第二章钢结构的材料

2.1 钢结构用钢的种类及如何选用

2.1.1 钢结构用钢的种类

钢材的牌号由以下四部分构成：一是“Q”；二是屈服点值；三是质量等级；四是脱氧方法。

Q：表示“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；

质量等级：分A~E五级（字序越高质量越好）；

TZ 表示特殊镇静钢。

碳素结构钢分为 A、B、C、D 四级，涵盖了所有的脱氧方法；低合金结构钢分为 A、B、C、D、E 五级，且只有镇静钢和特殊镇静钢。

如前所述，建筑结构用钢，应选择碳素结构钢中的 Q235 钢材，以及低合金钢中的 Q345、Q390、Q420 这三种钢材。

(1) 碳素结构钢

碳素结构钢的牌号简称钢号，有 Q195 、Q235A 、B 、C 及 D ，还有 Q275 。其中，Q 是屈服强度中“屈”字汉语拼音的字首。后面接着的阿拉伯数字表示以 N/mm2 为单位的屈服强度的大小。A 、B 、C 或 D 等表示按质量划分的级别，D 级的质量是最好的。最后有一个表示脱氧方法的符号，例如 F、Z 或 b。从 Q195 到 Q275，是按照强度从低到高进行排列的；钢材的强度主要由其中碳元素含量的多少所决定，同时也与其他一些元素的含量有关。因此，钢号从低到高在很大程度上代表了含碳量从低到高。

国内钢结构建筑的次要构件中，使用最多的钢材是 Q235，在南方地区多使用 Q235B，在北方地区多使用 Q235C。市场上的热轧钢材，像角钢、槽钢、工字钢、热轧方管、热轧圆管等钢结构设计教程，大多为 Q235 材质，也有 Q345 材质，但相对而言少一些。次要构件包括支撑、檩托板等。

（2) 低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢在钢的冶炼过程中添加了少量几种合金元素，从而使钢的强度明显提高，所以被称为低合金高强度结构钢。钢结构设计规范规定采用 Q345、Q390 和 Q420 这几种钢种。这些钢种符号的含义与碳素结构钢牌号的含义是相同的。这三种钢包含 A 、 B 、 C 、 D 、 E 这五种质量等级。像碳素结构钢那样，不同质量等级是依据对冲击韧性（夏比 V 型缺口试验）的要求来进行区分的。A 级有无冲击功的要求；B 级需提供 20℃时的冲击功 AKv 且 AKv 大于等于 34J（纵向）；C 级要提供 0℃时的冲击功 AKV 且 AKV 大于等于 34J（纵向）；D 级需提供-20℃时的冲击功 AKv 且 AKv 大于等于 34J（纵向）；E 级要提供-40℃时的冲击功 AKv 且 AKv 大于等于 27J（纵向）。不同质量等级在碳、硫、磷、铝等含量方面的要求存在差异。低合金高强度结构钢中，A 级和 B 级属于镇静钢，C 级、D 级和 E 级属于特殊镇静钢。

国内钢结构建筑的主要受力构件大多选用 Q345 材质。在南方地区，多使用 Q345B；在北方地区，多使用 Q345C 或 Q345D。主要构件包括框架（刚架）结构的梁柱、吊车梁、大跨桁架等。

（3） 高强钢丝和钢索材料

悬索结构以及斜张拉结构的钢索，还有桅杆结构的钢丝绳等，通常会采用由高强钢丝构成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳。高强钢丝是通过优质碳素钢经过多次冷拔而制成的，其分为光面钢丝和镀锌钢丝这两种类型。

钢丝强度的主要指标是抗拉强度，它的值处于 1570 到 1700 N/mm2 这个范围内。屈服强度通常是不被要求的。高强钢丝的伸长率比较小，最低能达到 4%。然而，高强钢丝（以及钢索）有一个区别于一般结构钢材的特点，那就是松弛，意思是在保持长度不变的情况下，所承受的拉力会随着时间的延长而略微降低。

平行钢丝束由 7 根钢丝组成。平行钢丝束由 19 根钢丝组成。平行钢丝束由 37 根钢丝组成。平行钢丝束由 61 根钢丝组成。钢丝束内的各钢丝受力均匀。钢丝束内的各钢丝弹性模量接近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝有圆形截面的。用来组成钢丝束的钢丝还有梯形截面的。用来组成钢丝束的钢丝还有异形截面的。

上图为平行钢丝束的截面

上图为钢绞线

钢绞线又叫做单股钢丝绳，它是由多根钢丝捻制而成的。钢丝绳大多是由 7 股钢绞线捻制出来的，其中以一股钢绞线作为核心，外层的 6 股钢绞线按照同一方向进行缠绕。

上图为钢丝绳的捻法及截面

上图为钢丝绳

2.1.2 钢材的选择

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。

对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。

强度较高时：结构的承载力较大，其所需的截面较小，结构的自重也较轻。

塑性方面表现良好，不容易出现脆性破坏；在韧性方面，状态较好，有利于承受动力荷载。

良好的加工性能，包含可焊性、冷弯性能等；良好的耐久性，包含耐腐性能等。

《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐，承重结构用钢宜采用炭素结构钢中的 Q235 钢，同时也宜采用低合金高强结构钢中的 Q345 钢、Q390 钢和 Q420 钢这四种钢材。

在选择钢材时应考虑下列各因素：

（1） 结构或构件的重要性；

（2）荷载性质（静载或动载） ;

（3）连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） ;

（4）工作条件（温度及腐蚀介质）。

焊接结构应选用质量较高的钢材。

钢材的质量和性能，可通过钢材力学性能中的抗拉强度 fu 来衡量，也可通过屈服强度 fy 来衡量，还可通过伸长率δ5（δ10）来衡量，以及通过冷弯 180 度来衡量，同时可通过冲击韧性αk 来衡量。此外钢结构设计教程，化学成分 C、S、P 等的极限含量，以及冶炼脱氧方法也能用来衡量钢材的质量和性能。

一般承重结构需有 fu 的合格保证，需有 fy 的合格保证，需有 δ5 的合格保证，还需有 C（≤0.22%）的合格保证，需有 S 的合格保证，需有 P 的合格保证；焊接及重要的非焊接承重结构需具备冷弯 180 度合格保证（C≤0.2%）；当承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时，还应根据具体情况增加对 αk 的不同要求。

Q235A 钢的保证项目里，碳含量不是必须要保证的，冷弯试验合格以及冲击韧性值也不是必须要保证的，所以这种钢只适合用在不直接承受动力作用的结构中。要是用于焊接结构，那么在其质量证明书中应该注明碳含量不超过 0.2%。

选用 Q235A 、 B 级钢时，需要选定钢材的脱氧方法。

连接时所用的钢材，像焊条这类的钢材，以及自动或半自动焊所使用的焊丝这类的钢材，还有螺栓的钢材，都应该与主体金属的强度相适应。

2.1.3 材料的规格

钢结构构件通常宜直接选用型钢，如此能减少制造的工作量，使造价降低。当型钢的尺寸不太合适或者构件尺寸很大的时候，就用钢板来制作。型钢分为热轧和冷成型这两种。

（1）热轧钢板

热轧钢板按厚度分类：

（a）薄板，厚度不大于3mm(电工钢板除外)；

（b）中板，厚度在4-20mm；

（c）有厚板，其厚度处于 20 毫米到 60 毫米之间。（d）还有特厚板，其厚度是大于 60 毫米的。

在图纸里，通过在“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面的方式来表示钢板。例如：-12 x 800 x 2100 等。通常情况下，钢板是以标准尺寸的平板进行交货的，像 2m * 6m 等多种规格。

上图为厚板和中板的交货状态

上图为钢卷的交货状态

(2) 热轧型钢

角钢分为等边和不等边两种。其中，等边角钢通过边宽和厚度来表示，例如 L100 x 10 指的是肢宽为 100mm、厚为 10mm 的等边角钢。而不等边角钢则是以两边宽度和厚度来表示，像 L100 x 80 x 10 等就是这种情况。

上图为角钢

我国槽钢有两种尺寸系列，分别是热轧普通槽钢和热轧轻型槽钢。热轧普通槽钢的表示法如［30a，意思是槽钢外廓高度为 750px 且腹板厚度为最薄的那种；热轧轻型槽钢的表示法如［25Q，其表示外廓高度为 625px，Q 是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样号数时，轻型的腹板比较薄，并且翼缘宽而薄。所以它的截面积较小，但是回转半径较大。这样就能节约钢材，减少自重。不过，实际的轻型系列产品相对较少。

上图为槽钢

工字钢和槽钢一样，都分成上述的两个尺寸系列，分别是普通型和轻型。工字钢外轮廓高度的厘米数就是它的型号，普通型的工字钢，当型号较大时，腹板厚度分为 a、b 及 c 三种。而轻型工字钢，因为壁厚已经很薄了，所以不再按厚度进行划分。两种工字钢的表示法有：I32c、I32Q 等。

上图为工字钢，与H型钢不同的是工字钢翼缘为倾斜的。

H 型钢与剖分 T 型钢。热轧 H 型钢可分为三类，一类是宽翼缘 H 型钢，其标识为 HW；一类是中翼缘 H 型钢，标识为 HM；还有一类是窄翼缘 H 型钢，标识为 HN。H 型钢的类别用符号 HW、HM 和 HN 来表示，这是 H 型钢型号的表示方法。后面接着加上“高度（毫米）×宽度（毫米）”。例如 HW300x300，意思就是截面高度为 300 毫米，翼缘宽度为 300 毫米的宽翼缘 H 型钢。剖分 T 型钢分为三类。一类是宽翼缘剖分 T 型钢，用（TW）表示；一类是中翼缘剖分 T 型钢，用（TM）表示；一类是窄翼缘剖分 T 型钢，用（TN）表示。剖分 T 型钢是由对应的 H 型钢沿着腹板中部对等剖分而形成的。它的表示方法和 H 型钢是类似的。

上图为H型钢和T型钢

上图为钢种热轧型钢截面

(3) 冷弯薄壁型钢

用 0.42 到 6 毫米厚的薄钢板，通过冷弯或者模压的方式成型的（如图示所示）。压型钢板是近些年来开始被运用的薄壁型材，其所用的钢板厚度在 0.4 到 2 毫米之间，可用于轻型屋面等构件。

上图为冷弯型钢的常用截面

上图为C型钢

上图为压型钢板，用于组合混凝土楼板

上图为彩钢板，用于屋面板和墙面板

薄壁型钢的常用型号以及截面几何特性在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018 - 2002 的附录中有体现。 薄壁型钢的常用型号可从《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018 - 2002 的附录中得知。 从《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018 - 2002 的附录里能看到薄壁型钢的截面几何特性。

查看往期课程，可点击如下链接：

第一章钢结构概述