《鋼結構設計標準》解說專題（0）—鋼結構的材料選擇
《鋼結構設計標準》解說專題（0）—鋼結構的材料選擇
原創： Steeler， 鋼結構設計 公眾號微信搜素"鋼結構設計"公眾號，關注我《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）第4章 材料，介紹了鋼結構材料的相關內容。 鋼結構用的鋼材（結構鋼），有Q235、Q345、Q390、Q420、Q460等牌號，每個牌號，有A、B、C、D和E的質量等級（Q235無E等級）。對於厚板，有《厚度方向性能鋼板》（GB/T 5313-2010）規定的Z15、Z25、Z35的斷面收縮率要求。對於耐腐蝕性，有《耐候結構鋼》（GB/T 4171-2008）規定的Q235NH、Q355NH和Q415NH。另外，還有一個《建築結構用鋼板》（GB/T 19879-2005）的GJ系列鋼材。這些涉及鋼材的要求，結構工程師在施工圖中應明確表示。鋼材牌號的選擇，主要是強度問題，一般工程師都會從受力的角度，經濟合理地進行選擇。其餘的質量等級、Z向性能、GJ鋼材、耐候鋼、焊接材料，國外鋼材應用等問題，規範的要求是什麼？如何合理地進行選擇？本文專題討論。
一、結構鋼的質量等級如何選擇？1. 質量等級如何確定？結構鋼不同強度等級都有A~D或者E的質量等級，質量等級實際上主要代表的是材料在不同溫度下的衝擊韌性要求。根據材料的標準《碳素結構鋼》（GB/T 700-2006）以及《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591-2008）的規定，Q235、Q345、Q390、Q420、Q460不同質量等級的化學成分以及力學性能如下表。可以看出，不同牌號的鋼材通過調整C、S、P的含量，實現了不同溫度下的衝擊韌性性能，達到了不同的質量等級。
《鋼標》第4.3.4條對鋼材的衝擊韌性作出了要求。結合上表的衝擊韌性，將對應的鋼材質量等級納入，歸納如下：1）對於需要驗算疲勞的焊接結構的鋼材a.當結構工作溫度高於0℃時，應具有常溫衝擊韌性的合格保證（Q235B、Q345B、Q390B、Q420B）；b.當結構工作溫度不高於0℃但高於-20℃時，Q235鋼和Q345鋼應具有0℃衝擊韌性的合格保證（Q235C、Q345C）；對Q390鋼、Q420鋼和Q460鋼應具有-20℃衝擊韌性的合格保證（Q390D、Q420D、Q460D）；c.當結構工作溫度不高於-20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有-20℃衝擊韌性的合格保證（Q235D、Q345D）；對Q390鋼、Q420鋼和Q460鋼應具有-40℃衝擊韌性的合格保證（Q390E、Q420E）。2）對於需要驗算疲勞的非焊接結構的鋼材a.當結構工作溫度高於-20℃時，應具有常溫衝擊韌性的合格保證（Q235B、Q345B、Q390B、Q420B）；b.當結構工作溫度不高於－20℃時，對Q235鋼和Q345鋼應具有0℃衝擊韌性的合格保證（Q235C、Q345C）；對Q390鋼、Q420鋼和Q460鋼應具有－20℃衝擊韌性的合格保證（Q390D、Q420D、Q460D）。同時，吊車起重量不小於50t的中級工作制吊車梁，對鋼材衝擊韌性的要求應與需要驗算疲勞的構件相同。
第4.3.4條，工作環境溫度不高於-20℃的受拉構件及承重構件的受拉板材，應符合下列要求：所用鋼材厚度或直徑不宜大於40mm，質量等級不宜低於C級；當鋼材厚度或直徑不小於40mm時，其質量等級不宜低於D級；重要承重結構的受拉板材宜滿足《建築結構用鋼板》GB/T 19879的要求。
《鋼標》第4.3.4條的條文說明表3，歸納了以上各條的鋼材質量等級選用要求，查詢非常方便。
《高層民用建築鋼結構技術規程》（JGJ 99-2015）對鋼材的質量等級也有一定的要求，應遵照下列規定：第4.1.2條，承重構件所用鋼材的質量等級不宜低於B級；抗震等級為二級及以上的高層民用建築鋼結構，其框架梁、柱和抗側力支撐等主要抗側力構件鋼材的質量等級不宜低於C級；承重構件中厚度不小於40mm的受拉板件，當其工作溫度低於-20℃時，宜適當提高其所用鋼材的質量等級。第4.1.4條，抗震等級為三級及以上的高層民用建築鋼結構，其主要抗側力構件所用鋼材應具有與其工作溫度相應的衝擊韌性合格保證。即，工作溫度高於0℃時，採用B級鋼；工作溫度不高於0℃但高於-20℃時，採用C級；工作溫度不高於-20℃時，採用D級。2. 哪些是需要驗算疲勞的焊接結構？《鋼標》第16.1.1條及條文說明規定，直接承受動力荷載重複作用的鋼結構構件及其連接（例如工業廠房吊車梁、有懸掛吊車的屋蓋結構、橋樑、海洋鑽井平台、風力發電機結構、大型旋轉遊樂設施等），當其荷載產生的應力變化的循環次數n等於或大於5×10^4次時，應進行疲勞計算。當鋼結構承受的應力循環次數小於本條要求時，可不進行疲勞計算，且可按照不需要驗算疲勞的要求選用鋼材。
《鋼標》第16.2.4條規定，重級工作制吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架應進行疲勞計算。同時在條文說明中說明，「輕級工作制吊車梁和吊車桁架以及大多數中級工作制吊車梁，根據多年來使用的情況和設計經驗，可不進行疲勞計算」。
《鋼標》第4.3.3-3條，起重量不小於50t的中級工作制吊車梁，其材料的質量等級應與需要驗算疲勞的構件相同。《鋼標》第11.1.6條，起重量等於或大於50t的中級工作制吊車梁的焊縫提出了具體要求。因此，習慣性地把起重量等於或大於50t的中級工作制吊車梁，也納入需要驗算疲勞的結構。《起重機設計規範》（GB/T 3811-2008）起重機設計規範，介紹了吊車工作制與工作級別、使用等級、荷重狀態的對應關係；
3. 結構工作溫度如何確定？《鋼標》4.3.3的條文說明中建議，採用《採暖通風與空氣調節設計規範》GBJ 19-87（2001年版）中所列的「最低日平均氣溫」作為結構工作溫度，見下表，摘自該規範的附錄二。
事實上，GBJ 19-87規範在03版《鋼結構設計規範》編製後，已經升版為《採暖通風與空氣調節設計規範》（GB 50019-2003），其中未納入氣象參數。規範後又部分升版為《民用建築供暖通風與空氣調節設計規範》（GB 50736-2012），雖有氣象數據，但沒有了「最低日平均氣溫」這一項。靠別人靠不住啊，咋整？目前的做法只能是，去找舊版本的已作廢的規範。《鋼標》（GB 50017-2017）修訂時也意識到了這一問題，採取的解決辦法是，乾脆把那些數據拿出來做成表格放在了條文說明裡（見下表）。
另外一個問題，對於室內工作的構件，因為採暖等原因導致室內外溫度不同時，結構構件溫度明顯不可能是室外的「最冷日平均溫度」，如何處理？
崔佳等編著的03版《鋼結構設計規範》的參考書《鋼結構設計規範理解與應用》中有個解釋：
《機械工業廠房結構設計規範》（GB 50906-2013）第5.3.3條規定：「結構工作溫度按《採暖通風與空氣調節氣象資料集》中所列的最低日平均溫度確定，對採暖房屋內的結構，可提高10℃採用」。《鋼標》（GB 50017-2017）對這個問題有個說明：對於室內工作的構件，如能確保始終在某一溫度以上，可將其作為工作環境溫度，如採暖房間的工作環境溫度可視為0℃以上；否則可按上表數值增加5℃採用。二、GJ鋼在何時選用？我國的《建築結構用鋼板》（GB/T 19879-2015）參考日本的SN鋼材標準制定，在原鋼材牌號後加GJ表示，如Q345GJ，俗稱「GJ鋼」，是專為高層民用建築鋼結構生產的高性能鋼板。GJ鋼對鋼的純凈性提出了嚴格的要求，大大降低了有害元素P、S元素的含量。從而實現了強度厚度效應小（隨厚度鋼材強度降低程度小）、屈服點有上下限（可實現抗震既定的塑性耗能區）、保證碳當量和Z向性能（Z15、Z25、Z35）等方面的優點。我國目前並未像日本強制性要求抗震的建築鋼結構採用GJ鋼。目前主要是《高層民用建築鋼結構技術規程》在提要求：第4.1.2條：主要承重構件所用較厚的板材宜選用高性能建築用GJ鋼板；第4.1.4條，高層民用建築中按抗震設計的框架梁、柱和抗側力支撐等主要抗側力構件，鋼材屈服強度波動範圍不應大於120N/mm2。事實上第4.1.2條強烈推薦高層鋼結構採用GJ鋼，第4.1.4條從屈服強度波動範圍的規定也導致最好採用GJ鋼。三、Z向性能如何要求？
《鋼標》對Z向性能的規定比較籠統，第4.3.5條及條文說明規定：
由於當焊接熔融面平行於材料表面時，層狀撕裂較易發生，因此T 形、十字形、角形焊接連接節點宜滿足下列要求：1 當翼緣板厚度等於或大於40mm 且連接焊縫熔透高度等於或大於25mm 或連接角焊縫單面高度大於35mm 時，設計宜採用對厚度方向性能有要求的抗層狀撕裂鋼板，其Z向承載性能等級不宜低於Z15 (限制鋼板的含硫量不大於0.01%）；當翼緣板厚度等於或大於40mm 且連接焊縫熔透高度大於40mm 或連接角焊縫單面高度大於60mm 時， Z向承載性能等級宜為Z25（限制鋼板的含硫量不大於0. 007%);2 翼緣板厚度大於或等於25mm ，且連接焊縫熔透高度等於或大於16mm 時，宜限制鋼板的含硫量不大於0.01% 。《建築抗震設計規範》第3.9.5條：採用焊接連接的鋼結構，當接頭的焊接拘束度較大、鋼板厚度不小於40mm且承受沿板厚方向的拉力時，鋼板厚度方向截面收縮率不應小於國家標準《厚度方向性能鋼板》GB/T 5313關於Z15級規定的容許值。《高層民用建築鋼結構技術規程》第4.1.5條：焊接節點區T形或十字形焊接接頭中的鋼板，當板厚不小於40mm且沿板厚方向承受較大拉力作用（含較高焊接約束拉應力作用）時，該部分鋼板應具有厚度方向抗撕裂性能（Z向性能）的合格保證。其沿板厚方向的斷面收縮率不應小於現行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB／T 5313規定的Z15級允許限值。以上規範都是定性地說明，哪些情況應採用Z向性能材料，沒有定量的計算依據。Z向性能確定方法的依據，在崔佳等編著的03版《鋼結構設計規範》的參考書《鋼結構設計規範理解與應用》（2004年出版）中，有個斷面收縮率的計算確定方法（將各種因素所需的斷面收縮率疊加後在表2.7中找到對應的構造的Z向性能要求）：
而這部分內容實際上來自於歐洲規範Eurocode 3, Part 1-10關於Z向性能的確定方法，有興趣去看看吧。
四、焊接材料的選用
1. 常用鋼材的焊接材料選用《鋼標》第4.3.8條的條文說明表5，給出了常用鋼材的焊接材料選用匹配推薦表，查詢非常方便。
《鋼標》第11.1.5-6條規定，焊縫連接宜選擇等強度匹配；當不同強度的鋼材連接時，可採用與低強度鋼材相匹配的焊接材料。2. 新鋼種的焊接工藝評定《鋼標》第11.1.7 條，焊接工程中，首次採用的新鋼種應進行焊接性試驗，合格後應根據現行國家標準《鋼結構焊接規範》GB 50661 的規定進行焊接工藝評定。有人可能會問，既然《鋼標》給出了常用鋼材的焊接材料匹配推薦表，如果常用鋼材，選用了《鋼標》的推薦焊接材料，是不是就不用做焊接工藝評定了？對於這個問題，《鋼規》第11. 1. 7 條的條文說明給出了答案。焊接工藝評定是在鋼結構工程開始焊接前，按照焊接性試驗結果所擬定的焊接工藝，驗證所擬定的焊接工藝是否正確的技術工作。鋼結構進行焊接工藝評定有兩個主要目的：（1） 驗證所擬定的焊接工藝是否正確。這項工作包括通過金屬焊接性試驗或根據有關焊接性能的技術資料所擬定的工藝，也包括已經評定合格，但由於某種原因需要改變一個或一個以上的焊接工藝參數的工藝。（2） 評價施工單位是否能焊出符合有關要求的焊接接頭。焊接工藝評定具有不可輸入性，不可以轉讓。焊接工藝評定必須根據本單位的實際情況來進行。因為焊接質量由「人員、機器、物料、方法、環境」五大管理要素決定，單位不同其管理要素也不同，所完成的焊接工藝評定的水平也不同，進而帶來的焊接技術也不同。事實上，在進行焊接工藝評定的過程中，有的單位經常有不合格的情況發生，充分證實了這一點。這就是說，鋼結構項目還是需要按照《鋼結構焊接規範》（GB 50661-2011）的要求，進行焊接工藝評定的。《鋼焊范》（GB 50661-2011）也給出了免於焊接工藝評定的範圍，第6.1.1條（黑體字強條）規定， 除非符合本章6.6 節規定的免予評定條件，施工單位首次採用的鋼材、焊接材料、焊接方法、接頭形式、焊接位置、焊後熱處理制度以及焊接工藝參數、預熱和後熱措施等各種參數的組合條件。應在鋼結構構件製作及安裝施工之前進行焊接工藝評定。《鋼焊范》（GB 50661-2011）6.6 節內容很多，介紹也非常詳細，以後再單獨介紹。了解焊接工藝評定，可參考下方的文章：焊接工藝評定報告示例焊接工藝評定都有哪些注意事項？3. 低氫型焊條的應用《鋼標》第4.3.8-2條，對直接承受動力荷載或需要驗算疲勞的結構，以及低溫環境下工作的厚板結構，宜採用低氫型焊條；《鋼標》第11.3.5-3條和表11.3.5，規定了角焊縫的最小焊腳尺寸。採用低氫焊接方法可以減小焊腳尺寸。
此表格摘錄自《鋼焊范》（GB 50661-2011）第5.4.2條，該條文說明解釋為，角焊縫最小長度、斷續角焊縫最小長度及角焊縫的最小焊腳尺寸規定均為防止因熱輸入量過小而使母材熱影響區冷卻速度過快而形成硬化組織，用低氫焊條時由於減少了氫脆的影響，最小角焊縫尺寸可比非低氫焊條時小一些。此處提到了「低氫焊接方法」，而且關係到不同板厚的角焊縫最小焊腳尺寸計算板厚取值，理解這個概念也很重要。《鋼焊范》（GB 50661-2011）對低氫焊接方法，沒有太多解釋。我們的理解是：採用低氫焊條，使用前按《鋼焊范》要求對低氫焊條進行烘乾、保溫存放的手工電弧焊，是低氫焊接方法；同時，《鋼焊范》（GB 50661-2011）第7.2.4條的條文說明規定，實際應用中可將埋弧焊認為是一種低氫焊接方法。查閱一些資料，認為氣體保護焊也是一種低氫焊接方法。電渣焊一般用於厚度大於16mm的厚板焊接，很少用於角焊縫。因此，設計階段可以簡單的理解為：採用非低氫焊條的手工電弧焊為非低氫焊接方法；採用低氫焊條的手工焊，各類氣保焊，各類埋弧焊都屬於低氫焊接方法。鋼結構設計時，如果需要按較薄件厚度來考慮最小焊縫尺寸時，應指定採用低氫焊條。一般情況，可以按較厚件厚度來計算最小焊腳尺寸。角焊縫連接的板件厚度差異不大時，這兩種情況沒有太大差別。五、耐候鋼選用1. 耐候鋼的材料說明《鋼標》第4.1.3條，處於外露環境，且對耐腐蝕有特殊要求或處於侵蝕性介質環境中的承重結構，可採用Q235NH 、Q355NH 和Q415NH牌號的耐候結構鋼，其質量應符合現行國家標準《耐候結構鋼》GB/T 4171 的規定。條文說明解釋為：通過添加加少量合金元素Cu 、P 、Cr 、Ni 等，使其在金屬基體表面形成保護層，以提高耐大氣腐蝕性能的鋼，稱為耐候鋼。耐候結構鋼分為高耐候鋼和焊接耐候鋼兩類，高耐候結構鋼具有較好的耐大氣腐蝕性能，而焊接耐候鋼具有較好的焊接性能。耐候結構鋼的耐大氣腐蝕性能為普通鋼的2 倍～8 倍。因此，當有技術經濟依據時，將耐候鋼用於外露大氣環境或有中度侵蝕性介質環境中的重要鋼結構，可取得較好的效果。耐候鋼在鋼結構橋樑領域，已廣泛使用，有較好的技術、經濟效果。這些年在市政領域（水廠廠房、河湖岸邊鋼結構）也應用較多。了解耐候鋼在橋樑領域的應用，可參考下方的文章：英國耐候鋼橋樑技術一英國耐候鋼橋樑技術二2. 耐候鋼結構的設計要點小編團隊（Steeler）曾設計過多個耐候鋼項目，以下是我們的經驗總結：（1）盡量選用焊接耐候鋼，Q235NH 、Q355NH 和Q415NH牌號，結構設計和連接節點設計，可以按普通鋼結構進行設計，《鋼標》第4.3.8條的條文說明表5（見上方）也推薦了耐候鋼的焊接方式和焊接材料；（2）市場上耐候鋼的鋼板材料比較少，當某個板厚規格用量較少時（少於10噸)，供貨商較少、鋼材採購周期長（0.5~2個月）、採購運費高。Q355NH是最常用、最容易採購的耐候鋼牌號，應優先選用Q355NH焊接耐候鋼；（3）市場上幾乎沒有耐候鋼的熱軋型鋼現貨。設計時，盡量不要選用耐候鋼的熱軋型鋼，應採用類似的焊接截面替代熱軋截面。除非某種規格的熱軋型鋼用量較大（達到幾百噸以上），可以聯繫鋼廠專門軋制。（4）設計時，耐候鋼的板厚規格盡量少，板厚相近的盡量歸併，每種厚度的鋼板用量盡量大於10噸。六、國外鋼材的應用《鋼標》（GB 50017-2017）對使用本標準未列出的其他牌號鋼材（包括國外材料），提供了指導意見。《鋼標》第4.1.5條，當採用本標準未列出的其他牌號鋼材時，宜按照現行國家標準《建築結構可靠度設計統一標準》GB 50068 進行統計分析，研究確定其設計指標及適用範圍。第4.1.5條的條文說明中，對於已有國家材料標準，但尚未列入鋼結構設計標準的鋼材，《鋼標》給出了具體的統計分析方法，試驗研究、專家論證，確定其設計指標。對國外進口且滿足國際材料標準的鋼材：1）如既有國外標準，又有相同或相近中國標準，應按中國鋼結構工程施工質量驗收規範要求驗收，可就近就低按中國標準規範取用設計強度，在具體工程中使用；這為我國的工程公司一帶一路走出去，採用國外標準的鋼材，提供了規範依據。常用的中外鋼材牌號近似對照表如下表。
2）如有國外標準，但無相近中國標準可供參照，則將材料質量證明文件和驗收試驗資料提供給《鋼結構設計標準》國家標準管理組，經統計分析和專家會商後確定設計強度，在具體工程中使用。
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來源：鋼結構設計、從鋼結構到裝配式鋼結構建築，作者：牛必任，Steeler修訂彙編，轉載請註明。
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