钢结构设计中的基本概念探讨

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随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛，这就要求设计人员必须掌握与此相关的各种知识。本文论述的几个问题几乎是任何一项钢结构设计都要遇到的基本问题。从表面上看这几个问题非常简单，然而不少设计人员在处理这几个问题时却把握不准。究其原因，这几个问题看起来简单，其内涵却非常丰富，涉及到很多非结构专业的问题。笔者翻阅了有关资料，对钢结构设计中这几个经常遇到的基本问题进行论述。希望能对钢结构设计者有所裨益。

　　1钢材的选型

　　很多设计人员在设计时说明关于钢材的选型中往往写道：“钢材选用Q235-B，其抗拉强度、屈服点、伸长率、碳、硫、磷极限含量，应符合有关规定，且保证其可焊性。”这种说法是不正确的。其错误的原因是对我国现行的钢产品标准不熟悉，老、旧标准相混淆。目前，我国建筑钢材一般只用两种，即碳素结构钢和低合金高强度结构钢，其相应的国家标准为《碳素结构钢》(GB700-88)和《低合金高强度结构钢》(GB／T1591-94)。以前常说的三号钢和16Mn钢就分别属于碳素结构钢和低合金高强度结构钢。按(GB700-88)碳素结构钢分为Q195、Q215、Q225、0235、Q275，0235又分为A、B、C、D 4个质量等级，即Q235-A～D。A级钢不做冲击试验，而B、C、D级则分别保证在20、0、-20℃时V型冲击功不小于27J。冲击功的大小反映了材料的韧性，在研究船舶脆断的试验中发现V型冲击功在最低使用温度下不小13.7J时，船舶脆断事故很少发生。因此，当设计承受动力荷载的结构时要根据环境温度的不同情况，选用不同级别的钢材。如果我们选用了Q235-B，那么只要它是符合标准的产品，则钢材的屈服点、抗拉强度、伸长率、碳、硫、磷等化学成分，冷弯试验值、V型冲击功试验值都是有保证的(即以前所说的5项保证)，不必另行强调。因此正确的说法应该是：“钢材选用Q235-B，其性能应符合国家标准(GB700-88)的规定。”

　　要特别提到的是：在国家标准(GB700-88)中第5.1.1.5条注明：“在保证钢材力学性能符合本标准规定情况下，各牌号A级钢的碳、锰、硅含量和各牌号其他等级钢碳、锰含量下限可以不作为交货条件，但其含量(熔炼分析)应在质量证明书中注明。”这就表明A级钢的碳、锰、硅含量是不保证的。在国家标准(GB700--88)中第5A.1.3条注明：“各牌号A级钢的冷弯试验，在需方有要求时才进行。当冷弯试验合格时，抗拉强度上限可以不作为交货条件。”由于碳含量对钢材的可焊性影响很大，从表面上看，既然A级钢的碳、锰、硅含量不保证，那么Q235-A是不能用于焊接结构的，似乎Q235-A是一种质量很差的钢材，除平台板和支撑构件外，几乎很少场合可以用Q235-A。事实并非如此。压力容器应该是典型的焊接结构，对其性能的要求也比普通的建筑钢结构要严格。然而，我国的最新压力容器标准《钢制压力容器》(GB150-1998)却明文规定在压力≤1.0MPa，温度0-350℃，壳体厚度≤16mm时，除极度危害介质的压力容器外，可以使用Q235-A(见该标准第4.2.2，4.2.3条)。这就表明Q235-A是可以用于焊接结构的。除了像吊车梁这样以动荷载为主要荷载的承重结构，一般对冲击韧性没有特殊要求的承重结构都可以选用Q235-A。首先，评价一种钢材的可焊性，并非仅仅由含碳量决定，而是由碳当量决定。目前我国生产的符合标准的Q235-A。其碳当量不会超过0.45％，其可焊性是有保证的，可以用于焊接结构使用。其次，Q235-A的屈服强度、抗拉强度、伸长率是有保证的，只是当冷弯试验合格时，抗拉强度上限不保证，而设计时，一般都把屈服强度作为强度计算和稳定计算的依据，结构的实际应力值都远低于屈服强度，因此只要材料的屈服强度有保证，则结构的强度是有保证的。至于结构的刚度只与结构形式和截面尺寸有关，与抗拉强度并无关系。一般而言，当一种钢材的伸长率和冷弯试验合格时，就表明它具有了一定的韧性。因此，对于一般承重结构所需要的基本力学性能，Q235-A是可以保证的。

　　综上所述，Q235-A是可以用于焊接承重结构的，但不能用于低温环境和动荷载较大的结构(即对材料的韧性有较高要求的结构)。这一点已经为大量的工程实践所证明。当然，在选用Q235-A时，要附加冷弯试验合格的保证，并且要根据质保书核算碳当量是否满足要求。为可靠起见，板材的厚度一般不宜超过16mm。目前，国内钢材市场上Q235系列的板材和型材大都为Q235-A。如果不分场合，所有的承重结构都选择Q235-B～D。则不仅工程造价提高，而且也给材料的采购带来麻烦，以至延误工期，是不可取的。

　　2焊接检验

　　当结构的母材和焊接材料选定以后，就要确定焊缝的质量等级。选择合适的质量等级是非常重要的，不恰当地提高焊缝的质量等级将提高工程造价。

　　鉴于现有的焊接技术尚无法避免焊接过程中焊接缺陷的产生，因此必须采取一定措施将焊接缺陷控制在允许的范围内。实践证明，通过制定焊接缺陷质量要求标准进行约束是一种有效的手段。在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中就将焊缝质量等级分为一、二、三3个等级。如果经过检查，焊接缺陷不超过所要求的级别的各项规定，则焊接过程中焊接缺陷就得到了控制。

　　对于建筑钢结构，焊缝质量要达到一级标准是很困难的。特别是在采用手工电弧焊且剖口较深时，一般的焊工很难做到。在实际工程中，除了大跨度重级工作制吊车梁的下翼缘对接，以及大跨度钢桥的受拉构件的对接这种对质量要求很高的焊缝要求一级焊缝以外，其他场合很少用到一级，一般都要求二级。

　　对于角焊缝，除了在要求熔透的情况(如对于轮压较大的吊车梁的上翼缘和腹板连接的角焊缝)，其质量等级要求二级外，其他场合一般都用三级。

　　在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中，3个质量等级对于焊缝的内部缺陷检验、外观质量标准及检验方法都作了明确的规定：设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验。焊缝内部缺陷分级及探伤方法应符合国家现行标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》(GB11345)的规定，对于一、二级焊缝的探伤结果应符合表1的规定。

　　在CB11345中检验等级分为A、B、C3个级别，评定等级分为I、II、III、Ⅳ4个级别。所谓检验等级就是检验方法(有的设计手册把焊缝质量等级和检验等级混为一谈，出现“一级焊缝应符合检验等级中的B级”这样明显的错误)。焊缝中缺陷的位置、形状和方向直接影响缺陷的声反射信号强度。由于缺陷存在的任意性，因此超声波探测焊缝的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的概率愈大，则缺陷的检出率也愈高。根据探测方向(取决于探头角度、探伤侧、探伤面及探头移动角度等)的多少，分为A、B、C3个级别，它体现了检验的完善程度，按A、B、C逐级提高，其检验工作的难度系数也逐级提高(A为1，B为5-6，C为10～12)。各级别探伤面、探伤侧、探头角度及探测方法等在GB11345中都有明确的规定。对于建筑钢结构以及压力容器，目前我国超声波探伤的检验等级都采用B级。当检验方法(即检验等级)确定以后，根据用该种方法检测出焊缝中缺陷的情况，对其结果进行等级分类，就是所谓的评定等级。对于焊缝宏观质量控制，缺陷的尺寸超过1mm才有实际意义。CB11345根据缺陷的长度按表2中的规定予以评级。表2中的12、8／3等均为超声波探伤仪测出的缺陷尺寸。

　　3螺栓

　　建筑钢结构所用的螺栓有两大类，即普通螺栓和高强度螺栓。普通螺栓和高强度螺栓的主要区别在于其机械性能不同，也即性能等级不同。在设计中经常注明的“高强度螺栓8.8级”，8.8即为性能等级，小数点前一个数字8表示该螺栓材料热处理后的抗拉强度为800 MPa，小数点后一个数字8则表示该材料的屈强比(屈服强度与抗拉强度比值)0.8，10.9级则表示该材料的抗拉强度为1000MPa，屈强比为0.9。屈强比大，则材料的韧性差，不宜重复使用。尤其是10.9级的只能用一次。目前我国使用的高强度螺栓只有8.8级和10.9级，可以写为8.8s和10.9s。普通螺栓如果用Q235(通常用Q235-B以保证有良好的韧性)则性能等级为4.6，如果用Q345则为6.6级。普通螺栓一般在设计时不注明性能等级，只注明钢号。

　　一些设计人员在设计说明中往往写道：“高强度螺栓采用承压型高强度螺栓10.9s”，这是一种不正确的说法。对于设计者只要给出高强度螺栓的性能等级和连接材料摩擦面的抗滑移系数即可。不必规定制造商采用何种螺栓。当然，如果确有必要，可以推荐用大六角头高强度螺栓，或是扭剪型高强度螺栓。

　　承压型高强度螺栓(或摩擦型高强度螺栓)是一个错误的术语，它将螺栓的连接方式(连接的力学模式)和螺栓的种类(外形和性能)这两个不相及的概念混为一谈。谈到承压型(Bearing Type)与摩擦型(Friction Type)，它应该属于连接形式(Type of Joint)的范畴。承压型连接和摩擦型连接只是抗剪连接的两种形式。前面提及的两种螺栓既可以用于承压型连接，也可以用于摩擦型连接，性能都是可靠的。至于这两种连接形式的区别和具体计算，在规范、教科书和设计手册中都有详尽的说明。目前高强度螺栓的连接多用于摩擦型连接，这种连接使得结构的刚度较大，是其主要的优点。

　　大六角头高强度螺栓的外观和普通螺栓基本一致，只是材料和拧紧的方式不同。扭剪型高强度螺栓为日本人首创，20世纪70年代末随宝钢工程引进。这种螺栓的尾部设有槽口和梅花形卡头，在拧紧螺母时用专用的电动扳手套住螺母和卡头一起拧。直至卡头拧断，此时螺栓也达到了规定的预拉力值。这种高强度螺栓紧固简单，便于检查是否有漏拧或是欠拧，但耗材略多，预拉力值离散性大且需要专用扳手，也是其缺点。扭剪型高强度螺栓目前我国只有10.9级。这两种高强度螺栓的类型与尺寸及性能都有对应的国家标准。所谓连接副指一个螺栓、一个螺母和一个垫圈(大六角头高强度螺栓为两个垫圈)。大六角头高强度螺栓之所以要两个垫圈是因为其螺栓的加工精度较低，难以保证它与构件的紧密结合。

　　普通螺栓按制作精度分为A、B、C级3种，分别称为精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B级螺栓除了螺栓本身制作精度要求较高以外，对螺孔的精度也要求较高(I类孔)，以前在建筑钢结构中多用于永久螺栓，现在已逐步为高强度螺栓所取代。这是因为如果用8.8级的大六角头高强度螺栓，其价格与精制螺栓相差不多，但高强度螺栓对螺孔的要求和粗制螺栓几乎一样，这样不仅构件的制作和安装成本可以降低，而且施工方便且性能可靠。C级螺栓一般都用于安装螺栓，地脚螺栓也属于粗制螺栓。

　　4涂装

　　涂装其意思与防腐基本一致，不仅包括涂料，还包括对钢材表面的除锈要求。“钢材表面须认真除锈”这样的说明缺乏具体的标准，应该注明除锈等级Sa2.5，或除锈等级St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是喷射或抛射(通常说的喷砂只是其中一种)的等级要求，共有4级。手工和动力工具除锈等级只有St2、St3两种。我国对于除锈等级早已有国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB8923-88)。喷射除锈不仅除锈彻底，而且能在钢材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料与钢材的黏结，大大提高防腐年限。当构件有残余应力时，喷射还可以消除部分残余应力，值得大力推广。

　　“红丹两度打底，调和漆两度罩面”这种说明使得涂料的品牌不清(红丹有多种)，漆膜层厚度不明(涂料应注明各层厚度)，而且标准也太低，这表明一些设计人员对钢结构的防腐蚀重要性仍认识不足。设计人员应该不断学习，掌握一些涂料的知识，这方面的知识是非常丰富且在不断发展的。