如何选用结构钢材-钢结构设计原理

1．结构钢材选材原则

选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择合适的钢材牌号和材性时应考虑下列各因素。

（1）结构或构件的重要性。按照《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2001）的规定，建筑结构依其破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性分为重要的、一般的和次要的，其相应的安全等级为一、二、三级。安全等级高者（如重型工业建筑结构或构筑物、大跨度结构、高层民用建筑等）应选用较好的钢材，对一般工业与民用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。这是选材的一项重要原则。同时，构件破坏造成对整个结构的后果也是考虑的因素之一。当构件破坏导致整个结构不能正常使用时，则后果严重；如果构件破坏只造成局部性损害而不致危及整个结构的正常使用，则后果就不十分严重。两者对材质要求也应有所区别。

（2）荷载性质（静载或动载）。结构所受的荷载可为静态或动态的，经常作用、有时作用或偶然出现（如地震）的，经常满载或不经常满载等。应根据荷载的上述特点选用适当的钢材，对直接承受动力荷载的构件应选用综合性能（主要指塑性和韧性）较好的钢材，其中需要验算疲劳的对钢材的综合性能要求更高，对承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构构件可采用一般质量的钢材。

（3）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）。钢结构连接可为焊接或非焊接（螺栓或铆钉）。对于焊接结构，焊接时的不均匀加热和冷却常使构件内产生很高的焊接残余应力；焊接构造和很难避免的焊接缺陷常使结构存在裂纹性损伤；焊接结构的整体连续性和刚性较好易使缺陷或裂纹互相贯穿扩展；此外，碳和硫的含量过高会严重影响钢材的焊接性。因此，焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况的非焊接结构钢材，碳、硫、磷等有害元素的含量应较低，塑性和韧性应较好。

（4）应力特征。因为拉应力容易使构件产生断裂破坏，危险性较大，所以对受拉和受弯的构件应选用质量较好的钢材，而对受压或受压弯的构件就可选用一般质量的钢材。

（5）结构的工作温度。钢材的塑性和韧性随温度的降低而降低，在低温尤其是脆性转变温度区时韧性急剧降低，容易发生脆性断裂。因此，对经常处于或可能处于较低负温下工作的钢结构，尤其是焊接结构，应选用化学成分和力学性能质量较好和脆性转变温度低于结构工作温度的钢材。

（6）钢材厚度。薄钢材辊轧次数多，轧制的压缩比大，钢的内部组织致密，厚度大的钢材压缩比小，组织欠佳；所以厚度大的钢材不但强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差，且易产生三向残余应力。因此，厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。

（7）环境条件。露天结构的钢材容易产生时效。在有害介质作用下钢材容易腐蚀，若有一定大小的拉应力（包括残余拉应力）存在，将产生应力腐蚀现象，经过一定时期后会发生脆断，即延迟断裂。延迟断裂现象主要发生于高强度钢（如高强度螺栓），钢材的碳含量越高，塑性和韧性越差，越容易发生延迟断裂。

（8）承重结构的钢材宜采用平炉或氧气转炉 Q235、Q345、Q355、Q390、Q420、Q460钢。

2．结构钢材选材要求

1）基本要求

为保证承重结构的承载能力及防止在一定条件下出现脆性破坏，建筑钢结构中的承重构件和承力构件（竖向支撑等），其钢材牌号和材性的选定，应符合下列要求：

（1）应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、环境温度以及构件所处部位等情况，选择合适的牌号和材质。

（2）承重结构的钢材应保证抗拉强度、屈服点、伸长率和硫、磷的合格保证；对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证（由于 Q235A 钢的碳含量不作为交货条件，故一般不用于焊接结构）。

（3）焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

（4）对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于 0 °C 但高于－20 °C 时，Q235 钢、Q345 钢和 Q355 钢应具有 0 °C 冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20 °C 冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于－20 °C 时，对 Q235 钢、Q345 钢和 Q355 钢应具有－20 °C 冲击韧性的合格保证；对 Q390 钢和 Q420 钢应具有－40 °C 冲击韧性的合格保证。

（5）对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于－20 °C 时，对 Q235 钢、Q345 钢和 Q355 钢应具有 0 °C 冲击韧性的合格保证；对 Q390 钢和 Q420 钢应具有－20 °C 冲击韧性的合格保证。

（6）吊车起重量不小于 50 t 的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。

（7）当承重构件处于外露情况和低温环境，钢材应具有耐大气腐蚀，避免低温冷脆的性能。对外露结构构件宜选用耐候钢。

（8）慎用特厚钢板。对大于 100 mm 的特厚钢板，由于国内尚无钢材材质标准，现阶段宜慎用；也可采用调整柱距、结构布置或改变结构体系等方法，以便采用小于100 mm 的钢板。

（9）对钢梁宜优先采用热轧H型钢。目前国内已生产较多规格的热轧H型钢。在地震区的建筑钢结构，柱子常宜采用箱形截面柱，但钢梁常采用H形截面和相应的热轧H型钢，其质量也优于焊接H型钢，价格也略低些。因此，对占用钢量比例很大的钢梁宜优先采用热轧H型钢。

（10）在结构设计和钢材订货文件中，应注明所采用钢材的牌号、等级和对 Z 向性能附加保证要求。

2）焊接结构附加要求

（1）含碳量。钢材的含碳量不应超过焊接性能所规定的限值。

（2）断面收缩率。厚度较大的钢板，在轧制过程中存在着各向异性。由于在杆件的板件连接处常形成较强的约束，焊接时容易引起钢板的层状撕裂。

因此，要求采用焊接连接的节点，当板厚不小于 40 mm，并承受沿板厚方向的拉力作用时，应附加板厚方向的断面收缩率的要求，其值不得小于国家标准《厚度方向性能钢板》（GB 5313）Zl5 级规定的允许值。

① 截面收缩率，单个试样值和 3 个试样平均值，应分别不小于 10% 和 15%。

② 硫的含量（熔炼分析）不大于 0.01%。过多的硫化物在钢板热压过程中会形成平行于钢板表面的、可视为微裂缝的非金属薄片夹层，降低板厚方向的抗拉强度。

3）抗震结构附加要求(www.xing528.com)

（1）钢材的“强屈比”应不小于 1.2，抗震设防烈度为8度和8度以上时，则不应小于 1.5，以确保结构具有足够的安全储备。强屈比是指钢材的极限抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值。

（2）钢材的拉伸试验应具有明显的屈服台阶。

（3）钢材的伸长率应大于 20%（标距 50 mm），以保证构件具有足够的塑性变形能力。

（4）钢材应具有能保持足够延性的良好可焊性。

（5）抗震类别为甲类或乙类的多高层建筑钢结构，钢材的屈服强度平均值不宜超过其规定值（标准值的）的 10%，以免构件的塑性铰位置发生不符合“强柱弱梁”等设计要求的转移。

3．结构钢材品种选用

（1）建筑钢结构所用钢材，宜采用下列钢材品种：

① Q235等级B、C、D的碳素结构钢，其质量标准应符合现行国家标准《碳素结构钢》。

② Q345等级 B、C、D、E的低合金高强度结构钢，其质量标准应符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》。

（2）建筑钢结构所用钢材，不宜采用的钢号：

① Q235的A级钢不能用于抗震建筑钢结构，因A级钢不要求任何冲击试验值，并只在用户有要求时才进行冷弯试验，且不保证焊接要求的含碳量。

② Q345的A级钢不宜用于抗震建筑钢结构，因A级钢不保证冲击韧性要求。

③ Q390（原15 MnV）钢及其桥梁钢不宜用于抗震建筑钢结构，因15 MnV及15 MnVq的伸长率为18%，不符合伸长率应大于 20% 的规定。

④ 16 Mnq钢不能用于抗震建筑钢结构，因其伸长率为 18%，且在现行国家标准《低合金高强度结构钢》中未列入。

4．不应采用 Q235 沸腾钢的承重结构和构件

（1）焊接结构：

① 直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。

② 工作温度低于－20 °C 时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构，以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。

③ 工作温度等于或低于－30 °C 的所有承重结构。

（2）非焊接结构：

工作温度等于或低于－20 °C 的直接承受动力荷载但需要验算疲劳的结构。

5．常用结构钢的品种和牌号

世界各国的结构钢的品种和牌号表示方式虽然各有不同，但其共同点是钢材品种和牌号均以强度等级来划分，其表示方式一般为：

钢材质量等级，分为A、B、C、D、E等。

钢材最低强度值，有的国家用屈服强度值，如中国、欧洲、美国，有的国家用抗拉强度值，如日本，而强度数值的单位，有的国家用“N/mm2”，如中国、日本，有的国家用“ksi”（千磅/英寸2），如美国。

字首符号，各国表示的各不相同：有的国家采用单一字母，如美国采用A，中国采用Q，欧洲采用S；有的国家采用多种字母，不同的字母有不同的含义，如日本采用SS表示一般结构钢，SM表示焊接结构钢，SN表示抗震结构钢，SMA表示耐候焊接结构钢。国内外结构钢大致对应钢号如表2.1所示。

表2.1　国内外结构钢钢号对比