《鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副》標(biāo)準(zhǔn)解讀

瀏覽次數(shù)：3054 發(fā)布時間：2023-12-11

標(biāo)準(zhǔn)概述

隨著中國橋梁建設(shè)的發(fā)展，諸多沿海及跨海橋梁工程項(xiàng)目都在擬建在建中，由于橋址所處環(huán)境屬于高氯化物腐蝕環(huán)境，常規(guī)的合金鋼在使用過程中受到限制，而耐大氣環(huán)境腐蝕橋梁鋼需求不斷加強(qiáng)。

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由于美國的耐候鋼高強(qiáng)度螺栓不能保證扭矩系數(shù)無法滿足我國扭矩法施工的要求，日本的耐候鋼高強(qiáng)度螺栓在合金成分上與我國耐候橋梁用鋼不匹配，所以，也無法通過單純進(jìn)口螺栓來解決，需要進(jìn)行研發(fā)。

現(xiàn)今國內(nèi)沒有“鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，很多橋梁設(shè)計(jì)和制造單位也不清楚該鋼種各項(xiàng)性能指標(biāo)及如何使用。因此，為滿足國內(nèi)外耐大氣環(huán)境腐蝕用橋梁鋼市場和生產(chǎn)的需要，在國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)資料、產(chǎn)品實(shí)際供貨技術(shù)協(xié)議及試驗(yàn)研究結(jié)果基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步規(guī)范、提高產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量，全國緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會牽頭編制GB/T43151-2023《鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副》國家標(biāo)準(zhǔn)。

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標(biāo)準(zhǔn)由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)，2023年9月7日發(fā)布，2024年4月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)是國家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)中緊固件領(lǐng)域提出的制定項(xiàng)目之一，進(jìn)一步完善現(xiàn)有緊固件國家標(biāo)準(zhǔn)，為耐候鋼緊固件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選用和生產(chǎn)制造提供技術(shù)依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了螺紋規(guī)格為M12～M36、性能等級NH8.8S/NH8H和NH10.9S/NH10H鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副的型式尺寸、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、驗(yàn)收檢查、標(biāo)志、質(zhì)量證明文件、包裝、運(yùn)輸和貯存；制定了耐候鋼緊固件的機(jī)械和物理性能要求，對長期受到所處環(huán)境中的水、氧、鹽分及酸液所形成的 H+、O2-、Cl-等離子滲透的高強(qiáng)緊固件解決了耐大氣腐蝕和延遲斷裂問題，耐候鋼緊固件多用于偏遠(yuǎn)/無人地區(qū)、免維護(hù)的應(yīng)用場景，要求與被夾緊件材料配套使用，增加了緊固件連接的可靠性，滿足了鋼結(jié)構(gòu)橋梁、電塔等基建設(shè)施等行業(yè)的使用要求。

1.1

型式

目前，耐候鋼產(chǎn)品多用于偏遠(yuǎn)/無人地區(qū)、免維護(hù)的應(yīng)用場景，要求與被夾緊件材料配套使用，多用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁、電塔等基建設(shè)施行業(yè)，因此，將產(chǎn)品型式縮小為鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副，性能等級 NH8.8S/NH8H和NH10.9S/NH10H。耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副由耐候鋼制造的高強(qiáng)度螺栓、高強(qiáng)度螺母和高強(qiáng)度墊圈組成的連接副。鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副包括1個螺栓、1個螺母和1個/2個墊圈，型式尺寸按GB/T 1228～1230、GB/T 3632、GB/T 32076.3～GB/T 32076.6、GB/T 32076.8和GB/T 32076.9等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

1.2

材料

在該標(biāo)準(zhǔn)研制過程中，鋼鐵工業(yè)協(xié)會、鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會、電力企業(yè)聯(lián)合會等團(tuán)體相繼發(fā)布耐候鋼材料、耐候鋼緊固件相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，考慮到標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用廣泛性，標(biāo)準(zhǔn)所采用的材料體系差異，以及材料應(yīng)用實(shí)踐可靠性等因素，參考 ASTM F3125/F3125M-2022type3基于耐腐蝕指數(shù)的化學(xué)成分要求，耐候鋼高強(qiáng)度螺栓、螺母和墊圈宜采用相同化學(xué)成分的材料，化學(xué)成分（熔煉分析）限值應(yīng)符合表1的規(guī)定, 成品化學(xué)成分允許偏差應(yīng)符合GB/T 222的規(guī)定。材料應(yīng)有足夠的淬透性，在淬火后回火前獲得約90%的馬氏體組織。根據(jù)材料的化學(xué)成分依據(jù)GB/T 4171 計(jì)算得到的連接副用耐候鋼耐大氣腐蝕性指數(shù)I應(yīng)不小于構(gòu)件鋼材的耐大氣腐蝕性指數(shù)，且應(yīng)不小于6.0。在C含量上下限符合GB/T 3098.1的基本要求前提下，整合T/CISA193、T/CEC305.4-2020 等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中耐候鋼緊固件材料要求，還將國內(nèi)耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副其他材料化學(xué)成分作為標(biāo)準(zhǔn)附錄給出信息。

表 1 螺栓/螺母/墊圈用耐候鋼材料化學(xué)成分

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1.3

機(jī)械性能

考慮到鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副使用場景，機(jī)械性能與 GB/T 1231、GB/T 3632、GB/T32076.3～32076.6、GB/T 32076.8和 GB/T 32076.9 等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致。螺栓機(jī)械性能見表2，參考 ASTM F3125/F3125M-2022,NH10.9S 級抗拉強(qiáng)度范圍為 1040～1190 MPa，上限值并未采用 GB/T 1231-2006中的 1240 MPa；斷面收縮率按 GB/T 3098.1，其他按 GB/T 3632；洛氏硬度和維氏硬度與 GB/T 1231-2006 基本保持一致。

表 2 螺栓機(jī)械性能

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脫碳層要求按GB/T 3098.1中10.9 級規(guī)定，由耐候鋼制造的螺栓螺紋未脫碳層高度E≥2/3H1(H1-最大實(shí)體條件下外螺紋的牙型高度)；螺紋全脫碳層的深度G≤0.015mm。鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副扭矩系數(shù)按GB/T1231，同批連接副的扭矩系數(shù)平均值為0.110～0.150，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于 0.0100。

鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度扭剪型螺栓連接副緊固軸力給出Fr min 和 Fr平均 min，與 GB/T 32076.8一致，計(jì)算時Rm取GB/T 3098.1中10.9級抗拉強(qiáng)度公稱值1000 Mpa，緊固軸力變異系數(shù)應(yīng)小于或等于0.10(變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)。采用緊固軸力的變異系數(shù)判定其離散性，可避免規(guī)格對標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響。

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標(biāo)準(zhǔn)的沿革

耐候鋼是在普通低合金鋼的基礎(chǔ)上，同時添加適量的 Cu、Cr、Ni 等合金元素，通過在表面形成致密穩(wěn)定的保護(hù)銹層，阻止大氣環(huán)境中的氧、水、鹽分和酸液所形成的 H+、O2-、Cl-等離子的滲透，發(fā)揮“止銹”作用，顯著提高耐大氣腐蝕性能。耐候鋼在“通風(fēng)排水、干濕交替、低鹽分、弱酸性”等必要的環(huán)境條件下，允許“免涂裝”使用。與傳統(tǒng)的“普通鋼結(jié)構(gòu)+涂裝”方案相比，“耐候鋼結(jié)構(gòu)+免涂裝”方案具有綜合成本降低、建造周期縮短、綠色環(huán)保明顯等優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益均十分顯著。作為高性能鋼材的發(fā)展方向，耐候鋼在國外已得到廣泛應(yīng)用。美國免涂裝耐候鋼橋已經(jīng)超過1萬座，在每年新增的近30座鋼橋中大部分采用耐候橋梁鋼制造，已形成了系統(tǒng)的耐候鋼材、耐候焊材、耐候高強(qiáng)螺栓、設(shè)計(jì)、選材、制造、維護(hù)等成熟技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。日本、加拿大、西歐也廣泛發(fā)展和應(yīng)用了類似技術(shù)。

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《鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副》標(biāo)準(zhǔn)的制定為完善和優(yōu)化緊固件標(biāo)準(zhǔn)體系、引領(lǐng)緊固件專業(yè)化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品檔次和滿足市場需求起到積極的作用，填補(bǔ)高強(qiáng)耐候鋼緊固件技術(shù)規(guī)范領(lǐng)域的空白，帶動相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)建設(shè)，提高橋梁服役及高速列車運(yùn)行安全性，助推國家高速鐵路及重點(diǎn)鐵路及公路的橋梁工程建設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)參與制定的主要單位有，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所、中鐵山橋集團(tuán)有限公司、燕山大學(xué)、晉億實(shí)業(yè)股份有限公司、江蘇中成緊固技術(shù)發(fā)展股份有限公司、首鋼集團(tuán)有限公司、邢臺鋼鐵有限責(zé)任公司、南京福貝爾五金制品有限公司等33家企業(yè)和85名專家學(xué)者。

標(biāo)準(zhǔn)等效采用國際、國外標(biāo)準(zhǔn)，美、日等國在耐候鋼橋中強(qiáng)制性要求使用耐候高強(qiáng)螺栓，并制訂了相應(yīng)的材料和使用規(guī)范。美國耐候鋼橋常用的、強(qiáng)度等級與我國標(biāo)準(zhǔn)8.8S 和10.9S級相當(dāng)?shù)哪秃蚋邚?qiáng)螺栓，其化學(xué)成分、力學(xué)性能和連接性能應(yīng)符合ASTM F3125/F3125M-2020《經(jīng)熱處理的最小抗拉強(qiáng)度為 120ksi（830MPa）和 150ksi（1040MPa）且具有英制和米制尺寸的鋼和合金鋼制高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)螺栓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格》的要求。

該標(biāo)準(zhǔn)特別要求耐候高強(qiáng)螺栓用鋼應(yīng)添加足量的 Cu（0.17%～0.63wt%）、Cr（0.42%～1.05wt%）、Ni（0.17%～0.83wt%），使耐候性能符合ASTM A709 標(biāo)準(zhǔn)對高性能耐候橋梁鋼 HPS 50/70W 的相關(guān)規(guī)定。耐候高強(qiáng)螺栓的安裝施工方法還應(yīng)符合美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會結(jié)構(gòu)連接理事會制定的《使用 ASTM A325或A490螺栓的結(jié)構(gòu)接頭規(guī)范》。

此外，針對耐候螺栓在不同環(huán)境的使用，推薦下述表面處理方案：在氣候溫和干燥的地區(qū)可選用免表面處理的耐候螺栓；免涂裝耐候鋼橋允許選用經(jīng)發(fā)黑處理的耐候螺栓；氣候條件復(fù)雜地區(qū)建議選用經(jīng)表面處理、達(dá)克羅涂覆或高分子涂裝后的耐候螺栓。

日本雖然沒有關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)耐候螺栓的國家標(biāo)準(zhǔn)，但是各大鋼企均開發(fā)了鋼結(jié)構(gòu)用耐候螺栓，鋼橋常用的耐候高強(qiáng)螺栓對成分和性能的要求與ASTM F3125/F3125M-2020 相當(dāng)。日本耐候螺栓研發(fā)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS B 1186《摩擦夾緊接頭用高強(qiáng)度六角螺栓、六角螺母及平墊圈組件》，近年來還研究開發(fā)了具有耐候性能和抗延遲斷裂的高強(qiáng)螺栓，其中耐候性能優(yōu)異的有新日鐵的NWB110、神戶鋼鐵的KHB10W和JFE的耐候高強(qiáng)螺栓用鋼，抗延遲斷裂性能優(yōu)良的有住友金屬的ADS系列、神戶鋼廠的KNDS系列，其強(qiáng)度級別為10.9S級。

美國、日本經(jīng)過多年在耐候鋼橋梁建造方面的探索及總結(jié)、積累，形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。但相關(guān)耐候鋼高強(qiáng)度螺栓技術(shù)數(shù)據(jù)、資料等均停留在20世紀(jì)90年代。目前，我國在耐候鋼橋推廣應(yīng)用方面的相關(guān)技術(shù)多參考美國標(biāo)準(zhǔn)，如：設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、耐腐蝕指數(shù)確定等等。

《鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副》項(xiàng)目是國家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)中緊固件領(lǐng)域提出的制定項(xiàng)目之一，進(jìn)一步完善現(xiàn)有緊固件國家標(biāo)準(zhǔn)，為耐候鋼緊固件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選用和生產(chǎn)制造提供技術(shù)依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了耐候鋼緊固件的機(jī)械和物理性能要求，對長期受到所處環(huán)境中的水、氧、鹽分及酸液所形成的 H+、O2-、Cl-等離子滲透的高強(qiáng)緊固件解決了耐大氣腐蝕和延遲斷裂問題，增加了緊固件連接的可靠性，滿足了鋼結(jié)構(gòu)橋梁、電塔等基建設(shè)施等行業(yè)的使用要求。

我國耐候鋼橋的建造起步較晚，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和對外技術(shù)交流的深入開展高性能耐候鋼在鋼橋梁上的應(yīng)用已引起國內(nèi)有關(guān)部門的高度重視，但也有一些技術(shù)難題需要研究解決，隨著耐候鋼橋建造成套技術(shù)的規(guī)范和完善，對于鋼結(jié)構(gòu)用耐候鋼高強(qiáng)度螺栓連接副，國家相關(guān)科研院所應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，開展長時間的大氣暴露腐蝕試驗(yàn)，以積累更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分區(qū)確定適合我國氣候特點(diǎn)的耐腐鋼橋和高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用指南，在適宜地區(qū)建造免涂裝耐候鋼橋，兼顧環(huán)保及全壽命周期成本較低的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

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