4 材 料 4．1 选材基本规定 4．1．1 工程经验表明，以高层民用建筑钢结构为代表的现代钢结构对钢材的品种、质量和性能有着更高的要求，同时也要求在设计选材中更要做好优化比选工作。本条依据相关设计规范和工程经验并结合高层民用建筑钢结构的用钢特点，提出了选材时应综合考虑的诸要素。其中应力状态指弹性或塑性工作状态和附加应力(约束应力、残余应力)情况；工作环境指高温、低温或露天等环境条件；钢材品种指轧制钢材、冷弯钢材或铸钢件；钢材厚度主要指厚板、厚壁钢材。为了保证结构构件的承载力、延性和韧性并防止脆性断裂，工程设计中应综合考虑上述要素，正确合理的选用钢材牌号、质量等级和性能要求。同时由于钢结构工程中钢材费用约可占到工程总费用的60％左右，故选材还应充分的考虑到工程的经济性，选用性价比较高的钢材。此外作为工程重要依据，在设计文件中应完整的注明对钢材和连接材料的技术要求，包括牌号、型号、质量等级、力学性能和化学成分、附加保证性能和复验要求，以及应遵循的技术标准等。 4．1．2 钢材的牌号和质量等级的规定，主要是考虑了国内钢材的生产水平、高层和超高层民用建筑钢结构应用的现状、高性能钢材发展的趋势和相关国家标准的规定而修订的。 1 近年来国内建造的高层和超高层民用建筑钢结构除大量应用Q345钢外，也较多应用了Q390钢与Q345GJ厚板。经验表明，由于品种完善和质量性能的提高，现国产结构用钢已可在保有较高强度的同时，也具有较好的延性、韧性和焊接性能，完全能够满足抗风、抗震高层钢结构用钢的综合性能要求。故本条提出承重构件宜采用Q345、Q390与Q235等牌号的钢材。由于轧制状态交货的钢材在强度提高时，其延性、韧性与焊接性能会有一定幅度的降低。如Q460钢的伸长率较Q345要降低15％，按最小值计算的屈强比要提高约10％；Q500钢—40℃冲击功较Q345钢要降低约10％，碳当量也相应有所提高。故本条提出了有依据时，如进行性能化设计，经比选确认可同时保证相应的延性与韧性性能时，也可采用更高强度的钢材。本条规定与国外经验也是一致的，如日本SN系列高性能钢材(推荐为抗震用钢)仅列出SN400钢(相当于Q235钢)与SN490钢(相当于Q345钢)，同时专门研发出高性能抗震结构用SA440钢[屈服强度(440～540)N／mm2，屈强比≤0．8，伸长率≥20％～26％，其C级钢可保证Z25性能]用于工程；美国抗震规程规定对预期会出现较大非弹性受力构件，如特殊抗弯框架、特殊支撑框架、偏心支撑框架和屈曲约束支撑框架等所用钢材屈服强度均不应超过345N／mm2；对经受有限非弹性作用的普通抗弯框架和普通中心支撑等结构允许采用屈服强度不大于380N／mm2的钢材。 2 GJ钢板(《建筑结构用钢板》GB／T 19879)是我国专为高层民用建筑钢结构生产的高性能钢板，其性能与日本SN系列高性能钢材相当。与同级别低合金结构钢相比，除化学成分优化、并有较好的延性、塑性与焊接性能外，还具有厚度效应小、屈服强度波动范围小等特点，并将屈服强度幅(屈服强度波动范围，对Q345钢、Q390钢为120N／mm2)、屈强比、碳当量均作为基本交货条件予以保证。虽然按国家标准《低合金高强度结构钢》GB／T 1591-2008生产的低合金钢较原标准提高了屈服强度和冲击功，增加了碳当量作为供货条件，综合质量有明显改善，其性能与GJ钢板已较为接近，但采用较厚的GJ钢板时仍有一定的综合优势。以Q345钢80～100mm厚板为例，Q345GJ钢板屈服强度较普通Q345钢板可提高6．5％，伸长率可提高10％，碳当量可降低8％以上，故推荐其为重要构件较厚板件优先选用的钢材。 3 耐候钢是我国早已制订标准并可批量生产的钢种，现可生产Q235NH、Q355NH、Q415NH、Q460NH等六种牌号焊接结构用耐候钢，其性能与《低合金高强度结构钢》GB／T 1591系列钢材相当。除力学性能、延性和韧性性能有保证外，其耐腐蚀性能可为普通钢材的2倍以上，并可显著提高涂装附着性能，故用于外露大气环境中有较好的耐腐蚀效果。选用时作为量化的性能指标宜要求其晶粒度不小于7级，耐腐蚀性指数不小于6。但由于以往建筑钢结构工程中耐候钢应用不多，现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017亦未对其抗力分项系数和强度设计值作出规定，如在工程中选用时需按该规范的规定进行钢材试样统计分析，以确定抗力分项系数和强度设计值。 近年来，我国宝钢、鞍钢、马钢等钢铁企业已研发生产了耐火结构用钢板和H形钢，其在600℃高温作用下，屈服强度降幅不大于1／3，因而具有较好的耐火性能，但因缺乏实用经验，也缺少相关的设计标准与参数，故本规程暂未列入其相关条文。 4 现行各钢材标准规定的钢材质量等级主要体现了其韧性(冲击吸收功)和化学成分优化方面的差异，质量等级愈高则冲击功保证值越高，而有害元素(硫、磷)含量限值则越低，因而是一个材质综合评定的指标，不同级别钢材价格也有差别。选材时应按优材优用的原则合理选用质量等级。本条根据相关规范规定和工程经验提出了钢材质量等级选用的规定和建议。对抗震结构主要考虑地震具有强烈交变作用的特点，会引起结构构件的高应变低周疲劳，因而二级抗震框架与抗侧力支撑等主要抗侧力构件钢材等级不宜低于C级，以保证应有的韧性性能。另应注意部分钢材产品不分质量等级或只限定较低或较高的质量等级(如Q390GJ和Q420GJ钢板最低质量等级为C级，冷弯矩形钢管未规定Q345E级与Q390D、E级质量等级)，选用质量等级时，不应超出其规定范围。 5 防止结构脆断破坏是钢结构选材的基本要求之一。《钢结构设计规范》GB 50017-2003在选材和构造规定中，均提出了防止结构构件脆断的要求和构造措施。研究表明钢结构的抗脆断性能与环境温度、结构形式、钢材厚度、应力特征、钢材性能、加荷速率等多种因素有关。工作环境温度越低、钢材厚度越厚、名义拉应力越大、应力集中及焊接残余应力越高(特别是有多向拉应力存在时)和加荷速率越快，则钢材韧性越差，结构更易发生脆断。而提高钢材抗脆断能力的主要措施是提高其韧性性能。关于钢材应力状态与厚度、温度对抗脆断性能的影响国内尚较少研究，但欧洲规范Eurocode 3对此已有明确的规定，如JO级S335钢板工作(拉)应力为0．75fy时，其允许厚度在10℃时可为60mm，0℃与—20℃时则分别降至50mm与30mm。高层钢结构具有板件厚度大，焊接残余应力高并承受交变荷载的特点，其选材应考虑防脆断性能的要求。据此，本条提出了宜适当提高低温环境下受拉(包括弯曲受拉)厚板的质量等级。 6 当用平炉及铸锭方法生产时，Q235A级或B级钢的脱氧方法可分为沸腾钢或镇静钢，后者脱氧充分，晶粒细化，材质均匀而性能较好。现转炉和连铸方法生产的钢材一般均为镇静钢，目前已在国内钢材生产总量中约占90％以上，故现市场上沸腾钢有时价格反而偏高。根据近年来工程用材经验，钢结构用钢应选用镇静钢。 关于A级钢的选用问题，按相关标准规定，Q235A级钢可能会以超过其含碳量限值(0．22％)交货，而现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017又以强制性条文规定了“对焊接结构尚应具有碳当量的合格保证”，故一直以来在工程用焊接结构中规定不采用Q235A级钢。但参照国内外实际用材经验，美国与日本的235级碳素结构钢允许含碳量可达0．25％，国内也有含碳量达0．24％钢材应用于焊接结构的实例，亦即不宜绝对不允许Q235A级钢的应用。如对经复验其含碳量合格的Q235A级钢或碳含量不大于0．24％的Q235A级钢，经采取必要的焊接措施并检验认可后仍可用于一般承重结构中。而对Q345A级钢，若其碳当量或焊接裂纹敏感性指数符合要求即可用于焊接结构的一般构件，不必因其碳、锰单项指标未符合标准规定而限制其使用。 4．1．3 本条依据现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017规定了高层民用建筑钢结构承重构件钢材应保证的基本性能要求，包括化学成分含量限值、力学性能和工艺性能(冷弯、焊接性能)等，冷弯虽属钢材工艺性能但也是体现钢材材质细化和防脆断性能的参考指标，仍应作为承重结构用钢的基本保证项目。目前实际工程中多以碳当量作为量化焊接性能的指标，其计算公式和允许限值可依现行国家标准《低合金高强度结构钢》GB／T 1591的规定为依据，并按钢材熔炼分析的化学元素含量值计算。由于各种交货状态钢材的碳当量有差异，若对焊接性能有更高要求时，可选用按热机械轧制(TMCP)状态交货的钢材并要求较低的碳当量保证，其在细化晶粒、提高韧性、焊接性能方面有较好的改善效果。 4．1．4 在强烈的交变地震作用下，承重钢结构的工作条件与失效模式与静载作用下的结构是完全不同的。罕遇地震作用时，较大的频率一般为(1～3)Hz，造成建筑物破坏的循环周次通常在(100～200)周以内，因而使结构带有高应变低周疲劳工作的特点，并进入非弹性工作状态。这就要求结构钢材在有较高强度的同时，还应具有适应更大应变与塑性变形的延性和韧性性能，从而实现地震作用能量与结构变形能量的转换，有效地减小地震作用，达到结构大震不倒的设防目标。这一对钢材延性的要求，目前已作为一个基本准则列入美国、加拿大、日本等国的相关技术标准中，我国现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011也以强制性条文规定了为保证结构钢材延性的相应指标要求。综上所述，本条提出了对钢材伸长率和屈强比限值的规定。同时为了保证钢材实物产品的屈强比限值不会有较大的波动，参照GJ钢板标准对Q345GJ、Q390GJ性能指标的规定，补充提出了钢材的屈服强度波动范围不应大于120N／mm2的要求。 4．1．5 关于抗层状撕裂性能问题，国内外研究和工程经验均表明，因较高拉应力而在沿厚度方向承受较大撕裂作用的钢材，应有抗撕裂性能(Z向性能)的保证，并需按不同性能等级分别要求板厚方向断面收缩率不小于现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T 5313规定的15％(Z15)、25％(Z25)和35％(Z35)限值。由于要求Z向性能会大幅增加钢材成本(约15％～20％)，而国内有关规范对如何合理选用Z向性能等级缺乏专门研究与相应规定，致使目前工程设计中随意扩大或提高要求Z向性能的情况时有发生。实际上在高层民用建筑钢结构中有较大撕裂作用的典型部位是厚壁箱型柱与梁的焊接节点区，而高额拉应力主要是焊接约束应力。欧洲钢结构规范Eurcode3根据研究成果，已在相关条文中提出了量化确定Z向等级的计算方法，表明影响Z向性能指标的因素主要是：节点处因钢材收缩而受拉的焊脚厚度、焊接接头形式(T字形，十字形)、约束焊缝收缩的钢材厚度、焊后部分结构的间接约束以及焊前预热等，可见抗撕裂性能问题实质上是焊接问题，而结构使用阶段的外拉力并非主要因素。合理的解决方法首先是节点设计应有合理的构造，焊接时采取有效的焊接措施，减少接头区的焊接约束应力等，而不应随意要求并提高Z向性能的等级，在采取相应措施后不宜再提出Z35抗撕裂性能的要求。综上所述，本条做出了相应的规定。 4．1．6 近年来，在高层民用建筑钢结构工程中，箱形截面与方(矩)钢管截面以其优良的截面特性得到了更普遍的应用。随着现行国家标准《结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、重量及允许偏差》GB／T 6728和行业标准《建筑结构用冷弯矩形钢管》JG／T 178相继颁布，大尺寸冷弯矩形钢管(600×400×20或500×500×20)亦可批量供货，同时后者还规定了按Ⅰ级产品交货时，应以保证成型管材的力学性能，屈强比、碳当量等作为交货基本保证条件，使得产品质量更有保证。现已有多项工程的框架柱采用冷成型方(矩)钢管混凝土柱的实例。同时工程经验表明，当四块板组合箱形截面壁厚小于16mm，时，不仅加工成本高，工效低而且焊接变形大，导致截面板件平整度差，反而不如采用方(矩)钢管更为合理可行。 由于热轧无缝钢管价格较高，产品规格较小(直径一般小于500mm)并壁厚公差较大，其Q345钢管的屈服强度和—40℃冲击功要低于Q345钢板的相应值。故高层民用建筑钢结构工程中选用较大截面圆钢管时，宜选用直缝焊接圆钢管，并要求其原板和成管后管材的材质性能均符合设计要求或相应标准的规定。还应注意选用时为避免过大的冷作硬化效应降低钢管的延性，其截面规格的径厚比不应过小，根据现有的应用经验，对主要承重构件用钢管不宜小于20(Q235钢)或25(Q345钢)。 4．1．7 为了保证偏心支撑消能梁段有良好的延性和耗能能力，本条依据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011，对其用材的强度级别和屈强比作出了规定。 4．1．8 多年来，高层民用建筑钢结构楼盖结构多采用压型钢板-混凝土组合楼板，压型钢板主要作为模板起到施工阶段的承载作用，所沿用板型多为开口型。现行国家标准《建筑用压型钢板》GB／T 12755对建筑用压型钢板的材料、质量、性能等技术要求作出了规定，并提出组合楼板用压型钢板宜采用闭口型板，该种板型可增加组合楼板的有效厚度和刚度，提高楼盖使用的舒适度和隔声效果，并便于吊顶构造，近年来已有较多的工程应用实例，本条据此作出了相应规定。 4．1．9 现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017对铸钢件选材，仅规定了可选用《一般工程用铸造碳钢件》GB／T 11352，但其碳当量过高仅适用于非焊接结构。在近年来国内钢结构工程中，焊接结构用铸钢节点不仅在大跨度管结构中被普遍采用，而且也已有多个在高层民用建筑钢结构中应用的先例，其节点铸钢件所用材料多采用符合欧洲标准的G20Mn5牌号铸钢件。按新修订的国家标准《焊接结构用铸钢件》GB／T 7659-2011的规定，国内已可生产牌号为ZG340-550H的铸钢件，其性能与G20Mn5相当。据此，本条提出了焊接结构用铸钢件的选材规定。 关于铸钢件的材质，因其为铸造成型，缺少轧制改善钢材性能的效应，其致密度、晶粒度均不如轧制钢材，故抗力分项系数要比轧制钢材高15％以上，亦即强度级别相同时，其强度设计值约低15％，加之价格是热轧钢材的(2～3)倍。因而铸钢件是一种性价比不高的钢材，选用铸钢件时，应进行认真的优化比选与论证，防止随意扩大用量并增大工程成本的不合理做法。 4．1．10 现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661对焊接材料的质量、性能要求及与母材的匹配和焊接工艺、焊接构造等有详细的规定，应作为设计选用焊接材料和技术要求的依据。选用焊接材料时应注意其强度、性能与母材的正确匹配关系。同时对重要构件的焊接应选用低氢型焊条，其型号为4315(6)、5015(6)或5515(6)。各类焊接材料与结构钢材的合理匹配关系可见表2： 表2 焊接材料与结构钢材的匹配 注：1 被焊母材有冲击要求时，熔敷金属的冲击功不应低于母材的规定； 2 表中X对应各焊材标准中的相应规定。 4．1．11 选用高强度螺栓时，设计入应了解大六角型和扭剪型是指高强度螺栓产品的分类，摩擦型和承压型是指高强度螺栓连接的分类，不应将二者混淆。在选用螺栓强度级别时，应注意大六角螺栓有8．8级和10．9级两个强度级别，扭剪型螺栓仅有10．9级。现行行业标准《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ 82，对螺栓材料、性能等级、设计指标、连接接头设计与施工验收等有详细的规定，设计时可作为主要的参照依据。 锚栓一般按其承受拉力计算选择截面，故宜选用Q345、Q390等牌号钢。为了增加柱脚刚度或为构造用时，也可选用Q235钢。