《钢结构设计标准》讲解专题（0）—钢结构材料选用

《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）第四章材料介绍了钢结构材料的相关内容。 钢结构用钢（结构钢）有Q235、Q345、Q390、Q420、Q460等牌号，每个牌号都有A、B、C、D、E级质量等级（Q235无E级）。 对于厚板，《厚度方向性能钢板》（GB/T 5313-2010）中规定了Z15、Z25、Z35断面收缩率要求。 对于耐腐蚀性能，有《耐候结构钢》（GB/T 4171-2008）中规定的Q235NH、Q355NH、Q415NH。 此外，还有《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2005）的GJ系列钢材产品。

这些涉及钢材的要求应由结构工程师在施工图中明确说明。 钢号的选择主要是强度问题。 一般工程师会从应力的角度做出经济合理的选择。 标准对质量等级、Z向性能、GJ钢、耐候钢、焊接材料、国外钢材应用等其他问题有何要求？ 如何做出合理的选择？ 本文讨论该主题。

1、如何选择结构钢的质量等级？

1. 质量等级是如何确定的？

不同强度等级的结构钢有质量等级A~D或E。质量等级实际上主要代表材料在不同温度下的冲击韧性要求。

根据材料标准《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）和《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2008），Q235、Q345、Q390、Q420、Q460有不同的质量等级其化学成分和机械性能如下。 可见，不同牌号的钢通过调整C、S、P含量，在不同温度下获得冲击韧性性能，达到不同的质量水平。

《钢材标准》4.3.4条规定了钢材冲击韧性的要求。 结合上表中的冲击韧性，将相应的钢材质量等级纳入并总结如下：

1）对于需要疲劳验证的焊接结构钢材

A。 当结构工作温度高于0℃时，应具有常温冲击韧性的合格保证（Q235B、Q345B、Q390B、Q420B）；

b. 当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证（Q235C、Q345C）； Q390钢、Q420钢、Q460钢应具有-20℃冲击韧性合格保证（Q390D、Q420D、Q460D）；

C。 当结构工作温度不高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性合格保证（Q235D、Q345D）； Q390钢、Q420钢、Q460钢应具有-40℃冲击韧性合格保证（Q390E、Q420E）。

2）对于需要疲劳验证的非焊接结构钢材

A。 当结构工作温度高于-20℃时，应具有常温冲击韧性的合格保证（Q235B、Q345B、Q390B、Q420B）；

b. 当结构工作温度不高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应有0℃冲击韧性合格保证（Q235C、Q345C）； Q390钢、Q420钢、Q460钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证（Q390D、Q420D、Q460D）。

同时，对于起重机起重能力不小于50t的中间工作起重机梁，其钢材冲击韧性的要求应与需要进行疲劳验算的构件相同。

第4.3.4条工作环境温度不高于-20℃的受拉构件及承重构件受拉板应符合下列要求：所用钢材的厚度或直径不应大于40mm，质量等级不低于C级； 当钢材厚度或直径不小于40mm时，其质量等级不应低于D级； 重要承重结构的受拉板应符合《建筑结构用钢板》GB/T 19879的要求。

《钢材标准》第4.3.4条表3汇总了上述项目的钢材质量牌号选择要求，非常方便查询。

《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）对钢材的质量等级也有一定的要求，应遵循以下规定：

第4.1.2条 承重构件所用钢材的质量等级不应低于B级； 抗震等级为II级及以上的高层民用建筑钢结构，其框架梁、柱、侧力支撑等主要抗侧力构件的钢材质量等级不应低于C级； 承重构件中厚度不小于40mm的受拉板，当工作温度低于-20℃时，应适当提高所用钢材的质量等级。

第4.1.4条 抗震等级为三级及以上的高层民用建筑钢结构，其主要抗侧力构件所用钢材应具有与其使用温度相对应的冲击韧性保证。 即工作温度高于0℃时，采用B级钢； 工作温度不高于0℃但高于-20℃时，采用C级； 当工作温度不高于-20℃时，采用D级。

2、哪些焊接结构需要进行疲劳计算？

《钢标准》第16.1.1条及其解释规定，直接承受重复动荷载的钢结构构件及其连接件（如工业厂房的吊车梁、悬挂式起重机的屋面结构、桥梁、海上钻井平台、风力发电机械结构、大型旋转游乐设施等），当载荷引起应力变化的循环次数n等于或大于5×10^4次时，应进行疲劳计算。

当钢结构承受的应力循环次数小于本条要求时，无需进行疲劳计算，可按不需要疲劳校核的要求选择钢材。

《钢标准》第16.2.4条规定，重型作业起重机梁和重型、中型作业起重机桁架应进行疲劳计算。 同时，在规定的解释中指出，“根据多年的使用和设计经验，轻型作业起重机梁和起重机桁架以及大多数中型作业起重机梁不需要进行疲劳计算”。

《钢材标准》4.3.3-3条规定，起重能力不小于50t的中间工作起重机梁的材料质量等级应与需要进行疲劳校核的构件材料质量等级相同。 《钢标准》第11.1.6条对起重能力等于或大于50t的中间工作起重机梁的焊缝提出了具体要求。 因此，通常在需要疲劳验证的结构中包含起重能力等于或大于50t的中间工作起重机梁。

《起重机设计规范》（GB/T 3811-2008）起重机设计规范介绍了起重机的工作制度与工作级别、使用级别和载荷状态的对应关系；

3、如何确定结构工作温度？

《钢标准》4.3.3的描述建议采用《采暖、通风与空气调节设计规范》GBJ 19-87（2001年版）中所列的“最低日平均温度”作为结构工作温度，见下表。 摘自本规范的附录 II。

事实上，03版《钢结构设计规范》编制后，GBJ 19-87规范已升级为《采暖、通风与空调设计规范》（GB50019-2003），其中不包括气象参数。 该规范后来部分升级为《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）。 虽然有气象数据，但缺少“最低日平均气温”这一项。

你不能依靠别人，你该怎么办？ 目前的做法只能是寻找旧版本的过时规范。 这个问题在《钢铁标准》（GB 50017-2017）修订时也被认识到，解决办法就是简单的把数据拿出来做成表格，放到条款的描述中（见下表） ）。

另一个问题是，对于在室内工作的构件，当由于供暖等原因导致室内外温度不同时，结构构件的温度显然不可能是室外的“最冷日平均温度”。 这该如何处理呢？

崔佳等人编着的03版《钢结构设计规范》参考书《钢结构设计规范的理解与应用》中有这样的解释：

《机械工业厂房结构设计规范》（GB 50906-2013）第5.3.3条规定：“结构的工作温度按《采暖通风与空调规范》中所列最低日平均温度确定。气象数据收集”。该结构可用于提高温度10°C。”

《钢铁标准》（GB 50017-2017）对此问题有解释：对于在室内工作的构件，如果能保证其始终高于某一温度，则可作为工作环境温度。 例如，可视化供暖室的工作环境温度应在0℃以上； 否则可按上表数值加5℃采用。

2、什么时候应该选用GJ钢？

我国《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2015）是参照日本SN钢材标准制定的。 GJ是在原钢号后添加的，如Q345GJ，俗称“GJ钢”，是专门为高层民用建筑钢结构生产的。 高性能钢板。 GJ钢对钢的纯净度提出了严格的要求，大大降低了有害元素P和S的含量。这样，强度和厚度影响就小（钢的强度随厚度略有下降），屈服强度点有上限和下限（可达到预定的抗震塑料能耗区），并保证碳当量和Z向性能（Z15、Z25、Z35）。 优点。

我国目前并没有像日本那样要求抗震建筑钢结构使用GJ钢。 目前，该要求主要在《高层民用建筑钢结构技术规程》中规定：第4.1.2条：主要承重构件采用的较厚板材应为建筑用高性能GJ钢板; 第4.1.4条 高层民用建筑中，按抗震设计的框架梁、柱及抗侧力支撑等主要抗侧力构件，其钢材屈服强度波动范围不应大于120N/mm2。

事实上，4.1.2条强烈建议高层钢结构使用GJ钢，并且4.1.4条还规定了屈服强度的波动范围，这也导致了GJ钢的最佳使用。

3、Z向性能有什么要求？

《钢标准》对Z向性能的规定比较笼统。 第 4.3.5 条及其条款的描述规定：

由于焊接熔面与材料表面平行时更容易发生层状撕裂，因此T形、十字形、角形焊接连接节点应满足以下要求：

1 当法兰板厚度等于或大于40mm且连接焊缝熔深高度等于或大于25mm或连接角焊缝单面高度大于35mm时，设计时宜采用对厚度方向性能有要求的层状抗撕裂钢板。 其Z向承载性能等级应不低于Z15（钢板硫含量限制不超过0.01%）； 当法兰板厚度等于或大于40mm且连接焊缝熔深高度大于40mm或连接角焊缝单面高度大于60mm时，Z向承重性能等级应为Z25（限制钢板的硫含量不大于0。007%）；

2 当法兰板厚度大于或等于25mm，连接焊缝熔深高度等于或大于16mm时，钢板的硫含量宜限制为不大于0.01%。

《建筑抗震设计规范》第3.9.5条：采用焊接连接的钢结构，当接头焊接约束较大时，钢板厚度不小于40mm并承受沿拉力钢板厚度方向，钢板厚度方向的断面收缩率不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313中Z15级规定的允许值。

《高层民用建筑钢结构技术规程》4.1.5条：焊接节点区域T形或十字形焊接接头的钢板，当板材厚度不小于40mm且沿板厚方向承受较大的拉力（包括较高的焊接约束拉应力），这部分钢板应具有合格的板厚方向抗撕裂性能（Z向性能）保证。 其沿板厚方向的面积收缩率应不小于现行国家标准《钢板厚度方向性能》GB/T 5313规定的Z15允许限值。

以上规格是哪些情况应该使用Z向性能材料的定性说明，没有定量计算依据。 Z向性能测定方法的依据参见崔佳等主编的《钢结构设计规范》03版参考书《钢结构设计规范的理解与应用》（2004年出版）。 ，有一种计算和确定面积收缩率的方法。 （叠加各种因素所需的面积收缩后，结构对应的Z向性能要求可参见表2.7）：

这部分内容实际上来自欧洲规范Eurocode 3, Part 1-10关于Z向性能的测定方法。 如果您有兴趣，请查看一下。

4、焊接材料的选择

1、常用钢材焊接材料的选择

《钢材标准》4.3.8条表5提供了常用钢材焊接材料选择和匹配的推荐表，查询非常方便。

《钢标准》11.1.5-6条规定焊接连接应选用等强度匹配； 不同强度钢材连接时，可采用与低强度钢材相匹配的焊接材料。

2.新钢种焊接工艺评定

《钢材标准》第11.1.7条规定，在焊接工程中，首次使用的新钢种应进行焊接性试验。 试验合格后，应按照现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661的规定进行焊接工艺评定。

有人可能会问，既然《钢铁标准》提供了常用钢材的焊接材料推荐搭配表，那么如果常用钢材采用《钢铁标准》的推荐焊接材料，是不是就不需要了？用于焊接工艺评估？

对于这个问题，钢规第11.1.7条的解释给出了答案。

焊接工艺评定是钢结构工程在焊接前根据可焊性试验结果验证所提出的焊接工艺是否正确的一项技术工作。

钢结构焊接工艺评定的主要目的有两个：

(1)验证所提出的焊接工艺是否正确。

这项工作包括通过金属可焊性测试或基于焊接性能技术数据开发的工艺。 它还包括已经合格但由于某种原因需要更改一个或多个焊接工艺参数的工艺。

（2）评价施工单位能否焊接符合要求的焊接接头。

焊接工艺资格不可导入且不能转让。 焊接工艺评定必须根据本单位的实际情况进行。 因为焊接质量是由“人、机、材料、方法、环境”五大管理要素决定的。 不同的单位管理要素不同，完成的焊接工艺考核水平也不同，进而造成焊接技术的不同。 事实上，在焊接工艺评定过程中，一些单位经常出现不合格的情况，充分证实了这一点。

这意味着钢结构工程仍需按照《钢结构焊接规范》（GB 50661-2011）的要求进行焊接工艺评定。

《钢材焊接规范》（GB 50661-2011）也规定了免除焊接工艺评定的范围。 第6.1.1条（粗体加粗条）规定，除满足本章6.6节规定的免予资质条件外，施工单位的钢材、焊接材料、焊接方法、接头形式、焊接位置的组合条件，焊后热处理制度、焊接工艺参数、预热和后加热措施等参数首次采用。 钢结构构件生产、安装前应进行焊接工艺评定。 《钢焊接标准》（GB 50661-2011）第6.6节内容较多，介绍也很详细。 后面会单独介绍。

要了解焊接工艺鉴定，请参阅以下文章：

3、低氢焊条的应用

《钢标准》4.3.8-2条规定，直接承受动载荷或需要疲劳验证的结构以及在低温环境下工作的厚板结构应使用低氢焊条；

《钢标准》11.3.5-3条和表11.3.5规定了角焊缝的最小焊脚尺寸。 使用低氢焊接方法可以减小焊脚尺寸。

本表摘自《钢焊接规范》（GB 50661-2011）第5.4.2条，该条对角焊缝最小长度、间断角焊缝最小长度、角焊缝最小焊脚尺寸进行了解释。 都是为了防止母材热影响区因热输入过小而冷却过快，形成硬化组织。 使用低氢焊条时，氢脆的影响减小，最小角焊缝尺寸可比非低氢焊条小。 一些。

这里提到的“低氢焊接方法”，与不同板厚角焊缝最小焊脚尺寸的计算有关。 理解这个概念也很重要。 《钢的焊接标准》（GB 50661-2011）对低氢焊接方法没有太多解释。 我们的理解是，采用低氢焊条的手工电弧焊，并在使用前按照《钢铁焊接规范》的要求对低氢焊条进行干燥和保温，属于低氢焊接方法； 同时，《钢材焊接规范》（GB 50661 -2011）第7.2.4条规定，埋弧焊在实际应用中可认为是一种低氢焊接方法。 查阅了一些资料后，我认为气体保护焊也是一种低氢焊接方法。 电渣焊一般用于焊接厚度大于16mm的厚板，很少用于角焊缝。

因此，设计阶段可以简单理解为：采用非低氢焊条的手工电弧焊是一种非低氢焊接方法； 采用低氢焊条的手工焊、各类气体保护焊、各类埋弧焊均属于低氢焊。 方法。

钢结构设计时，如果需要根据较薄件的厚度考虑最小焊缝尺寸，应指定低氢焊条。 一般来说，最小焊脚尺寸可以根据较厚件的厚度来计算。 当角焊缝连接的板材厚度相差不大时，两种情况没有太大区别。

5、耐候钢的选用

1、耐候钢材质说明

《钢材标准》4.1.3条规定，对于暴露环境下有特殊耐蚀要求或侵蚀性介质环境下的承重结构二手钢结构市场，采用Q235NH、Q355NH和Q355NH级耐候结构钢。可选用Q415NH，其质量应符合现行国家标准《耐候结构钢》GB/T 4171的规定。

文章的解释是：通过添加少量合金元素Cu、P、Cr、Ni等，在金属基体表面形成保护层来提高其耐大气腐蚀性能的钢称为耐候性钢。

耐候结构钢分为高耐候钢和焊接耐候钢两大类。 高耐候结构钢具有更好的耐大气腐蚀性能，而焊接耐候钢则具有更好的焊接性能。 耐候结构钢的耐大气腐蚀性能是普通钢材的2～8倍。 因此，在有技术和经济基础的情况下，对于暴露在大气环境或有中等腐蚀介质的环境中的重要钢结构采用耐候钢可以取得良好的效果。

耐候钢已广泛应用于钢结构桥梁领域，并具有良好的技术经济效果。 近年来在市政领域（水厂建筑、沿河湖钢结构）也得到广泛应用。

了解耐候钢在桥梁领域的应用，可以参考以下文章：

2、耐候钢结构设计要点

编辑团队（Steeler）设计了多个耐候钢项目。 以下是我们的经验总结：

(1)尽量采用焊接耐候钢，Q235NH、Q355NH、Q415NH牌号。 结构设计和连接节点设计可按普通钢结构进行设计。 《钢标准》第4.3.8条的规定也解释于表5（见上）耐候钢推荐焊接方法和焊接材料；

(2)市场上耐候钢板材料相对较少。 当小批量（10吨以下）使用一定板厚规格时，供应商较少，钢材采购周期较长（0.5~2个月），采购运费较高。 高的。 Q355NH是最常用且最容易购买的耐候钢牌号。 应优先选用Q355NH焊接耐候钢；

(3)耐候钢热轧型钢现货市场上几乎没有。 设计时尽量不采用耐候钢热轧型材。 相反，使用类似的焊接型材代替热轧型材。 除非某种规格的热轧钢材用量较大（达数百吨以上），否则可以联系钢厂进行特殊轧制。

(4)设计时，耐候钢的板厚规格应尽可能小，并尽可能将厚度相近的板厚组合起来。 每个厚度的钢板用量应达到10吨以上。

6、国外钢材的应用

《钢材标准》（GB 50017-2017）对本标准中未列出的其他牌号钢材（包括异种材料）的使用提供了指导。

《钢材标准》4.1.5条规定，当采用本标准未列出的其他牌号钢材时二手钢结构市场，应按照现行国家标准《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068进行统计分析。 ，并研究确定其设计指标和适用性。 范围。

第4.1.5条的解释中，对于已有国家材料标准但尚未纳入钢结构设计标准的钢材，《钢标准》规定了具体的统计分析方法、试验研究和专家论证，以确定其设计指数。

对于从国外进口并符合国际材料标准的钢材：

1）既有国外标准又有相同或相近的我国标准的，应按我国钢结构工程施工质量验收规范的要求进行验收。 设计强度可按最接近的中国标准用于具体项目；

这为我国工程企业走出去、采用国外标准钢材提供了规范依据。

常用中外钢号的大致对照表如下。

2）如果有国外标准但没有类似的中国标准可供参考，则将材料质量证明文件和验收测试数据提供给《钢结构设计标准》国家标准管理组，经统计分析后确定设计强度和专家咨询。 ，在具体项目中使用。

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本文前半部分参考《钢结构的材料牌号，你知道如何选择吗？（修订版）》，来自：公众号《从钢结构到装配式钢结构建筑》，作者：牛必仁； 《钢结构设计》公众号，根据2017版《钢结构标准》修订，编制了下半期。