捋一捋厚钢板的Z向性能

互推小编 2023-11-08

引言：

在厚板中，经常会遇到Z15Z25Z35这样的性能要求，有的直接在牌号上就已经标明，比如GB/T 19879-2005《建筑结构用钢板》里的Q345GJC-Z25：

带有这种后缀的钢一般称为Z向钢，又称“抗层状撕裂钢 (lamellar tearing resistant steel)”。Z向性能（厚度方向性能），这个性能好坏对钢材使用有什么影响？所谓的断面收缩率是什么意思？可能会有很多疑问出现在我们脑海中。

1、Z向性能好坏对钢材使用有什么影响？

随着高层建筑钢结构、海上采油在这类建(构)筑物中因结构承载力的需要，常常采用厚板焊接结构，厚板结构在制造焊接中，由于钢材质量和焊接构造等原因，厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的。所以提出了抗层状撕裂钢的概念。

为什么厚板易出现层状撕裂呢？这是因为我们现有的钢铁制造技术中，炼钢、连铸机、轧机大小及技术都是有一定极限。

（从专业到通俗，实在太难，太费时间，如果钢铁技术基础好的绕过以下橙色字段）

打个比方，我们要做饺子皮我们从面粉、和面、揉面、擀面都可以在家中轻易实现。

但是如果我们要做一个10厘米厚，1米直径的饺子皮就很难家中实现。因为家里够大的盆将面和均匀，双手不能将面揉的够劲道，擀面杖也擀不了那么厚，如果强行做一个，会发现有的地方还是一块面粉，而细微之处也会有干面粉，这块饺子皮就出现了分层、夹杂、气泡等情况。而分层的饺子皮包出的饺子，最终是要露馅的。

我们的钢板也是这样的，只有足够大的炼钢炉去炼足够多的、成分均匀的钢水，同时也要有足够大的连铸机或铸造设备去铸造一个够大够厚的坯，然后还要一个够大的轧机去压缩厚度，否则容易有分层、夹杂、气泡等缺陷严重。

当然，从专业上这么解释是不严谨的，这只是方便非专业人士理解，才做这样的解答。

而Z向性能不好到底对钢材有什么影响呢，为了方便理解，我们还是以面做比喻，不过这回是面饼。抗层状撕裂不好的钢就像千层饼，手轻轻一撕就可以撕下一层。

而我们钢可不希望轻轻容易就撕下一层，我们希望他犹如新疆的囊一样，够硬，够有嚼劲，不像千层饼一样拿着都能掉渣，否则就是豆腐渣工程。

2、Z向性能的具体要求：

Z25就是指厚度方向的性能，断面收缩率的特殊要求。比如GB/T 19879-2015《建筑结构用钢板》里的要求：

断面收缩率Z等于原始横截面积S0减掉断后最小横截面积SU，再除以S0，乘与100得到的百分数。这个值越大，说明这块钢越好。

这里可能你不理解为何这个值为什么越大，钢越好，还是以面食为例子。我们自己在家和面做个面条，因为缺少压面工具和一定的技术，顶多拉个粗面。

而兰州拉面店里因为有压面的设备以及好的技术，面拉的很细

当然，做兰州拉面不是仅对拉的技术有要求，对面也有要求，对发面及添加剂也有要求。

而我们的Z向钢也对钢化学成分有要求，Z向钢要求硫含量比非Z向钢要求要严格，要求低硫含量，以减少钢种的夹杂物等缺陷。具体要求见下表：

而且在实际生产中，对钢水纯净度也要求很高（就像兰州拉面需要高筋面粉），同时需要添加各种合金（Mn、AL、Nb、V、Ti等）以提高强度、细化晶粒、降低硫化物夹杂等，提高钢材Z向性能（就像兰州拉面实际需要添加一些可食用的添加剂）。

合金的添加量，标准中只给了各种元素的上限（详见标准表1），至于各个钢厂要添加几种合金，各添加多少，就要看各个钢厂的技术了，不过也不是无限制的往上限靠，它总含量还是受焊接裂文敏感系数Pcm和碳当量CEV的上限限制的（见下图的表3）。这就像兰州拉面一样，添加剂不能无限制的放，放多了对人身体有害，而且也不一定能拉的细。

3、Z向性能的相关规范条文：

3.1 Z向性能钢材要求

1、钢结构钢材选用与检验技术规程 CECS 300：2011

2．1．11 厚度方向性能钢板 steel plate with through-thick-ness characteristics
通过严格控制硫含量(S≤0．01％)减少夹杂缺陷，从而提高沿厚度方向抗层状撕裂性能的镇静钢板。按现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB 5313，共有Z15、Z25、Z35三个级别。

3．2．4 厚度方向性能钢板的Z向性能级别为Z15、Z25与Z35时，其含硫量应分别不大于0．01％、0．007％与0．005％。

3．3．5 厚度方向性能钢板的Z向性能级别为Z15、Z25与Z35级时，其厚度方向断面收缩率应分别不小于15％、25％、35％。

3.2规范规定

1、建筑抗震设计规范[2016年版] GB 50011-2010

3.9.5 采用焊接连接的钢结构，当接头的焊接约束度较大、钢板厚度不小于40mm且承受沿板厚方向的拉力时，钢板厚度方向截面收缩率不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T 5313关于Z15级规定的容许值。

2、钢结构设计标准 GB 50017-2017

4.1.2 焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其质量应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T5313的规定。

【条文说明】4.1.2 在钢结构制造中，由于钢材质量和焊接构造等原因，当构件沿厚度方向产生较大应变时，厚板容易出现层状撕裂，沿厚度方向受拉的接头更为不利。为此，需要时应采用厚度方向性能钢板。防止板材产生层状撕裂的节点、选材和工艺措施可参照现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661。

4.3.5在T形、十字形和角形焊接的连接节点中，当其板件厚度不小于40mm且沿板厚方向有较高撕裂拉力作用，包括较高约束拉应力作用时，该部位板件钢材宜具有厚度方向抗撕裂性能即Z向性能的合格保证，其沿板厚方向断面收缩率不小于按现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T5313规定的Z15级允许限值。钢板厚度方向承载性能等级应根据节点形式、板厚、熔深或焊缝尺寸、焊接时节点拘束度以及预热、后热情况等综合确定。

【条文说明】4.3.5 由于当焊接熔融面平行于材料表面时，层状撕裂较易发生，因此T形、十字形、角形焊接连接节点宜满足下列要求：

1 当翼缘板厚度等于或大于40mm且连接焊缝熔透高度等于或大于25mm或连接角焊缝单面高度大于35mm时，设计宜采用对厚度方向性能有要求的抗层状撕裂钢板，其Z向承载性能等级不宜低于Z15(限制钢板的含硫量不大于0.01％)；当翼缘板厚度等于或大于40mm且连接焊缝熔透高度大于40mm或连接角焊缝单面高度大于60mm时，Z向承载性能等级宜为Z25(限制钢板的含硫量不大于0.007％)。

2 翼缘板厚度大于或等于25mm，且连接焊缝熔透高度等于或大于16mm时，宜限制钢板的含硫量不大于0.01％。

3、20G108-3 《钢结构设计标准》图示