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钢结构设计中这几个经常遇到的基本问题

日期：2021/8/19 Click：186

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。”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。

随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用越来越广泛，设计者必须掌握与此相关的各种常识。本文论述的几个问题是钢结构设计面临的基本问题。从表面上看，这些问题非常简单，但很多设计者在处理这些问题时不能把握。究其原因，这些问题看起来简单，但其内涵非常丰富，涉及许多非结构专业问题。笔者翻阅了相关资料，讨论了钢结构设计中经常遇到的基本问题。希翼对钢结构设计师有所帮助。

1钢材的选定

很多设计者在设计时说明钢材的选定时，钢材选择Q235-B，其抗拉强度、屈服点、伸长率、碳、硫、磷的极限含量应符合相关规定，保证其可焊性。这种说法是不正确的。其错误的原因是我国目前的钢制产品标准不熟悉，旧标准混淆。目前，我国建筑钢材一般只有碳结构钢和低合金高强度结构钢两种，其相应国家标准为碳结构钢(GB700-88)和低合金高强度结构钢(GB/T1591-94)。以前常说的3号钢和16Mn钢分别是碳结构钢和低合金高强度结构钢。根据(GB700-88)碳结构钢分为Q195、Q215、Q225、0235、Q275、0235分为a、b、c、D级4个质量等级，即Q235-A~D.A级钢不进行冲击试验，但b、c、d级分别保证20、0、-20℃时v型冲击功能在27J.

冲击功能的大小反映了材料的韧性，在研究船舶脆性试验中v型冲击功能在最低使用温度下为13.7J以下因此，在设计承受动力负荷的结构时，必须根据环境温度选择不同水平的钢材。如果大家选用了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，正确的说法是钢材选择Q235-B，其性能必须符合国家标准(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建筑钢结构要严格。

但中国最新的压力容器标准钢制压力容器(GB150-1998)明确规定压力≤1.0MPa，温度0-350℃，壳体厚度≤16mm时，除了极度危害介质的压力容器外，还可以使用Q235-A(这个标准是4.2.2这表明Q235-A可用于焊接结构。除了像起重机梁这样以动负荷为主要负荷的承载结构外，一般对冲击韧性没有特殊要求的承载结构可以选择Q235-A.首先，评价钢材的焊接性，不仅是碳含量，还是碳当量决定。目前，符合我国生产标准的Q235-A.其碳量不超过0.45%，其焊接性得到保证，可用于焊接结构。

综上所述，Q235-A可用于焊接耐力结构，但不能用于低温环境和动负荷大的结构(即对材料韧性要求高的结构)。这一点已经为大量的工程实践所证明。当然，选择Q235-A时，必须追加冷弯试验合格的保证，根据质量保证书计算碳量是否满足要求。为了可靠，板材的厚度一般不得超过16mm。目前，国内钢材市场Q235系列板材和型材多为Q235-A。不分场合，所有耐力结构选择Q235-B~D。不仅工程成本上升，而且给材料购买带来麻烦，延误工期也不好。

2焊接检查

结构母材和焊接材料选定后，必须确定焊接质量等级。选择合适的质量等级是非常重要的，不恰当地提高焊接质量等级会提高工程成本。

考虑到现有焊接技术在焊接过程中不能避免焊接缺陷的发生，必须采取一定的措施将焊接缺陷控制在允许的范围内。实践证明，制定焊接缺陷的质量要求标准制约是有效的手段。《钢结构工程施工质量检验规范》(GB50205)将焊接质量等级分为一、二、三三个等级。经过检查，焊接缺陷不超过要求水平的各项规定，在焊接过程中控制了焊接缺陷。

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。由于缺陷的任意性，超声波检测焊接的方向越多，波束与缺陷平面垂直的概率越高，缺陷的检测率也越高。根据探测方向(根据探测角度、探测侧、探测面和探测移动角度等)的多少，分为a、b、C3个等级，体现了检测的完善度，根据a、b、c逐步提高，其检测工作的难易度系数也逐步提高(a为1，b为5-6，c为10~12)。各级探伤面、探伤侧、探伤角度、探伤方法等在GB11345中有明确的规定。对于建筑钢结构和压力容器，目前我国超声波探伤的检查等级均为b级。检查方法(即检查等级)确定后，通过该方法检测焊接中的缺陷，对其结果进行等级分类，即评价等级。焊接宏观质量控制，缺陷尺寸超过1mm具有实际意义。CB11345根据缺陷的长度根据表2的规定进行评价。表2中的12、8/3等是超声波探伤仪测定的缺陷尺寸。

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。普通螺栓和高强螺栓的主要区别在于其机械性能不同，即性能等级不同。设计中经常明确记载的高强度螺栓8.8级，8.8是性能等级，小数点前的数字8表示该螺栓材料热处理后的拉伸强度为800次MPa，小数点后的数字8表示该材料的拉伸强度比(拉伸强度和拉伸强度比值)0.8、10.9级表示该材料的拉伸强度为1000MPa，拉伸强度比为0.9.拉伸强度比大，材料韧性差，不应重复使用。特别是10.9级只能用一次。目前，国使用的高强度螺栓只有8.8级和10.9级，8.8s和10.9s.普通螺栓用Q235(通常用Q235-B保证良好的韧性)性能等级为4.6，用Q345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。

一些设计者在设计说明中经常写道高强度螺栓采用压力型高强度螺栓10.9s，这是不正确的说法。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。无需规定厂家采用哪种螺栓。当然，如果有必要，建议使用大六角头高强度螺栓或扭剪型高强度螺栓。

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