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钢材的种类及选用-1
钢材的种类及选用-2
钢结构中常用的钢材主要有：碳素结构钢、低合金高强度钢、耐大气腐蚀的耐候钢和桥梁用钢。
按国家标准《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）的规定，碳素结构钢按质量等级分为A、B、C、D四级，表示对钢材的质量保证要求不同。 A级只要求保证抗拉强度、屈服点和伸长率，必要时才要求冷弯试验合格，对冲击韧性无要求。而B,C,D级要求保证抗拉强度、屈服点、伸长率和冷弯试验合格，同时还要求保证一定的冲击韧性。 B级要求在 20℃时，冲击功 A k ≥27 J;C级要求在 0 ℃时，冲击功 A k ≥27 J;D级要求在-20 ℃时，冲击功 A k ≥27 J。另外，不同质量等级对材料化学成分的要求也不同,A级钢的碳、硅、锰含量可以不作为交货条件，但应在质量证明书中注明其含量。
碳素结构钢的牌号（brand）由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级（A,B,C,D）、脱氧方法符号（F,Z,TZ,分别表示沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢）4 个部分顺序组成。目前生产的碳素结构钢有:Q195、Q215、Q235 和Q275 4 种，含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。Q235 的含碳量低于 0.22%，属于低碳钢，其强度适中，塑性、韧性和可焊性较好，是建筑钢结构常用的钢材品种之一。
脱氧方法对钢材质量有很大影响，如Q235 钢材,A、B两级的脱氧方法可以是F,Z;C级只能是Z;而D级只能是TZ。 Z和TZ在牌号中可以省略，例如：
Q235—A·F——A级沸腾钢。
Q235—B——B级镇静钢。
Q235—C——C级镇静钢。
Q235—D——D级特殊镇静钢。
另外，对碳塑结构钢进行热处理（heat treatmen），如调质处理、正火处理可降低杂质元素含量，减少缺陷，提高材料综合性能，这类钢称为优质碳素钢。用于制作高强度螺栓、网架结构中的螺栓球、重要结构的钢铸件、预应力结构中的锚具（45 号钢）和制作碳素钢丝、钢绞线（65 ~80 号钢）等。
低合金高强度结构钢是在碳素钢中加入少量几种合金元素，其总量虽低于 5%，但钢的强度明显提高，故称为低合金高强度结构钢。按国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2018）的规定，采用与碳素结构钢类似的表示方法，其牌号按钢材厚度或直径不大于 16 mm时的上屈服点由小到大排列，有Q355,Q390,Q420 和Q460 等，牌号意义和碳素结构钢相同。不同的是，低合金高强度结构钢不设A质量等级，其质量等级分为B,C,D,E,F五级，其中E级和F级分别要求-40℃和-60℃的冲击韧性。
在钢的冶炼过程中，加入少量特定的合金元素，一般指铜（Cu）、磷（P）、铬（Cr）、镍（Ni）等，使之在金属基体表面形成保护层，提高钢材耐大气腐蚀性能，这类钢统称为耐大气腐蚀用钢或耐候钢。我国目前生产的耐候钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两类。相比较而言，高耐候结构钢具有较好的耐大气腐蚀性能，焊接耐候钢具有较好的焊接性能。耐候钢的牌号表示方法是由分别代表“屈服点”的拼音首字母Q,屈服点的数值，“高耐候”或“耐候”的汉语拼音字母GNH或NH以及质量等级（A,B,C,D,E）顺序组成。例如,Q355GNHC表示屈服点为 355（N/ mm 2 ），质量等级为C级的高耐候钢。耐候钢的化学成分、力学性能等参数可查阅国家标准《耐候结构钢》（GB/T 4171—2008）。
由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的力学性能、焊接性能等技术要求一般都严于房屋建筑用钢，其牌号表达方式与其他钢材一样，由屈服点拼音首字母Q,屈服点数值，桥梁钢拼音首字母q和质量等级（C,D,E,F）4 个部分顺序组成，如Q420qD。桥梁钢的化学成分、力学性能等参数可查阅国家标准《桥梁用结构钢》（GB/T 714—2015）。
高性能建筑结构钢材（GJ钢）适用于建造高层结构，大跨度结构及其他重要建筑结构，与碳素结构钢及低合金高强度结构钢相比,GJ钢具有较高的冲击韧性，良好的焊接性能，强度的厚度效应也更低。
GJ钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音字母（Q），规定的最小屈服强度数值，代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母（GJ），质量等级符号（B,C,D,E）组成。如Q345GJC;对于厚度方向性能钢板，在质量等级后加上厚度方向性能级别（Z15、Z25 或Z35），如Q345GJCZ25。
GJ钢的性能指标可查阅国家标准《建筑结构用钢板》（GB/T 19879—2015）。
由前述可知，不同钢材的力学性能、焊接性能、价格等技术、经济指标各有差异。因此，合理选择钢材是钢结构设计中的首要环节。选择钢材的基本原则是既要保证结构的安全可靠，又要做到用料经济合理。选择钢材时考虑的因素有：
1）结构的重要性
由于使用条件、结构所处部位等方面的不同，结构可以分为重要、一般和次要的三类。例如民用大跨度屋架、重级工作制吊车梁等就是重要的；普通厂房的屋架和柱等属于一般的；梯子、平台、栏杆等则是次要的。应根据不同情况，有区别地选用钢材，并对钢材质量提出不同保证项目。
2）荷载的性质
按所承受荷载的性质，结构可分为承受静力荷载和动力荷载两种。在承受动力荷载的结构或构件中，又有经常满载和不经常满载的区别。因此，荷载性质不同，就应选用不同的钢材，并提出不同的质量保证项目。例如，对重级工作制吊车梁就要选用冲击韧性和疲劳性能好的钢材；而对一般承受静力荷载的结构或构件，如普通屋架及柱等（在常温条件下），就可以选用Q235 钢。
3）连接方法
连接方法不同，对钢材质量要求也不同。例如焊接结构的钢材，由于焊接过程中不可避免地会产生焊接应力、焊接变形和焊接缺陷，在受力性质改变和温度变化的情况下，容易引起缺口敏感，导致构件产生裂纹或裂缝，甚至发生脆性断裂。所以焊接结构对钢材的化学成分、力学性能和可焊性都有较高的要求。如钢材中的碳、硫、磷的含量要低，塑性、韧性指标要高、可焊性要好等。但对非焊接结构（如用高强度螺栓或铆钉连接的结构），这些要求就可以放宽。
4）结构的工作温度
结构所处的环境和工作条件，例如室内、室外、温度变化、腐蚀作用情况等对钢材的影响很大。钢材有随着温度下降而发生脆断（低温冷脆）的特性。钢材的塑性、冲击韧性都随着温度的下降而降低，当下降到冷脆转变温度时，钢材处于脆性状态，随时都可能突然发生脆性断裂。国内外都有这样的工程事故的实例。而经常在低温条件下工作的焊接结构则更为敏感（sensi tivity），选材时，必须慎重考虑。
选用钢材就是要确定钢材牌号（包括钢种、冶炼方法、脱氧方法、质量等级等），并提出应有的力学性能和化学成分保证项目，至少应具有屈服点、抗拉强度、伸长率三项力学性能和硫、磷含量两项化学成分的合格保证，对焊接结构还应有含碳量的合格保证。详细要求请查阅《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）中对钢材选用的具体规定。
钢结构的构件均由各种规格的型钢（shape steel）加工制作而成，型钢包括热轧型钢、冷弯薄壁型钢、钢索等。
1）钢板
钢板（plate）有厚钢板、薄钢板和扁钢（图 2.13）3 种。其规格和用途如下：
图 2.13 型钢截面形式
厚钢板：厚度为 4.5 ~ 60 mm,宽度为 600 ~ 300 mm,长度为 4 ~ 12 m;用于制作焊接组合截面构件，如焊接工字形截面梁的翼缘板、腹板等。
薄钢板：厚度为 0.35 ~ 4 mm,宽度为 500 ~ 1 500 mm,长度为 0.5 ~ 4 m;用于制作冷弯薄壁型钢。
扁钢：厚度为 3 ~ 60 mm,宽度为 10 ~ 200 mm,长度为 3 ~ 9 m。用于焊接组合截面构件的翼缘板、连接板、桁架节点板和制作零部件等。
钢结构中板件的表示方法为“-宽度×厚度×长度”，如“-400×12×800”，单位为mm。
近年来在超高层和大跨钢结构中，还使用厚度大于 60 mm的特厚钢板。
2）角钢
角钢（angle steel）分等边角钢和不等边角钢。不等边角钢的表示方法为，“L长边宽×短边宽×厚度”，如“L100×80×8”，等边角钢表示为“L边宽×厚度”，如L100×8,单位为mm。
3）钢管
钢管分无缝钢管（seamless steel tube）和焊接钢管（welded steel tube）两种，表示方法为“ Φ 外径×壁厚”，如 Φ 180×4,单位为mm。
4）槽钢
槽钢（channel steel）有普通槽钢和轻型槽钢两种，用截面符号“
”和截面高度（ cm）表示，高度在 20 cm以上的槽钢，还用字母a,b,c表示不同的腹板厚度。如
30a,称“30 号”槽钢。号数相同的轻型槽钢与普通槽钢相比，其翼缘宽而薄，腹板也较薄。
5）工字钢
工字钢分为普通工字钢和轻型工字钢。用截面符号“
”和截面高度（cm）表示，高度在 20 cm以上的普通工字钢，用字母a,b,c表示不同的腹板厚度。如
20c,称“20 号”工字钢。腹板较薄的工字钢用于受弯构件较为经济。轻型工字钢的腹板（web）和翼缘（flange）均比普通工字钢薄，因而在相同重量下其截面模量和回转半径较大。
6）H型钢和剖分T型钢
H型钢是目前广泛使用的热轧型钢，与普通工字钢相比，其特点是：翼缘较宽，故两个主轴方向的惯性矩相差较小；另外翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。为满足不同需要,H型钢有宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢，分别用标记HW,HM和HN表示。各种H型钢均可剖分为T型钢，相应标记用TW,TM,TN表示。 H型钢和剖分T型钢的表示方法是：标记符号、高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度。例如,HM244×175×7×11,其剖分T型钢是TM122×175×7×11,单位为mm。
薄壁型钢是用薄钢板经模压或冷弯而制成的，其截面形式（图 2.14）及尺寸可按合理方案设计。薄壁型钢的壁厚一般为 1.5~ 5 mm,用于承重结构时其壁厚不宜小于 2 mm。用于轻型屋面及墙面的压型钢板，钢板厚为 0.4~ 1.6 mm。薄壁型钢能充分利用钢材的强度，节约钢材，已在我国推广使用。
图 2.14 薄壁型钢的截面形式
用高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳统称为钢索。
1）平行钢丝束
平行钢丝束通常由 7 根,19 根,37 根或 61 根直径为 4 mm或 5 mm的钢丝（ steel wire）组成，其截面如图 2.15（a）、（b）所示。平行钢丝束的各根钢丝相互平行，它们受力均匀（homoge neous），能充分发挥高强钢丝材料的轴向抗拉强度，弹性模量也与单根钢丝接近。
图 2.15 钢索截面
2）钢绞线
钢绞线（steel strand）一般由 7 根钢丝捻成，一根在中心，其余 6 根在外层同一方向缠绕，标记为（1×7）；我国有的厂家还生产由 2 根、3 根钢丝捻成的钢绞线，标记分别为（1×2）、（1×3）；也有多根钢丝如 19 根、37 根等捻成的钢绞线，分别由三层、四层钢丝组成，标记分别为（1×19）、（1×37）。国外常用多根钢丝捻成的钢绞线，其外层的钢丝截面有时还采用梯形、S形等变形截面，如图 2.15（d）所示。国内常用（1×7）钢绞线，或多根（1×7）钢绞线平行组成的钢绞线束，如图 2.15（c）所示。
由于钢绞线中各钢丝的受力不均匀，钢绞线的抗拉强度要比单根钢丝降低 10%~ 20%，弹性模量也有所降低。国家标准《预应力混凝土用钢丝》（GB/T 5223—2014）对高强钢丝的力学性能指标要求见附表 1.7。
3）钢丝绳
钢丝绳（steel cable）通常是由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线作为核心，外层的 6 股钢绞线沿同一方向缠绕。由 7 股（1+6）的钢绞线捻成的钢丝绳，其标记为绳 7（7），股（1+6）。还有一种钢丝绳是由 7 股（1+6+12）的钢绞线捻成的，其标记为绳 7（19），股（1+6+12）。钢丝绳中每股钢绞线的捻向可以相反，也可以相同。钢丝绳的强度和弹性模量略低于钢绞线，其优点是比较柔软，适用于需要弯曲曲率较大的构件。
4）钢索的制作
钢索制作一般须经下料、编束、预张拉及防护等几个程序。
为了使钢索的各根钢丝或各股钢绞线在受荷后均匀受力，制索下料时应尺寸精确等长。一般采用“应力”下料，即将开盘、调直后的钢丝或钢绞线在一定张拉应力状态下号料，其拉应力可取 200~ 300 N/ mm 2 ,在这一应力下钢丝或钢绞线可以拉直，消除一些非弹性因素对长度的影响；此外还应注意同一工程所有的索张力保持一致。钢丝或钢绞线及热处理钢筋的切断应采用切割机或摩擦圆锯片，切忌采用电切割或气切割。
钢索编束，不论钢丝束或钢绞线都采用栅孔板梳理，以使每根钢丝或各股钢绞线保持相互平行，防止互相交搭、缠结。钢索成束后，每隔 1 m左右要用铁丝缠绕扎紧。
焊接将会大大降低高强钢丝的强度，因此高强钢丝不能焊接。目前国内的高强钢丝、钢绞丝生产均可根据用户要求的重量和长度打成盘卷供货，并可做到整卷高强钢丝或钢绞线无焊接焊头。
各类钢索在使用前必须进行预张拉，以消除索的非弹性变形，保证索在使用阶段的弹性工作。图 4.32 表示钢索在初次受拉以及经过预张拉后的不同工作图形。预张拉一般取极限强度的 50%~ 55%，维持 0.5~ 2 h。钢索经上述方式预张拉后，工作性能就比较稳定，应力与应变基本呈线性关系。
钢索的预张拉一般在现场进行。实验表明，也可在索制成后就在工厂预张拉，保持清洁，然后卷在直径足够大的卷筒上，运送工地使用，而不影响索的使用质量。这样做还可减轻现场的工作量。
为了保证钢索的长期使用，并由于钢索是由直径较小的高强钢丝组成的，任何因素引起的截面损伤、削弱都会构成索结构的不安全因素，因此必须做好钢索的防护。钢索防护有以下做法：①黄油裹布；②多层塑料涂层，该涂层材料浸以玻璃加筋的丙烯树脂；③多层液体氯丁橡胶，并在表面覆以油漆；④塑料套管内灌液体的氯丁橡胶。防护做法可根据钢索的使用环境和具体施工条件选用其一。如我国的一些体育馆悬索屋盖，大多数露于室内的钢索都采用了黄油裹布做法。此方法在编好的钢索外表满涂黄油一道，用布条或麻布条缠绕包裹进行封闭。涂油、裹布应重复 2 ~ 3 道，每道包布的缠绕方法与前一道相反。此法简单易行，价格较便宜。暴露于室外的钢索则宜采用钢索外加套管内灌液体氯丁橡胶的做法。
不论采用哪种钢索防护做法，在钢索防护前均应注意认真做好除污、除锈，这是钢索防护施工中的首要工序，其目的是使钢索表面达到一定的清洁度以利于防护涂层的附着和提高防护寿命。研究结果表明，影响钢索防护质量的各种因素中，表面处理占 49.5%~ 60%。因此，当钢丝或钢绞线进入施工现场后，首先应注意现场保护不使其锈蚀，未镀锌的钢丝或钢绞线应先涂一道红丹底漆。在作保护层前，若遇有钢丝或钢绞线已有锈蚀时，应注意彻底清除浮锈；锈蚀严重时则应根据具体情况降低标准使用或不用。