鋼結構設計中常見問題的探討

【摘 要】隨著經濟的發展，鋼結構在建設工程中的應用日趨廣泛，這就要求設計人員必須掌握與此相關的各種知識，本文只要是對鋼結構設計中存在幾個基本問題進行論述。

【關鍵字】鋼材；高強度螺栓；鋼結構設計

1 鋼材的選型

很多設計人員在設計總說明關于鋼材的選型中往往寫道：“鋼材選用Q235-B，其抗拉強度，屈服點，伸長率，碳、硫、磷極限含量，應符合有關規定，且保證其可焊性。”這種說法是不正確的。其錯誤的原因是對我國現行的鋼產品標準不熟悉，與老標準相混淆。

目前我國建筑鋼材一般只用兩種，即素結構鋼和低合金高強度結構鋼，其相應的國家標準為《碳素結構鋼》(GB700—88)和(低合金高強度結構鋼>(GB／T159l-94)。以前常說的三號鋼和16Mn鋼就分別屬于碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。按(GB700—88)碳素結構鋼分為Q195、Q215、0225、Q235、Q275，Q235又分為A、B、C、D四個質量等級，即Q235-A～D。A級鋼不做沖擊試驗．而B、C、D級則分別保證在20、0、-20℃時V型沖擊功不小于27J。當設計承受動力荷載的結構時．要根據環境溫度的不同情況，選用不同級別的鋼材。如果我們選用了Q235-B，那么只要它是符合標準的產品，則鋼材的屈服點，抗拉強度，伸長率，碳、硫、磷等化學成分，冷彎試驗值，V型沖擊功試驗值都是有保證的(即以前所說的五項保證)，不必另行強調。因此正確的說法應該是：“鋼材選用Q235-B，其性能應符合國家標準(GB700—88)的規定。”

要特別提到的是，在國家標準(GB700-88)中第5.1.1.5條注明：“在保證鋼材力學性能符合本標準規定情況下，各牌號A級鋼的碳、錳、硅含量和各牌號其他等級鋼碳、錳含量下限可以不作為交貨條件，但其含量(熔煉分析)應在質量證明書中注明。”這就表明A級鋼的碳、錳、硅含量是不保證的。在國家標準(GB700-88)中第5.4.1.3條注明：“各牌號A級鋼的冷彎試驗，在需方有要求時才進行。當冷彎試驗合格時，抗拉強度上限可以不作為交貨條件。由于碳含量對鋼材的可焊性影響很大，從表面上看，既然A級鋼的碳、錳、硅含量不保證，那么Q235-A是不能用于焊接結構的。目前的教科書以及鋼結構設計手冊大都持此觀點。似乎Q235-A是一種質量很差的鋼材，除平臺板和支撐構件外，幾乎很少場合可以用0235-A。事實并非如此。壓力容器應該是典型的焊接結構，對其性能的要求也比普通的建筑鋼結構要嚴格。然而我國最新壓力容器標準(鋼制壓力容器)(GBl50-1998)卻明文規定在壓力≤1.0Mpa。溫度0～350℃，殼體厚度≤16mm時，除極度危害介質的壓力容器外，可以使用Q235.A(見該標準第4.2.2.4.2.3條)。這就表明Q235-A是可以用于焊接結構的。除了象吊車梁這樣以動荷載為主要荷載的承重結構，一般對沖擊韌性沒有特殊要求的承重結構都可以選用Q235-A。下面分兩點說明其原因。

一是可焊性，評價一種鋼材的可焊性，并非僅僅由含碳量決定，而是由碳當量Cequ決定。《建筑鋼結構焊接規程》(JGJ81—91)給出的表達式為：

Cequ=C+Mn／6+(Cr+Mo+V)／5+(Ni+Cu)／15 (1)

式中，C、Mn、Cr、Mo、v、Ni、Cu分別為碳、錳、鉻、鉬、釩、鈮、銅的含量，％。當碳當量Cequ<0.4％時，焊接性優良；當碳當量Cequ=0.4％～0.6％時，焊接時要采取一些工藝措施，如預熱，緩冷等；當碳當量Cequ>0.6％時，要采取更高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。《建筑鋼結構焊接規程》(JGJ81-91)則規定碳當量Cequ應不大于0.45％。式(1)為國際焊接學會(IIW)所推薦的公式，比較常用。

目前我國生產的符合標準的Q235-A，其碳當量不會超過0.45％，其可焊性是有保證的，是可以用于焊接結構的。

二是力學性能，Q235-A的屈服強度、抗拉強度、伸長率是有保證的，只是當冷彎試驗合格時，抗拉強度上限不保證，而設計時，一般都把屈服強度作為強度計算和穩定計算的依據，結構的實際應力值都遠低于屈服強度，因此只要材料的屈服強度有保證，則結構的強度是有保證的。至于結構的剛度只與結構形式和截面尺寸有關，與抗拉強度并無關系。一般而言，當一種鋼材的伸長率和冷彎試驗合格時，就表明它具有了一定的韌性。因此，對于一般承重結構所需要的基本力學性能，Q235-A是可以保證的。

綜上所述，Q235-A是可以用于焊接承重結構的，但不能用于低溫環境和動荷載較大的結構(即對材料的韌性有較高要求的結構)。這一點已經為大量的工程實踐所證明。當然，在選用Q235+A時，要附加冷彎試驗合格的保證，并且要根據質保書核算碳當量是否滿足要求，為可靠起見，板材的厚度一般不宜超過16mm。

2 焊接和焊接檢驗

有不少設計者喜歡在說明焊條時注明具體的焊條牌號，如E4301、E4315、E5015等。其實焊條的具體牌號是由焊接工藝所決定的，制造商根據自己的設備、操作習慣、焊接環境及焊接方位(如平焊、仰焊等)可以選擇不同牌號的焊條。除有特殊要求外，設計者只需根據母材的種類選擇與其匹配的相同強度等級的焊條即可。如Q235選擇E43，Q345選擇E50，無需給出具體的焊條牌號。

當結構的母材和焊接材料選定以后，就要確定焊縫的質量等級。選擇合適的質量等級是非常重要的，不恰當地提高焊縫的質量等級將提高工程造價。

鑒于現有的焊接技術尚無法避免焊接過程中焊接缺陷的產生，因此必須采取一定措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內。實踐證明，通過制定焊接缺陷質量要求標準進行約束是一種有效的手段。在《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205)中就將焊縫質量等級分為3級，即一、二、三級。如果經過檢查，焊接缺陷不超過所要求的級別的各項規定，則焊接過程中焊接缺陷就得到了控制。

在《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205)中，三個質量等級對于焊縫的內部缺陷檢驗、外觀質量標準及檢驗方法都做了明確的規定：設計要求全焊透的一、二級焊縫應采用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗，焊縫內部缺陷分級及探傷方法應符合國家現行標準《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級法》(GBll345)的規定，對于一、二級焊縫的探傷結果應符合表1的規定。

在GBll345中檢驗等級分為A、B、C三個級別，評定等級分為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個級別。所謂檢驗等級就是檢驗方法(有的設計手冊把焊縫質量等級和檢驗等級混為一談，出現“一級焊縫應符合檢驗等級中的B級”這樣明顯的錯誤)。焊縫中缺陷的位置、形狀和方向直接影響缺陷的聲反射信號強度。由于缺陷存在的任意性，因此超聲波探測焊縫的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的幾率愈大，則缺陷的檢出率也愈高。根據探測方向(取決于探頭角度、探傷側、探傷面及探頭移動角度等)的多少，分為A、B、C三個級別，它體現了檢驗的完善程度，按A、B、C逐級提高。其檢驗工作的難度系數也逐級提高(A為1，B為5～6，C為10～12)。各級別探傷面、探傷側、探頭角度及探測方法等在GBll345中都有明確的規定。對于建筑鋼結構以及壓力容器目前我國超聲波探傷的檢驗等級都采用B級。當檢驗方法(即檢驗等級)確定以后．根據用該種方法檢測出焊縫中缺陷的情況，對其結果進行等級分類，就是所謂的評定等級。對于焊縫宏觀質量控制，缺陷的尺寸超過1mm才有實際意義。GBl1345根據缺陷的長度按表2中的規定予以評級。表2中的12、δ／3等均為超聲波探傷儀測出的缺陷尺寸。

在冶金建筑中，經常要接觸到高爐，熱風爐，重力除塵器等構筑物。此類構筑物雖然有壓力，但壓力較低，其使用要求也遠遠低于壓力容器。如果按壓力容器對待，不僅在設計、制造技術上有很多麻煩，而且在生產操作、行政管理等方面也會帶來很多麻煩。事實上在《冶金機械設備安裝工程施工及驗收規范(煉鐵設備)》(YBJ208—85)中對此類構筑物的外殼對接焊縫質量要求有些方面還低于GB50205中二級質量等級的要求。如其焊縫檢查長度僅要求為總長的10％(對手工焊)，低于GB50205中二級20％的要求；其超聲波探傷方法和標準按《鍋爐和鋼制壓力容器對接焊縫超聲波》(JBll52-81)中規定的Ⅱ級焊縫執行，該標準Ⅱ級焊縫缺陷指示長度為23／3；最小12 mm，最大40 mm。對比表2可以看出，僅最大指示長度相差10 mm，略有差別。因此，筆者認為將此類構筑物當作建筑鋼結構處理較好，其焊縫質量要求可以按GB50205執行。這些構筑物的殼體對接焊縫可以按GB50205中二級要求執行。這樣處理既符合設計院的習慣分工，又可以保證質量，且避免了引用不同行業標準而產生的混亂。《建筑鋼結構焊接規程》(JGJ81～91)中焊縫超聲波探傷檢驗方法和標準也是引用JBl152—8l，存在著同樣的缺點，也應按GB50205執行。目前《鋼制壓力容器》(GBl50—1998)所引用的焊縫檢驗標準是《壓力容器無損檢測》(JB4730—94)，已不用JBIl52-8l。

3 涂裝

涂裝是最近才出現的新名詞。其意思與防腐基本一致，不僅包括涂料，還包括對鋼材表面的除銹要求。“鋼材表面須認真除銹”這樣的說明缺乏具體的標準，應該注明除銹等級Sa2.5，或除銹等級St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是噴射或拋射(通常說的噴砂只是其中一種)的等級要求，共有4級。手工和動力工具除銹等級只有St2、St3兩種。我國對于除銹等級早已有國家標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》(GB8923—88)。噴射除銹不僅除銹徹底，而且能在鋼材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料與鋼材的粘結，大大提高防腐年限。當構件有殘余應力時，噴射還可以消除部分殘余應力，值得大力推廣。

4 結束語

盡管承壓型在設計數值上占有優勢，但由于其屬于剪壓破壞型式，螺栓孔為類似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷載作用時的變形遠大于摩擦型，所以高強度螺栓承壓型主要用于非抗震構件連接、非承受動荷載構件連接、非反復作用構件連接。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準.鋼結構技術規范（GB50017- 2003）4 陳紹蕃.鋼結構設計原理.科學出版社，1998

[2]周學軍主編.門式剛架輕型結構設計與施工.山東科學技術出版社，2001

[3]劉聲揚編著.鋼結構疑難釋義(第三版).中國建筑工業出版社

[4]鋼結構高強度螺栓技術規程JGJ 82- 1991