Прокат больших толщин для высотных зданий и большепролетных сооружений

Прокат больших толщин для высотных зданий и большепролетных сооружений.

В.И.Травуш, П.Д.Одесский, Д.В.Конин

В последние годы в нашей стране начинают широко применяться крупные несущие стальные конструкции для высотных зданий и большепролетных (с пролетом свыше 100 м) сооружений. При изготовлении подобных конструкций обычно применяется прокат больших толщин, изготовленный из хорошо свариваемых низколегированных сталей с пределом текучести ат=300...500 Н/мм2.

Примеры зданий из рассматриваемых материалов представлены на рис. 1. Стали для подобных сооружений прежде всего должны обладать высокими эксплуатационными свойствами, а именно достаточно высоким сопротивлением различным по характеру нагрузкам, имеющим место при изготовлении, транспортировке и эксплуатации сооружений

- статическим, переменным, динамическим, в том числе в условиях таких воздействий, как отрицательные климатические температуры, высокие температуры, возможные при пожаре, естественные агрессивные среды, сейсмические воздействия и т.п.

В статье рассмотрен прокат больших толщин, применяемый при возведении уникальных сооружений: широкополочные двутавры с толщиной полки 50.125 мм производства завода «Arcelor» (Люксембург), толстые листы толщиной 30.60 мм производства комбината «Уральские стали» (г. Новотроицк), листы толщиной 60.230 мм производства завода «Dellinger» (Германия).

Обращает на себя внимание тот факт, что благодаря специфике современных технологий производства стали, а именно упрочнения ее в потоке станов, в фасонном прокате и в некоторых толщинах толстых листов по сечению проката формируется существенная неоднородность микроструктуры и свойств по типу естественного композита [1].

1. Материалы исследования

В настоящее время изготовление проката больших толщин проводится в потоке станов при существенной скорости методами термомеханической обработки с последующим регулируемым охлаждением водой. Именно на этой заключительной стадии производства проката в последнем формируется неоднородная по сечению структура по типу естественного композита.

Физически такая неоднородность формируется, во-первых, из-за уменьшения скорости охлаждения проката по мере перехода от его поверхности к сердцевине, а также из-за сохранения тепла прокатного нагрева в осевых частях проката при сквозной непрерывной технологии производства в потоке станов [1].

В настоящее время на некоторых металлургических заводах применяется и другая технология заключительной термической обработки толстых листов по режимам термического улучшения (закалка + высокотемпературный отпуск) или нормализации: здесь листы подвергаются специальному нагреву и выдержке перед отдельными операциями термической обработки; при таком варианте термической обработки свойства по толщине проката достаточно равномерны.

Химический состав обсуждаемых сталей (табл. 1) во многом определяется технологией производства проката. Прокат, получаемый методом термомеханической контролируемой прокатки, должен содержать [3] С < 0,1%, Мп =

1,0__1,5%, и в зависимости от требуемой прочности быть

микролегированным, прежде всего сочетанием ниобия и ванадия (суммарное содержание микролегирующих элементов < 0,1%). В последнее время подобные стали содержат никель, медь и хром на уровне примесей (N1, Си, Сг > 0,1%).

а) б)

Рис. 1. Примеры сооружений, в которых применен обсуждаемый прокат:

а - высотное здание на участке №10 ММДЦ «Москва-Сити»; б - Ледовый дворец на Ходынском поле

1 2009 81

Термически улучшенные или нормализованные стали могут иметь близкий состав, но в некоторых случаях в больших толщинах при ат~350 Н/мм2 стали могут иметь химический состав, близкий к отечественной стали 14Г2 с дополнительным микролегированием (сталь Б355 по ЕИ10025-2) - сталь толщиной 60, 150 и 230 мм (табл. 1). Близкий к сталям для контролируемой прокатки, как отмечалось выше, но оригинальный химический состав имеют толстолистовые стали для уникальных конструкций в толщинах до 60 мм производства комбината «Уральские стали» (№9...11, табл. 1). Эти стали выплавляются на чугунах, природнолегированных хромом, никелем, медью и некоторыми другими элементами; они также имеют пониженное содержание дефицитного марганца, а требуемая высокая прочность достигается действием кремния (в случае стали 10ХСНДА по с ат > 390 Н/мм2 ТУ 14-1-5120-92) в сочетании с хромом. Вариант №11 - сталь марки 06МФБ с повышенной огнестойкостью за счет комплексного микролегирования молибденом, ванадием и ниобием (Ио+У+ИЬ).

В стандартных низколегированных сталях (например, ГОСТ 19281-89) ряд важных инженерных свойств недостаточно высок из-за существенного содержания вредных примесей: Б и Р < 0,035% каждого, что ведет, в частности, к формированию в микроструктуре существенного количества вредных веретенообразных и пленочных неметаллических включений, в первую очередь сульфидов. В современных толстолистовых сталях для уникальных сооружений всегда Б < 0,010%; Р < 0,010% (№10, табл. 1), при этом проводятся технологические мероприятия по облагораживанию неметаллических включений. В толстых листах производства <^1'Шпдег» Б < 0,0010%.

В фасонных профилях проблема получения рациональных форм неметаллических включений решается исключи-

Таблица 1

Химический состав исследуемых сталей

Содержание элементов (макс. %} 3

и п/п Сортамент Н/мм' (норма- тивна*) С 9 Кл ? 5 Ст N4 ии V м 11 Г1Ь Мй £ X гГ 1

: Широкополосный днугаир 460 ЫО Й21 Х5Ь 0Л15 {Шб 014 014 0.20 Ь06 - - 0ЙО2 «0

2 Тс же Та же (140 01Я 1,55 О019 0.021 017 013 0,22 0.06 - - 0,003 0/142 125

3 Ширрвдпопочимй двутавр 355 0.095 049 Ц0& 0018 0,027 011 011 0.27 0.0Ї э 0.006   50

4 То же То же 0,093 0,16 ив 0/)19 0.029 012 0,12 0,20 0,033 0005 - - - 125

5 Толстый лист 60 ИИ 235 о.и озо 1-55 0,012 0,0009 0.03 0,05 0,02 0,005 0,050 0,004 0,024 0,012 60

б 120 ии т 0.075 (Ці 1,*5 О012 0,0005 0,07 0,40 0.24 . 0,037 0,001 0,020 0/117 120

7 150 ии То жг ЫЗ СЫ7 131 ООП 0X1002 1).и Ч ОО* 0.046 0.00? 0,026 0ЛЭ8 110

в гзо ии г?5 СНГ 1,56 ООП 0X1010 Ш 002 0015  0,047 0,003 0028 £1015 :>30

У Толстый лист 390 0.10 Ч8В олз 0Л13 0,007 0.76 021 0,44 - 0.029 о.оог 0,03 - 50

Ю То же То же 0.085 0,96 0.66 0,010 0.004 0,61 о,го 0,40 0,06 0,020 0,005 0.037 - 50

11 Толстый лист 575. 0.087 <*33 0,64 0,006 0.004 0,70 0,20 0,16 о.о58 0,025 0,026 0,033 0.08 40

Примечание: Толстые листы толщиной 40...50 мм (NN9...11) - термически улучшенные, листы толщиной 60, 150, 230 мм,

остальные - термомеханического проката

82 1 2009

тельно технологическими приемами, содержание серы и фосфора находится на обычном стандартном уровне (№1.4, табл. 1). По мнению авторов, в рассматриваемых профилях должно быть по крайней мере Б и Р < 0,020% каждого.

Рассмотрим основные особенности микроструктуры обсуждаемого металла (рис. 2). Видно, что в металле, упрочненном в потоке стана, микроструктура на поверхности существенно мельче, дисперснее, чем в осевых зонах. В металле, упрочненном с отдельного нагрева, структура гораздо равномернее по сечению.

2. Инженерные свойства проката больших толщин

Повторим, что инженерные (рабочие) свойства проката

- это суммарно эксплуатационные и технологические свойства. Нами рассматривались следующие эксплуатационные свойства: сопротивление стали статическим нагрузкам при испытаниях на твердость и растяжение; сопротивление хрупким разрушениям при испытаниях на ударный изгиб стандартных малых образцов, а также крупных, имитационных из сварных соединений; анизотропия свойств проката боль-

Рис. 2. Микроструктура

ших толщин; сопротивление переменным нагрузкам, а также воздействиям естественных агрессивных сред, кратковременных высоких температур при пожаре, низкочастотных колебаний (циклическая вязкость).

Испытания на твердость (дюрометрический анализ) проводились по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) по всей толщине сечения (рис. 3), на растяжение - в соответствии с ГОСТ 149784 (рис. 4) как на локальных цилиндрических образцах с рабочим диаметром 6 мм, вырезанных на различном расстоянии от поверхности (5 мм; 0,251; 0,51, где t - толщина пока-

та в мм), так и на интегральных плоских образцах, охватывающих всю толщину проката, сечением 12 х 0,51, мм (1 - полная толщина сечения).

Известно, что величина твердости проката тесно коррелирует с величиной временного сопротивления [4], поэтому эпюра распределения твердости по всему сечению проката (рис. 3) дает ясное представление о распределении локальной прочности по сечению. Видно, что повышенная твердость имеет место на относительно небольшом расстоянии от поверхности (10.15 мм), максимальные наблюдаемые

К «нрииизд» поирпикг» пмщ к 4й.утрммй» пмчимист» пмш

Рис. 3. Распределение твердости по толщине полки двутавровой балки

Рис. 4. Распределение предела текучести по толщине листового проката

1 2009 83

значения твердости (< 300 НУ5) минимизируют опасность образование холодных трещин при сварке.

Высокая равномерность механических свойств на растяжение наблюдается в нормализованных листах большой толщины 60, 150 и 230 мм (рис. 4). Однако в прокате толщиной 120 мм, упрочненном в потоке станов, эта неравномерность выражена сильнее (рис. 4).

При этом следует заметить, что максимальные величины на поверхности, как и минимальные в сердцевине сечений, не выходят за допуски, предусмотренные стандартами.

При испытаниях всех образцов на диаграммах а-е имеет место площадка текучести, что свидетельствует о достаточной равномерности свойств по сечению. По-видимому, относительно небольшие поверхностные более прочные слои образца не оказывают влияния на формирование площадки текучести.

В области упруго-пластических деформаций условный предел пропорциональности а001 ^ ат , диаграмму а-е можно аппроксимировать диаграммой Прандтля, что, в частности, показывают испытания на сжатие интегральных образцов. Результаты испытаний показывают, что для обсуждаемых толстых листов отечественного производства коэффициент надежности по материалу можно принять ут=1,025, в случае сталей зарубежного производства согласно СП 53-102-2004 - ут=1,050.

По полученным результатам можно утверждать, что наблюдаемая неоднородность свойств по сечению, как следствие неоднороности структуры по сечению, не выходит за стандартные допуски и не должна влиять на работу стали в конструкциях при статических нагрузках.

Испытания на ударный изгиб вели по ГОСТ 9454-78 на принятых в международной практике образцах 55х10х10 мм с надрезом типа 11 (с острым У-образным надрезом). По результатам испытаний этих небольших образцов обычно судят

о сопротивлении проката хрупким разрушениям. Образцы вырезались как при испытаниях на растяжение, из трех уровней толщин проката 1 на расстоянии осей образцов от поверхности проката (мм) 5, 0,251, 0,51. Некоторые характерные результаты испытаний представлены на рис. 5. В целом ударная вязкость, как и прочностные свойства, снижаются по мере удаления от поверхности проката, особенно в осевой зоне. Приемлемая в случае сталей с ат > 350 Н/мм2 норма по величине ударной вязкости составляет КСУ-20 > 35 Дж/см2 (СП 103-52-2004), для толстых листов толщиной 230 мм КСУ+20 > 35 Дж/см2. Эта норма полностью выполняется, кроме одного случая в центре полки толщиной 125 мм. Особенно высока ударная вязкость в толстых листах из-за низкого содержания серы. В толстых листах отечественного производства с толщиной до 60 мм ударная вязкость в центральных зонах не многим уступает ударной вязкости на поверхности (табл. 2).

Ввиду неоднородности структуры и свойств по сечению обсуждаемого проката, а также возможного снижения ударной вязкости ниже нормативных значений в осевых зонах проката важной стороной оценки работоспособности та-

ких материалов является изучение свойств по толщине ^-свойств). Нормирование Z-свойств должно входить в комплекс инженерных оценок подобного проката.

В настоящее время в международной и отечественной практике [2, 5 и др.] испытания ведутся на цилиндрических гладких образцах диаметром 10 мм, вырезанных нормально плоскости проката (в нашей стране в соответствии с ГОСТ 28870-90). При испытании определялась основная нормативная характеристика - относительное сужение , определяемое на разрушенном образце, а также относительное удлинение 52 и прочностные характеристики ат2 и ав2 .

Согласно СП 53-102-2004 в прокате обсуждаемых толщин > 25%, в стандарте ГОСТ 28870-90 наивысшая категория качества по Z-свойствам предполагает = 35%. В обсуждаемом фасонном прокате > 45% , 52 > 19% , для сталей с ат > 350 Н/мм2 - аи > 350 Н/мм2, ав2 > 490 Н/мм2, для сталей с ат > 460 Н/мм2 - аи > 440 Н/мм2, ав2 > 600 Н/мм2, то есть свойства в Z-направлении полностью соответствуют нормативному уровню, определяемому на стандартных образцах.

В толстых листах высокие Z-свойства достигаются путем снижения содержания вредных примесей и специальных мероприятий, направленных на глобулирование строчечных неметаллических включений. В табл. 3 приведены свойства проката, примененного в большепролетных конструкциях одного из уникальных сооружений Москвы, а также толстых листов толщиной 60 мм производства <^1'Шпдег».

Примененные при строительстве высотного здания на одном из участков ММДЦ «Москва-Сити» близкие Z-свой-

Таблица 2

Ударная вязкость термически улучшенных листов толщиной 50 мм из стали 10ХСНДА с у =420 Н/мм2

Рис. 5. Влияние температуры при ударном изгибе на ударную вязкость стали Б355 в полке толщиной 125 мм двутавровой балки

84 1 2009

Таблица 3

Механические свойства толстых листов из стали 10ХСНДА

Топщннп п;іпкі|г;і, ЧИ ПрУСН'ИрМ'П.І чиї1 образца я, Н/мм' Н/Ыл'

40 продольный здочзг ОД-54? 44-51 79-00

по толщине 352-366 525-525 46-49 77-7В

продольный 440-44Д 5&4-5Т? 40-48 72-76

по толщине 400-452 т-т 42-45 58-72

60 продольный ш-т 5эа-«э 35,0-35,0 79-ЄП

по толщине 353-356 532-555 га,5-збго 69-75

ства имеют место на листах толщиной до 230 мм. Прокат с подобными свойствами, практически изотропный, обеспечивает высокое сопротивление образованию слоистых (лам-мелярных) трещин при сварке, то есть хорошую свариваемость проката [2], гарантирует надежную работу современных уникальных конструкций.

струкциях легко будет обеспечиваться огнестойкость на уровне 45 мин ^45).

Таким образом, применяемая технология получения крупных фасонных профилей для высотных зданий сама по себе способствует получению повышенных эксплуатационных свойств металла.

3. Влияние технологии упрочнения проката в потоке станов на повышение эксплуатационных свойств металла

Известно, что прокат с наблюдаемой неоднородностью свойств по сечению как следствием упрочнения движущихся стержней в потоке стана имеет ряд повышенных эксплуатационных свойств за счет формирования в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия порядка 0,2ат [1], сжимающих металл профилей по периметру как «упругий обруч». В этом случае прокат имеет повышенное сопротивление хрупким разрушениям различной природы, в том числе коррозионному растрескиванию. Более того, подобные профили могут иметь повышенное сопротивление переменным нагрузкам, в том числе в сварных соединениях (рис. 6). Следует заметить, что представленные результаты получены на сварных образцах с нахлесточными фланговыми швами, отражающих работу основного узла фермы, связывающего стержни с фасонкой, при этом известно [1], что в подобных соединениях у проката с равномерными свойствами по сечению сопротивление переменным нагрузкам не зависит от марки стали - химического состава, прочности, типа структуры и т.п. (рис. 6). Прокат с подобным неоднородным, гетерогенным строением также имеет повышенную демпфирующую способность и циклическую вязкость [1], что существенно повышает его сопротивление низкочастотным колебаниям, в том числе сейсмическим воздействиям.

Принятая технология упрочнения обсуждаемых профилей также имеет следствием выбор определенного химического состава сталей, а именно низкое содержание углерода и наличие микролегирования (табл. 2), способствует повышению сопротивления хрупким разрушениям различной природы, а также повышению огнестойкости при пожаре [6]. В табл. 2 представлена толстолистовая огнестойкая сталь 06МБФ, микролегированая ванадием, ниобием и молибденом. Стали для фасонных профилей имеют близкий химический состав, в таких материалах в незащищенных открытых кон-

Рис. 6. Результаты испытаний на усталость при знакопостоянном растяжении с радиусами соединения г=0,2 и г=0,6 из парных уголков с фланговыми швами

1 2009 85

4. Хладостойкость сварных соединений и свариваемость

Переход элементов конструкций, в том числе сварных, из вязкого соединения в хрупкие происходит в интервале температур, который можно разделить на три области [1]: вязких, квазихрупких и хрупких состояний. Особую практическую важность среди них имеет температура нулевой пластичности Тнп, разделяющая вязкую и квазихрупкую области. В квазихрупкой области разрушение происходит при напряжениях, близких к пределу текучести анр > ат при этом излом элемента полностью неэнергоемкий и деформация минимальна (зависит от остроты концентратора [1]).

В этой области, как и в хрупкой, эксплуатация стальных конструкций недопустима ввиду легкости перехода в хрупкое состояние из-за эксцентриситетов, случайных небольших динамических нагрузок и т.п.

Тнп , определяемая при испытаниях, связана с минимально допустимой расчетной нормативной температурой эксплуатации tf^ соотношением tf^ = Тнп - 30...40оС [7]. Тнп обычно оценивается при испытаниях крупных имитационных образцов в интервале температур. Тнп определяется при испытаниях на статический изгиб сварных образцов типа Кинцеля (рис. 7) по деформационному критерию [7]. Образцы вырезались из поверхностных зон проката с сохранением прокатной корки. Наплавка проводилась непосредственно на прокатную корку при погонной энергии дуги 14 Дж/см (в соответствии с рекомендациями СНиП 11-23-81*).

При испытаниях прежде всего оценивалась деформационная характеристика - величина относительного сужения у дна концентратора разрушенного образца ¥ - основная характеристика при данных испытаниях. Критериальная величина при испытаниях - минимальная температура испытаний, при которой ¥ > 1% (Гт=1%) - критерий Кинцеля; при-

Рис. 7. Образец Кинцеля для оценки хладостойкости сварных соединений

нимается, что Т

[7]. Из рис. 8

видно, что при всех исследуемых толщинах широкополочных двутавров из стали с а > 350 Н/мм2 Т = -20оС, что

т нп

полностью корреспондируется с результатами испытаний на ударный изгиб. Толстые листы производства <^1'Шпдег» обладают большой хладо-стойкостью сварных соединений: у нормализованных листов толщиной 60 и 150 мм Тнп = -70оС, у прокатанных термомеханическим способом (толщина 120 мм) Тнп = -40оС. У листов отечественного производства толщиной 40.60 мм с ат = 390 Н/мм2 Т = -40...-70°С в зависимости от со-

нп

держания серы (при Б < 0,005%, Тнп = -70оС), что также следует признать доказательством высокой хладостойкости сварных соединений.

Рис. 8. Влияние температуры на относительное сужение у дна надреза ¥ образцов Кинцеля с направленным швом при испытании на статический изгиб. Образцы толщиной 20 мм изготовлены из полок двутавровых балок толщиной 57, 80, 106, 125 мм

86 1 2009

Для изучения влияния термического цикла сварки на структуру и твердость металла из испытанных образцов изготовлялись шлифы. О склонности к образованию холодных сварных трещин судили по максимальной твердости в зоне термического влияния сварки (ЗТВ), а также по величине углеродного эквивалента (табл. 4).

При дюрометрическом анализе ЗТВ установлено, что максимальная твердость в сварном соединении во всех случаях ниже 300НУ, что в сочетании с низкими значениями Сэ < 0,40% указывает на отсутствие склонности металла профилей к образованию холодных трещин при сварке.

В целом полученные в работе результаты указывают на хорошую свариваемость металла, поскольку он не склонен к формированию при сварке холодных трещин (в ЗТВ НУ < 300 ед, Сэ < 0,40%), а также слоистых трещин (¥2 > 45%), кроме того установлена достаточно высокая хладостойкость сварных соединений (Тнп < -20°С).

Выводы

1. Стандартные механические свойства проката больших толщин 30.230 мм, примененного в высотных зданиях и большепролетных сооружениях, отвечают всем требованиям, предъявляемым к сталям обсуждаемой прочности (ат = 350.500 Н/мм2) основными стандартами, техническими условиями на поставку металла, строительными нормами и правилами. Речь идет прежде всего о прочностных характеристиках: предел текучести ат, временное сопротивление ав; пластических: относительное удлинение 55 ударная вязкость при отрицательных температурах КСУ-20 для стали с пределом текучести до 390 Н/мм2, КСУ-40 для случая ат > 390 Н/мм2; Z-свойствa: относительное сужение по толщине > 45%.

Рекомендуем ввести гарантию Z-свойств в обязательную систему инженерных оценок проката больших толщин для обсуждаемых несущих конструкций.

2. Упрочненный в потоке станов прокат для уникальных конструкций имеет достаточно высокий комплекс инженерных свойств. Благодаря действию остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях проката последний обладает повышенным сопротивлением хрупким разрушениям различной природы, а также переменным многоцикловым и низкочастотным нагрузкам. Обеспечению повышенных эксплуатационных свойств, в том числе огнестойкости, у такого проката способствуют особенности

Таблица 4

Углеродный эквивалент (Сэ ) в фасонных профилях с ат=350 Н/мм2

Толщина г едок двутавра им

57 ао 106 И5

0^340 0,341 а.заа

химического состава, необходимого для эффективной реализации процессов упрочнения в потоке стана, а именно низкое содержание углерода С < 0,10% и наличие оптимального микролегирования Х(У+МЬ+Мо) < 0,1%. Прокат также обладает хорошей свариваемостью, т.е. высоким сопротивлением образованию холодных и слоистых (ламме-лярных) сварочных трещин, а также достаточно высокой хладостойкостью сварных соединений.

Высоким комплексом инженерных свойств также обладает термически улучшенный прокат в толщинах до 60 мм производства комбината «Уральская сталь».

Примененный в сооружениях прокат способствует обеспечению надежной работы конструкций.

При выборе химического состава сталей для высотных зданий рекомендуем следующие ограничения химического состава: для толстых листов С < 0,12%, содержание вредных примесей в фасонных профилях Б и Р < 0,020% каждого, в толстолистовом прокате Б и Р < 0,010% каждого, в оптимальном случае Б < 0,005%, Р < 0,010%; микролегирование должно обеспечивать повышенную огнестойкость металла.

3. Ввиду новизны проблемы применения проката больших толщин в высотных зданиях в условиях нашей страны целесообразно провести исследования несущей способности элементов конструкции на крупных образцах-моделях с возможностью переноса полученных результатов на элементы натурных толщин.

Литература

1. Одесский П.Д., Ведяков И.И. Малоуглеродистые стали для металлических конструкций. М., «ИнтерметИнжиниринг», 1999.

2. Одесский П.Д., Кулик Д.В. Сталь нового поколения в уникальных сооружениях. М., «ИнтерметИнжиниринг», 2005.

3. Матросов Ю.И., Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных трубопроводов. М., «Металлургия», 1989.

4. Металловедение и термическая обработка стали: Справочное издание 3-е. В 3 т. Т.1. Методы испытаний и исследования. / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштдадта А.Г. М., «Металлургия», 1983.

5. Гладштейн Л.И. Слоистые разрушения сварных соединений строительных стальных конструкций. «Монтажные и специальные работы в строительстве», 2007, №9, с. 2-9.

6. Шабалов И.П., Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Стали для труб и строительных конструкций с повышенными эксплуатационными свойствами. М., ЗАО «Металлургияиздат», 2003.

7. Одесский П.Д., Ведяков И.И., Форхайм К. Об оценке температуры нулевой пластичности проката для ответственных металлических конструкций. // «Строительная механика и расчет сооружений», 2006, №3, с.65-70.

8. Козлов А.В. Огнестойкость стального проката. // «Производство проката», 2004, №9, с.40.

1 2009 87