第2章 钢结构的材料

表2.6.4 部分低合金高强度钢的化学成分规定（GB/T1591）

牌号 质量 等级 A B C D E A B C D E A B C D E C ≤ 0.20 0.20 0.20 0.18 0.18 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 Mn 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.60 1.00~1.70 1.00~1.70 1.00~1.70 1.00~1.70 1.00~1.70 Si ≤ 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 P ≤ 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 化 学 成 分，％ S ≤ 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 V 0.02~0.15 0.02~0.15 0.02~0.15 0.02~0.15 0.02~0.15 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 Nb 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 0.015~0.060 Ti 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 0.02~0.20 Al ≥ － － 0.015 0.015 0.015 － － 0.015 0.015 0.015 － － 0.015 0.015 0.015 Cr ≤ Ni ≤ Q345 Q390 Q420 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70 0.70

表2.6.5 部分低合金高强度钢的力学性能要求（GB/T1591）

屈服点ζs，N/mm2 牌号 质量 钢板厚度（直径），mm 等级 ≤16 >16~35 >35~50 >50~100 不小于 A B Q345 C D E A B Q390 C D E A B Q420 C D E 345 345 345 345 345 390 390 390 390 390 420 420 420 420 420 325 325 325 325 325 370 370 370 370 370 400 400 400 400 400 295 295 295 295 295 350 350 350 350 350 380 380 380 380 380 275 275 275 275 275 330 330 330 330 330 360 360 360 360 360 470~630 470~630 470~630 470~630 470~630 490~650 490~650 490~650 490~650 490~650 520~680 520~680 520~680 520~680 520~680 21 21 22 22 22 19 19 20 20 20 18 18 19 19 19 34 34 34 180弯曲试验 抗拉强度 d=弯心直径； δs，％ +20℃ 0℃ -20℃ -40℃ a=试样厚度(直径) ζ 伸长率 冲击功，AkV，(纵向)，J bN/mm2 不小于 34 34 34 34 34 34 27 27 27 钢材厚度(直径)，mm ≤16 d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a d=2a >16~100 d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a d=3a

三、优质碳素结构钢

优质碳素结构钢（quality carbon structure steel）与碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能。按照国家标准《优质碳素结构钢技术条件》GB/T699生产的钢材共有两大类，一类为普通含锰量的钢，另一类为较高含锰量的钢，两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mn，如45号钢，表示平均含碳量为0.45％的优质碳素钢；45Mn号钢，则表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。可按不热处理和热处理（正火、淬火、回火）状态交货，用做压力加工用钢（热压力加工、顶锻及冷拔坯料）和切削加工用钢。由于价格较高，钢结构中使用较少，仅用经热处理的优质碳素结

25

构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉等。

四、其它建筑用钢

在某些情况下，要采用一些有别于上述牌号的钢材时，其材质应符合国家的相关标准。例如，当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，应符合《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定；处于外露环境对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性气、固态介质作用下的承重结构采用耐候钢时，应满足《焊接结构用耐候钢》GB/T4172的规定；当在钢结构中采用铸钢件时，应满足《一般工程用铸造碳钢件》GB/T11352的规定等。

2.6.2 钢材规格

钢结构所用钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，以及冷加工成型的冷轧薄钢板和冷弯薄壁型钢等。为了减少制作工作量和降低造价，钢结构的设计和制作者应对钢材的规格有较全面的了解。

一、钢板

钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。厚钢板常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等；薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢；扁钢可用做焊接组合梁、柱的翼缘板、各种连接板、加劲肋等，钢板截面的表示方法为在符号“－”后加“宽度3厚度”，如－200320等。钢板的供应规格如下：

厚钢板：厚度4.5~60mm，宽度600~3000mm，长度4~12m；

薄钢板：厚度0.35~4mm，宽度500~1500mm，长度0.5~4m； 扁钢：厚度4~60mm，宽度12~200mm，长度3~9m。

二、热轧型钢

常用的有角钢、工字钢、槽钢等，见图2.6.1a~f。

角钢分为等边（也叫等肢）的和不等边（也叫不等肢）的两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽3短边宽3厚度”（对不等边角钢，如L12538038），或加“边长3厚度”（对等边角钢，如L12538）。目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为4~19m。

(h)

(a)角钢；(b)工字钢；(c)槽钢；(d)H型钢；(e)T字钢；(f)钢管；(g)冷弯薄壁型钢；(h)压型钢板

图2.6.1 热轧型钢及冷弯薄壁型钢 工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。普通工字钢和轻型工字钢的两个主轴方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内受弯的构件，或由工字钢和其它型钢组成的组合构件或格构式构件。宽翼缘H型钢平面内外的回转半径较接近，可单独

26

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

用作受压构件。

普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别，例如I20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄，回转半径较大。普通工字钢的型号为10～63号，轻型工字钢为10~70号，供应长度均为5~19m。

H型钢与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其它构件连接。H型钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）三类。还可剖分成T型钢供应，代号分别为TW、TM、TN。H型钢和相应的T型钢的型号分别为代号后加“高度H3宽度B3腹板厚度t13翼缘厚度t2”，例如HW4003400313321和TW2003400313321等。宽翼缘和中翼缘H型钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H型钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H型钢为HN7003300313324。供货长度可与生产厂家协商，长度大于24m的H型钢不成捆交货。

槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种。适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件。槽钢的型号与工字钢相似，例如［32a指截面高度320mm，腹板较薄的槽钢。目前国内生产的最大型号为［40c。供货长度为5~19m。

钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。由于回转半径较大，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用。型号可用代号“D”后加“外径d3壁厚t”表示，如D18038等。国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm。供货长度为3~12m。焊接钢管的外径可以做的更大，一般由施工单位卷制。

三、冷弯薄壁型钢

采用1.5~6mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材（见图2.6.1g），和采用0.4~1.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板（见图2.6.1h），其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材，在国内外轻钢建筑结构中被广泛地应用。近年来，冷弯高频焊接圆管和方、矩形管的生产和应用在国内有了很大的进展，冷弯型钢的壁厚已达12.5mm（部分生产厂的可达22mm，国外为25.4mm）。

2.6.3 钢材的选择

一、钢材选用原则和建议

钢材的选用既要确保结构物的安全可靠，又要经济合理，必须慎重对待。为了保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境、应力状态和钢材厚度等因素综合考虑，选用合适牌号和质量等级的钢材。

一般而言，对于直接承受动力荷载的构件和结构（如吊车梁、工作平台梁或直接承受车辆荷载的栈桥构件等）、重要的构件或结构（如桁架、屋面楼面大梁、框架横梁及其它受拉力较大的类似结构和构件等）、采用焊接连接的结构、以及处于低温下工作的结构，应采用质量较高的钢材。对承受静力荷载的受拉及受弯的重要焊接构件和结构，宜选用较薄的型钢和板材构成；当选用的型材或板材的厚度较大时，宜采用质量较高的钢材，以防钢材中较大的残余拉应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应力场，引起脆性破坏。

承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有含碳量的合格保证。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。

根据多年的实践经验总结，并适当参考了有关国外规范的规定，GB50017具体给出了需要验算疲劳的钢结构钢材应具有的冲击韧性合格保证的建议，如表2.6.6所示。

为了简化订货，选择钢材时要尽量统一规格，减少钢材牌号和型材的种类，还要考虑市场的供应情况和制造厂的工艺可能性。对于某些拼接组合结构（如焊接组合梁、桁架等）可以选

27

用两种不同牌号的钢材，受力大、由强度控制的部分（如组合梁的翼缘、桁架的弦杆等），用强度高的钢材；受力小、由稳定控制的部分（如组合梁的腹板、桁架的腹杆等），用强度低的钢材，可达到经济合理的目的。

表2.6.6 需验算疲劳的钢材选择表

结构类别 结构工作温度* 0℃≥t＞-20℃ t≤-20℃ t≤-20℃ 要求下列低温冲击韧性合格保证 0℃ Q235C Q345C － Q235C Q345C -20℃ Q390D Q420D Q235D Q345D Q390D Q420D -40℃ － Q390E Q420E － 要求验算疲劳的焊接结构或构件 要求验算疲劳的非焊接结构或构件 *注：结构工作温度：对露天和非采暖房屋的结构，取建筑物所在地区室外最低日平均温度（见文献2.14的附

表2.1）；对采暖房屋内的结构，考虑到采暖设备可能发生临时故障，使室内的结构暂时处于室外的温度中，偏于安全，可按室外最低日平均温度提高10℃取用，也可经合理地研究确定。

二、国外防脆选材的有关建议

欧洲钢结构试行规范（EC3）在其正文中对于承受准静力荷载（包括自重、楼面荷载、车辆荷载、风载、波浪荷载及吊车荷载）的钢结构，根据其构件是否为受压和非焊接受拉，区分为S1和S2两种使用条件，分别给出了最低使用温度为0℃、-10℃和－20℃时，不必进行脆性断裂验算的各种钢材的最大板厚限值（见表2.6.7），并在其附录C中给出了防止脆性破坏的设计方法。这些方法同时考虑了钢材的强度等级、材料厚度、加载速率、最低使用温度、材料韧性和构件种类（破坏后果）的影响，规定比较详细，具有可操作性。

表2.6.7 欧洲EC3规定的承受静载的钢构件最大厚度限值

最低使用温度 使用条件(*1) Fe360(235)B C D Fe510(355)B C D DD(*2) FeE355KT S1 150 250 250 40 106 250 250 250 0℃ S2 41 110 250 12 29 73 128 250 S1 108 250 250 29 73 177 250 250 -10℃ S2 30 75 212 9 21 52 85 250 S1 74 187 250 21 52 150 250 250 -20℃ S2 22 53 150 6 16 38 59 150 钢材牌号 (屈服点N/mm2) *注：(1)使用条件中，S1相对于受压的构件和受拉、受弯非焊接的构件；S2相对于受拉、受弯的焊接构件。在这二种情况中，加载速率相当于准静态，即应变速率低于10-3s-1；构件种类（破坏后果）采用了C2级，即相当于关键构件和节点，当这些部位断裂时，其局部破坏会引起整个结构的坍塌，造成生命和财产的重大损失。

(2)Fe510 DD钢要求-20℃时的CV值不小于40J，相当于-30℃时CV值不小于27J。

俄罗斯地处欧洲西北部，冬季气候寒冷，过去曾发生过不少钢结构的脆性破坏事故。经过大量的理论和试验研究，前苏联《钢结构设计规范》（СНNП Ⅱ-23-81）提出了一套考虑脆性破坏的强度计算方法。该规范规定，建造在-30℃至-65℃气温地区的钢结构中，都要考虑脆性破坏的抗力，按下式验算强度：

?max??Ru/?u (2.6.1)

28