淺析鋼結構中鋼材的選用

姜明賀 金冶

摘 要 鋼結構是由鋼制材料組成的結構，主要由型鋼和鋼板等制成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構件組成。因其自重較輕，且施工簡便，廣泛應用于大型廠房、場館、超高層等領域。選用合理的金屬材料是鋼結構安全性能的保證。

關鍵詞 鋼結構 鋼材選用

一、鋼結構的特點

與傳統的混凝土相比，鋼材具有強度大、韌性高、延展性好等特點，這將帶來鋼結構建筑在結構性能、經濟性能、環保性能等領域的顯著優勢。鋼結構在使用過程中會受到各種形式的作用（荷載、基礎不均勻沉降、溫度等），所以要求鋼材應具有良好的機械性能（強度、塑性、韌性）和加工性能（冷熱加工和焊接性能），以保證結構安全可靠。

二、鋼材性能

（一）強度

鋼材的強度指標由彈性極限、屈服極限、和抗拉極限，設計時以鋼材的屈服強度為基礎，屈服強度高可以減輕結構的自重，節省鋼材，降低造價。抗拉強度即是鋼材破壞前所能承受的最大應力，此時的結構因塑性變形很大而失去使用性能，但結構變形大而不垮，滿足結構抵抗罕遇地震時的要求。

（二）塑性

鋼材的塑性一般指應力超過屈服點后，具有顯著的塑性變形而不斷裂的性質。衡量鋼材塑性變形能力的主要指標是伸長率和斷面收縮率。

（三）冷彎性能

鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產生塑性變形時對產生裂紋的抵抗能力。鋼材的冷彎性能是用冷彎實驗來檢驗鋼材承受規定彎曲程度的彎曲變形性能。

（四）沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊荷載作用下，斷裂過程中吸收機械動能的一種能力，是衡量鋼材抵抗沖擊荷裁作用，可能因低溫、應力集中，而導致脆性斷裂的一項機械性能。一般通過標準試件的沖擊試驗來獲得鋼材的沖擊韌性指標。

（五）焊接性能

鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，獲得性能良好的焊接接頭。焊接性能可分為焊接過程中的焊接性能和使用性能上的焊接性能兩種。焊接過程中的焊接性能是指焊接過程中焊縫及焊縫附近金屬不產生熱裂紋或冷卻不產生冷卻收縮裂紋的敏感性。焊接性能好，是指在一定焊接工藝條件下，焊縫金屬和附近母材均不產生裂紋。使用性能上的焊接性能是指焊縫處的沖擊韌性和熱影響區內延性性能，要求焊縫及熱影響區內鋼材的力學性能不低于母材的力學性能。

（六）化學性能

一是耐腐蝕性：耐腐蝕性是指金屬材料抵抗周圍介質（大氣、酸、堿鹽等）腐蝕作用的能力。金屬的耐腐蝕性與許多因素有關，如金屬的化學成分、加工性質、熱處理條件、組織狀態及介質和溫度等。二是抗氧化性：金屬材料在室溫或高溫下抵抗氧化的能力。金屬的氧化過程實際上是屬于化學腐蝕的一種形式。它可直接用一定時間內，金屬表面經腐蝕之后重損失的大小，即用金屬減重的速度表示。三是化學穩定性：系指金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱。金屬材料在高溫下的化學穩定性叫作熱穩定性。

三、鋼結構中鋼材的選用

鋼材的種類很多，符合鋼結構要求的只是少數幾種，如碳素鋼中的Q235，低合金鋼中的l6Mn，用于高強螺栓的20錳釩鋼（20MnV）等。

（一）碳素鋼

是指鋼中除鐵、碳外，還含有少量錳、硅、硫、磷等元素的鐵碳合金，按其含碳量的不同，可分為：一是低碳鋼—含碳量wc≤0.25%;二是中碳鋼—含碳量wc>0.25%～0.60%;三是高碳鋼—含碳量wc>0.60%高碳鋼。

（二）合金鋼

為了改善鋼的性能，在冶煉碳素鋼的基礎上，加入一些合金元素而煉成的鋼，如鉻鋼、錳鋼、鉻錳鋼、鉻鎳鋼等。按其合金元素的總含量，可分為：一是低合金鋼—合金元素的總含量≤5%;二是中合金鋼—合金元素的總含量5%～10%;三是高合金鋼—合金元素的總含量>10%。

Q235介紹：Q代表的是這種材質的屈服極限，后面的235，就是指這種材質的屈服值，在235MPa左右。并會隨著材質的厚度的增加而使其屈服值減小。由于含碳適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛。

Q235機械性能：密度：7.85g/cm^3，彈性模量（E/Gpa）：200～210，泊松比（ν）：0.25～0.33，抗拉強度（σb/MPa）：370-500，伸長率（δ5/%）。

16Mn機械性能：抗拉強度（σb/MPa）：490-670，屈服強度（厚度或直徑小于等于16mm）：320。

20MnV機械性能：抗拉強度σb（MPa）：≥785（80），屈服強度σs（MPa）：≥590（60），伸長率δ5（%）：≥10。

斷面收縮率ψ（%）：≥40，沖擊功 Akv（J）：≥55，沖擊韌性值αkv（J/cm²）：≥69（7），布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態）：≤187。

鋼材的特點是強度高、自重輕、整體剛度好、抵抗變形能力強，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜;材料勻質性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學的基本假定;材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動力荷載;建筑工期短。

綜上所述，鋼結構建筑自重輕，卻具有優異的工程承載力，且具有更為可靠的生態承載能力。在建筑規劃、設計、建造、使用、拆除的全生命周期內，充分發揮了鋼結構的優勢，有效地處理節地、節材、節能、節水、環保等之間的辯證關系，促進了建筑業朝著資源節約型、環境友好型的長遠方向健康可持續發展。

（作者單位為浙江亞廈幕墻有限公司）

參考文獻

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