SN钢材
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SN钢材，是当代社会用以建筑的结构钢材规范之一，因为具有特殊的工法要求，提升了钢铁的“强度”、“韧性”、“焊接性”，而具有较佳的耐震效果，不同于较早期的SS系列及SM系列钢材因为没有规定最高降伏强度或拉力强度，使得建材产生强度可能过高、降伏比的问题，及合金元素规定不足的情形使得不易管制。因此新一代的SN系列材料的规范也就因应而生。SN钢材目前主要运用在房屋结构、厂房、车站等其他建筑物上，因为安全需求高所以在部分先进国家会进行使用SN钢材的要求限制。[1]
钢结构工程的演进
[编辑]钢结构的历史，应始于平炉炼钢法发明前数十年，1779年英格兰塞文河上建造世界首座铸铁桥梁。后又采用铁制作桁架，其中承受拉力的杆件采用锻铁。1823 年，发明蒸汽机火车头的乔治·史蒂芬森建造了第一座铸铁造之铁路桥梁。十八世纪金属结构渐使用于建筑物上，1851年在英国伦敦博览会上建造的水晶宫是以铁作骨架，十九世纪50年代随著平炉炼钢法的问世，钢结构得以迅速发展，例如1874年美国圣路易斯由J.B.Eads设计之伊兹桥是世界上第一座钢桁桥，跨径达152米，横跨密西西比河。1889年英国福斯湾上之福斯桥采用悬臂式桁架桥梁，其悬臂桁架采用直程3.66 m之钢管。但由于钢结构理论之发展不够完善，因此在二十世纪初建造的钢结构桥梁偶有失败，但采用钢结构建造的建筑结构却少有失败之例子。
十九世纪末，各种型钢的生产进展快速，与各种不同宽度厚度的钢板组合可制任何规格和强度的钢结构组件。1885年生产的最重之型钢每英尺还不到100磅，而到二十世纪60年代已超过每英尺700磅之巨型型钢断面（板厚在10公分以上）。第二次世界大战后，摩天大楼由于钢材之进步与钢结构理论的发展而迅速蓬勃起来，二十世纪20年代又出现争向高度发展的趋势，1931年在纽约建造的102层，381米高的帝国大厦保持了40 年的最高纪录，这座大楼在短短的一年零45天内达成，说明钢结构设计和施工技术均有很大的进步。
第二次世界大战后，广泛采用焊接代替螺栓和铆钉。战后以来各种钢材在不同载重下的应力状况，包括极限强度的研究，有了长足的进展，因而能对钢结构作更为精确和系统的分析，且可依不同的需要应用不同强度的钢材，钢结构已成为工业化国家土木或建筑物的主要建材，如日本采用钢结构或钢骨钢筋混凝土结构之建筑物占80％以上，而钢桥的比例亦占50％以上，SN钢材也在追求新技术的时代里孕育而生。[2]
SN钢材料规范之演进
[编辑]在钢材的村料规范上，由于早期SS系列及SM系列钢材未规定最高降伏强度或拉力强度之关系，以致产生强度可能过高与降伏比的问题，甚至产生合金元素规定不足的问题。因此新一代的SN钢材料规范也就因应而生，最早由日本JIS标准于1994年6月颁布了”建筑结构用轧延钢材”的编号G3136 SN（Steels for New Structure）新规范，其与编号G3101（一般构造用SS钢材）及编号G3106（熔接构造用SM钢材）的碳当量及化学成份比较后发现，SN钢材规范较为严格，如SM系列钢材之P及S含量为0.035％以下，但SN400B与SN490B之P须小于 0.030%，而S须小于0.015%， SN400C及SN490C之磷（P）与硫（S）更须分别小于 0.020％及0.008%，SN钢材并规定降伏比须小于0.8，而降伏强度及拉力强度亦增加上限值的规定以控制强度变异，而为因应焊接设计日趋复杂及钢板厚度方向韧性较差，容易产生焊接撕裂的现象，因此SN400C及 SN490C更增加厚度方向拉伸试验的要求，规定厚度方向之断面缩减率必须大于25% 。 SN钢材更增加碳当量及冷裂敏感度之要求，尤其对于需要较佳焊接性及耐震性能者应采用SN之B或C系列钢材，焊接施工复杂者更应采用SN之C系列钢材。[3]
1995年日本阪神大地震，造成许多钢结构建筑物损害，其中很多都是钢材直接撕裂破坏，让人很难相信，韧性的材料会造成如此严重的破坏。所以许多专家学者在阪神大地震后相继研究破坏的原因，发现只有SN钢材才能符合耐震材料的特性，所以在日本建筑规范中明订将SS及SM钢材自建筑结构用取消，相信将来重要结构之耐震设计会以SN材为主。[4][5]
制程
[编辑]一般轧延
[编辑]1960年代以前，没有微合金添加（Microalloying） 的理念，亦无控制轧延（Controlled Rolling）的技术，强度上完全依赖碳与合金元素，故碳当量Ceq非常高，如SM490之 Ceq高达约0.5%，不适于焊接作业。[6]
正常化处理
[编辑]1960年以后有了正常化处理（Normalizing），即钢板加热至约900°C，停留一段时间，再空冷下来，可借此而细化晶粒提高强度，因此SM490之Ceq、由过去的0.5%降到约0.42％水准，钢构才能由铆接的时代过渡到焊接时代。
控制轧延
[编辑]1970年代又发展了微合金添加（如Nb、V...…等）及控制轧延的技术，50kg/mm2等级钢板之Ceq。因此可降低到 0.38％左右的水准，更提升钢板焊接性。
热机控制轧延
[编辑]1980年代开发了钢板线上加速冷却系统（On-Line Accelerated Cooling System），生产50kg/mm2等级钢板，其碳当量更可降低到0.33％左右的水率。该生产制程简称TMCP（ Thermo-mechanical controlled process）。
特性
[编辑]SN系列钢材在机械性质方面有下列特性。[2]
降伏强度
[编辑]降伏强度之上、下限的规定可以控制钢材降伏强度的变异性。钢材降伏强度的变异性过大时会导致如下的顾虑：（a）强柱弱梁的设计理念无法落实；（b）三维构架在非弹性阶段可能产生额外的地震偏心力或扭矩；（c）容量设计的理念无法落实。
SN系列钢材厚度在12mm以上之B级钢板及厚度在16mm以上之C级钢板，其降伏强度即有上限及下限之规定。
降伏比
[编辑]钢材之降伏比为实测降伏强度与实测抗拉强度之比值。钢材降伏比较低可使梁柱接头的塑性铰区范围扩增，这样除可减少应力集中现象外，亦可增加塑性转角容量，提升梁柱接头之延展性及消能容量。日本JIS的SN系列规定降伏比不得大于0.8；美国ASTM A992建筑结构用钢则规定降伏比不得大于0.85。另一个影响梁柱接头延展性及消能容量的重要因素为梁柱接头型式，美国对梁柱接头型式有明确的规定（例如：切削式或补强式梁柱接头），故钢材降伏比采用比SN系列钢材稍微宽松的规定（不得大于0.85）。
冲击值
[编辑]Charpy冲击值越高表示产生相同断裂面所需的能量越高，Charpy冲击值越高就越不容易产生不稳定的裂缝成长（或称脆性断裂），因此对焊接瑕疵的容忍度也较高。Charpy冲击值受测试时的温度及加载速率（loading rate）的影响很大，测试时的温度越低、加载速率越高Charpy冲击值越小。一般应视结构体在使用情况下之最低温度来规定Charpy冲击试验的温度，但是Charpy冲击试验的加载速率远高于结构体受力时之加载速率，因此Charpy冲击试验的温度可以稍加提升，补偿加载速率不同所造成的差异。以日本为例，日本的最低气温低于摄氏零度不少，但是日本规范却规定钢材Charpy冲击试验的测试温度为摄氏零度。国内绝大部分的结构物使用的最低温度约在摄氏10度，因此Charpy冲击试验的温度可以比摄氏10度高，但是目前中国国家标准（CNS）直接引用日本的规定，并未针对台湾地区的实际情况调整，尚待修正。
化学成分改变
[编辑]SN钢材对化学成分的控制相当严谨，如降低碳、磷及硫等不利于钢结构焊接含量，增加焊接性，尤其是高入热量焊接，故较适用于使用潜弧焊等高入热量焊接之组合型钢。
SN钢材特性
[编辑]SN钢材目前主要是用在房屋结构、厂房、车站等其他建筑物，大楼及大型建筑物已经使用普遍，使用等级为SN490B或C等级，如兴建中的云林高铁，采用SN490B、C系列钢材。但低矮层使用之SN400系列钢材，国内虽有钢铁厂生产，但只有少数消费者知晓，以前都是以 SS400、SM400或ASTM A36兴建，在日本低矮层建筑使用钢结构比例不低，但在阪神地震中，前述钢材已被证实不具耐震能力，且之后设计之低矮层建筑物都已SN钢材，目前国内生产链已供应，将来设计者应优先采用SN等级之钢材。[2]
耐震建筑结构钢材规范国家标准
[编辑]台湾内政部营建署自1997年起即参考日本SN钢材标准，建立我国耐震建筑结构钢材规范国家标准（标准编号CNS 13812 G3262）。并自2003年起逐渐研修，拟对建筑物之重要钢骨结构，逐步引导使用SN等级的钢材。在2014年，CNS 13812增添了降伏强度250 N/mm2等级的SN400YB、SN 400YC及降伏强度325 N/mm2等级的SN490YB、SN 490YC钢材选项，作为耐震钢材的标准。[7]
另见
[编辑]参考来源
[编辑]- ^ 阪神地震後「SN鋼材」，耐震建築唯一指標，中時電子報2014年09月22日報導. [2014年10月14日]. （原始内容存档于2014年10月15日）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 谈“房屋结构用钢材选用ASTM规格”，陈正平，技师报No.605
- ^ 建筑结构用轧钢料SN系列钢材特性介绍（下），陈正平，技师报No.462
- ^ 钢结构行为与设计，陈生金 科技图书公司，2009，第一版
- ^ 你家的建築結構鋼ㄟ穩？ 選購鋼材 耐不耐震有學問，中時電子報2014年09月22日報導. [2014年11月17日]. （原始内容存档于2014年12月9日）.
- ^ 结构用钢材之规格与性能手册-第二版中华民国钢结构协会
- ^ 高品質鋼材建構的家 才是最安全的避風港，中時電子報2014年09月22日報導. [2014年11月17日]. （原始内容存档于2014年12月6日）.
延伸阅读
[编辑]- 从建筑结构设计的角度谈钢板规格的订定，张敬昌、谢绍松、王正雄、庄宪正，中华民国钢结构协会，2005.
- 钢板TMCP制程与产品品质特性介绍，王锡钦，谢荣渊，工程，1994
- SN钢材谈钢结构钢材，陈茂松，钢结构会刊第5期，1996.
- 【2014.09.24】台湾处地震带 钢材得挑耐震款（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 东和钢铁 SN钢材介绍（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 道路桥の予防保全に向けた有识者会议（页面存档备份，存于互联网档案馆）（日语）
- 2001年3月24日芸予地震被害调查报告（页面存档备份，存于互联网档案馆）（日语）
- 大规模地震に対する长大吊桥主塔の耐震性能照查法に関する研究（页面存档备份，存于互联网档案馆）（日语）
- 建筑构造设计基准の资料（日语）