义上的结构钢为根据德国工业标准17 100 “普通结构钢；质量标准”，德国工业标准17 155“锅炉板材”，钢铁材料刊物089“适合焊接的细粒结构钢；供货技术条件”（钢铁材料刊物089，不久
7、后马上变更为德国工业标准17 102），德国钢结构委员会原则011“适合焊接的高硬度细粒结构钢 钢460和钢690；应用于钢建筑”等所描述的材料。 4． 确定钢的阶状断口倾向的试验方法 4．1 非破坏性的试验方法 根据钢铁材料刊物072的超声波试验允许不对材料的阶状断口倾向进行评定。其他非破坏性试验方法也可不对阶状断口倾向进行预测。应大力发展此类方法。 4．2 破坏性的试验方法 通过破坏性试验可在厚度方向的负荷情况下为阶状断口倾向确定一个变形能力的参数。拉伸试验最远可垂直扩展至轧制平面（厚度方向）。通过此拉伸试验而取得的断面收缩率允许对材料的阶状断口倾向进行评定。
8、 不同于断面收缩率，其他通过厚度方向负荷情况的拉伸试验而测定的特性，如屈服点，抗拉强度以及拉断伸长度对确定阶状断口的倾向意义较小。图3为抗拉强度证实了此断定。 4．2．1 垂直于产品表面的拉伸试验 试验种类，试验形式以及带求值目的的试验的进行都在德国工业标准…..¹）中有所确定。 4．2．2 取样²） 试验段每次都是取自中部范围的产品一端（最可能的是头端），关系到产品宽度（图4）。要以力学方式从这些试样段中至少为试样组凸出三个尺寸为25×25×s的毛坯（图5）。 max：最大 mittel：中等 min.：最小 Standardabwe
9、ichung：标准偏差 图3：厚度方向上的抗拉强度与纵向上的抗拉强度连同厚度方向上的断面收缩率的关系。 Kopf：头端 Probenabschnitt：试验段 Walzbreite：轧制宽度 Walzerzeugnis：轧制产品 图4：取自扁钢产品的试验段，允许气割 s=产品厚度 如果试验段通过气割方式取下，需有一个过盈值ü。 如果以力学方式来分离，则不需有过盈值。 图5：通过力学方式的分离从试验段中取下毛坯 s=产品厚度 4．2．3 重复试验 钢铁供货条件096“带有垂直于产品表面的改良了的负荷特性的板材，带钢和宽扁钢”第6
10、段适用于重复试验（钢铁供货条件096）。 5． 避免阶状断口 5．1 有关材料的标准 材料标准的依据是，能够在钢的生产过程中， 从根本上减少伸展着的小平板形式（图1a）以及/或者行列形式的夹杂物或者通过根据图1b对夹杂物进行配（精确分配，非轧制的圆形夹杂物）。借此可改善厚度方向负荷情况时的变形能力。 ¹）. 现今为 草案 材料检验标准委员会 A2f 11-17号 ²）. 钢铁供货条件096，5.74版本一旦被修订，段落4.2.2的原文就将被钢铁供货条件096 （SEL096）的“取样”段落所代替。 若在产品生产中运用到此标准
11、则产品要根据钢铁供货条件096来供货。同时会提供三个附带在厚度方向的负荷情况下不同断面收缩率的质量等级（表格1）¹）。 表格1 根据钢铁供货条件096“垂直于产品表面的板材，带钢和宽扁钢”（SEL096），由厚度方向上的拉伸试验所得出的断面收缩率的保证值。 质量等级 断面收缩率 平均值*）% 至少为 所允许的 最小单值% 1 2 3 15 25 35 10 15 25 *）此数值2于由三次单个试验所得出的中间值。 5．2 结构设计和生产技术标准 以下消除阶状断口倾向的标准的目的是通过结构设计和生产以使垂直于表面的轧制产品只遭受低塑性变形。这些标
12、准尤其适用于与焊接有关的塑性变形。 图6至14是对段落5.2.1至5.2.5所描述的标准的图表描述。在这些图中，箭头方向意味着阶状断口倾向的减弱。 ¹）.根据德国工业标准17 100的钢，现在只可 以质量组别3来进行生产。 所有标准都是单独的标准，在应用这些标准时要注意第7段所规定的内容。 5.2.1 部件轧制表面上的焊缝最有可能大面积的形成 （图6）。 5.2.2 通过焊缝而得到连接的产品之厚度方向的收缩路径只能小规模得到保持。可通过以下方式来达到： a）.小规模地保持焊缝体积（图7） b）.带较少焊缝数量
13、的焊接（图8） c）.局部的缓冲（图9） d）.带对称焊缝顺序的对称焊缝形式（图10） 5.2.3 如有可能，应如此设计结构，即连接轧制产品（其完全厚度）所有层次的焊缝（图11至13）。 5.2.4 如果要在结构中连接厚度方向上的部件，那么此部件在焊接时将可能像在自由收缩时那样收到极少的阻碍（德国工业标准1000，段落4.2.2.1）。 5.2.5 通过缓冲来改善变形能力（图14）。 5.2.6 预热也可作为减弱阶状断口倾向的其他生产技术标准。预热能够减慢冷却速度，借此收缩率可在一个较大范围上得到扩展。
14、 图6：通过加大接触面以减弱阶状断口倾向 图7：通过避免不必要的焊缝体积以减弱阶状断口倾向 较小的焊缝体积能产生较短的收缩路径。路径 越短，则对材料的变形要求越低。阶状断口倾向也会相应减弱。 图8：通过减少焊缝数量以减弱阶状断口倾向 图9：通过等同于局部缓冲效果的焊缝顺序 以减弱阶状断口倾向 图10：通过带对称焊缝顺序的对称焊缝形式 以减弱阶状断口倾向 图11：通过连接轧制产品（其完全厚度）的所有层次 以减弱阶状断口倾向 双倍的角焊缝，双
15、倍的HV型焊缝（焊接用K型坡口） 以及T型接头处的角焊缝通过3-板材-焊缝或者 -在插入型材后-通过对接焊缝来代替。 图12：通过连接轧制产品（其完全厚度）的所有层次 以消除阶状断口倾向 在焊接角接头处，可通过焊缝预加工以达到完全或部分地连接整个板材厚度的目的。 图13：通过连接轧制产品（其完全厚度）的所有层次 以消除阶状断口倾向 在棒形支撑结构情况中，直接的结合通过带连接板的连接点的产生来代替。 图14：通过对负荷方向上带高变形能力之焊接金属进行镀层 以减弱阶状断口倾向（缓冲） 缓冲可局部地改善厚度方向上的变形能力（请参阅段落5.
16、1“有关材料的标准”）。 另外，缓冲还可扩大接触面（段落5.2.1，图6） 6． 对于在厚度方向上所要求的必要断面收缩率的规定以及选择在厚度方向上有负荷的钢板，带钢及宽扁钢结构的钢质量等级之推荐标准 如果轧制产品只能承受比焊接时所需要产生的负荷更小的塑性变形能力，那么在生产中大多数会出现阶状断口。阶状断口倾向大多数是生产风险的表现。通过载重的负荷不会经常引发阶状断口。在此情况下， 引发的原因是初级周期性的负荷和冲击栽荷。 在第9页的表格2中，提及了一些影响因素，这些影响因素规定了厚度方向的负荷情况下的部件行为。通过将这些影响与需要必要断面收缩率（n=影响A至E
17、的部分进行比较，则这些影响不会引起阶状断口。可从表格2中取出影响A至E的部分，其总和描述了断面收缩率的数值： 负erf 值表示，此影响能够在一定范围内使促进阶状断口的影响与其他影响一致。 在影响范围D情况中（依赖于结构的钢度），必须超出推荐标准之外来仔细估计每种结构的特殊性。作为帮助，可考虑根据德国钢结构委员会（DASt）-原则009 “选择焊接钢的钢质量级别的推荐标准”来制定带低，中，高应力状态的部件。 要把根据表格2和公式（1）计算而得的数值erf ， 作为近似值来考虑，遵循此数值时要以避免部件
18、中的阶状断口为出发点；因为为了保障产品的统计，利用更大数量的阶状断口情况是很有必要的。60mm以上厚度的板材只存在很少的数值，因而在此原则中无法为此厚度领域提供推荐标准。 作为推荐标准，将表格3所说明的erf 范围归入 钢铁供货条件096“带有垂直于产品表面的改良了的负荷特性的板材，带钢和宽扁钢”（SEL 096）中的1至3质量等级。 表格3 将根据表格2和公式（1）确定的厚度方向负荷情况下的必要断面收缩率erf 归入根据适用于板材，带钢和宽扁钢结构的钢铁供货条件096的质量等级。 erf % 钢铁供货条件096 质量等级 厚度方向 负荷情况下的断面收
19、缩率 平均值 % 至少为 10及10以下 11至20 21至30 30之上 - 1 2 3 - 15 25 35 7． 对于应用原则的指示 此原则描述了更多生产阶状断口结构和非阶状断口结构的具有同等价值的原则性的可能情况。 a）. 通过根据带有断面收缩率数值的钢铁供货条件096（SEL 096）来运用材料，如同产生于表格2和表格3中当时的结构一样； b）. 不根据带有断面收缩率数值的钢铁供货 条件096（SEL 096）来运用材料，如同产生于表格2当时的结构一样（根据段落4.2的试验）或者 c）. 通过运用段落5
20、2中所提及的设计结构和生产技术标准。 根据德国工业标准，段落4.2.3，并未提及修补阶状 断口的可能性。 如果没有超过根据表格2计算而得的erf 数值，则 会产生阶状断口的危险。根据段落3的厚度方向负荷 情况无断面收缩率特殊要求保证的钢，往往会显露很 大的erf 数值，以致在带有低收缩阻碍以及/或者 带有厚度方向受限的变形要求的结构中，极少出现 阶状断口情况。 此原则仅仅可处理避免焊接结构中的阶状断口问 题。如果有些适用于此问题的原则会引起断口危险， 则其无法适用于特定的结构和材
21、料。比如说，在图 8中所描述的标准无法应用于高硬度易焊接的细粒 结构钢情况，因为此种钢情况只能以多位技术进行 焊接。在部件的振动载荷或者冲击载荷情况下，采 取D-HV型焊缝（焊接用K型坡口）比双倍角焊缝 有效，虽然根据表格2的描述，双倍角焊缝较少容 易引起阶状断口。阶状断口通过其他标准来避免。 其他指示请参阅[1]。 [1]Schönherr,W.: 在焊接结构中避免片层（阶状）断口的材料和结构 设计标准。德国焊接技术联合会（DVS）报告， 第5卷“焊接和剪切 1978 — 进步和质量”， 杜塞尔多夫，1978，第83/87页。 表格2 — 对厚度方向
22、负荷情况的必要断面收缩率erf 部分的影响A至E的归纳 影响 erf A 有效的 焊缝厚度 适用于≤50mm： =10mm 带 =20mm =30mm 比如说，以此可产生： =40mm =50mm B 焊缝形式 以及
23、 焊缝的位置 -25 -10 -5 0 请参阅图9右侧 请参阅图10右侧 3 5 8 C 焊缝范围的 钢性，通过 板材厚度 而有所限定 适用于板材厚度s≤60mm： 比如说，以此可产生： D 结构钢性 钢性少：可能为自由收缩，比如说T字接头； 钢性：收缩可能受箱形梁中的横向构件所限制； 很有钢性：高收缩阻碍，比如说完全拉伸、四周焊接的载重梁（正载重梁板面） 0 3 5 E 生产 无预热 高于100℃的预热 0 -8 脚注请参阅第10页 表格2的脚注 1）. a= 焊缝厚度 =在厚度方向（通过收缩）的有效焊缝厚度 s=产品厚度 2）.如果建筑工程中的轧制产品在厚度方向上除了负载压力外， 主要负荷静止的压力（比如说支撑物的底板），则此数值要减半。
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