浅析钢结构中钢材的选用

姜明贺 金冶

摘 要 钢结构是由钢制材料组成的结构，主要由型钢和钢板等制成的梁钢、钢柱、钢桁架等构件组成。因其自重较轻，且施工简便，广泛应用于大型厂房、场馆、超高层等领域。选用合理的金属材料是钢结构安全性能的保证。

关键词 钢结构 钢材选用

一、钢结构的特点

与传统的混凝土相比，钢材具有强度大、韧性高、延展性好等特点，这将带来钢结构建筑在结构性能、经济性能、环保性能等领域的显著优势。钢结构在使用过程中会受到各种形式的作用（荷载、基础不均匀沉降、温度等），所以要求钢材应具有良好的机械性能（强度、塑性、韧性）和加工性能（冷热加工和焊接性能），以保证结构安全可靠。

二、钢材性能

（一）强度

钢材的强度指标由弹性极限、屈服极限、和抗拉极限，设计时以钢材的屈服强度为基础，屈服强度高可以减轻结构的自重，节省钢材，降低造价。抗拉强度即是钢材破坏前所能承受的最大应力，此时的结构因塑性变形很大而失去使用性能，但结构变形大而不垮，满足结构抵抗罕遇地震时的要求。

（二）塑性

钢材的塑性一般指应力超过屈服点后，具有显著的塑性变形而不断裂的性质。衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率和断面收缩率。

（三）冷弯性能

钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力。钢材的冷弯性能是用冷弯实验来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能。

（四）冲击韧性

钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用，可能因低温、应力集中，而导致脆性断裂的一项机械性能。一般通过标准试件的冲击试验来获得钢材的冲击韧性指标。

（五）焊接性能

钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，获得性能良好的焊接接头。焊接性能可分为焊接过程中的焊接性能和使用性能上的焊接性能两种。焊接过程中的焊接性能是指焊接过程中焊缝及焊缝附近金属不产生热裂纹或冷却不产生冷却收缩裂纹的敏感性。焊接性能好，是指在一定焊接工艺条件下，焊缝金属和附近母材均不产生裂纹。使用性能上的焊接性能是指焊缝处的冲击韧性和热影响区内延性性能，要求焊缝及热影响区内钢材的力学性能不低于母材的力学性能。

（六）化学性能

一是耐腐蚀性：耐腐蚀性是指金属材料抵抗周围介质（大气、酸、碱盐等）腐蚀作用的能力。金属的耐腐蚀性与许多因素有关，如金属的化学成分、加工性质、热处理条件、组织状态及介质和温度等。二是抗氧化性：金属材料在室温或高温下抵抗氧化的能力。金属的氧化过程实际上是属于化学腐蚀的一种形式。它可直接用一定时间内，金属表面经腐蚀之后重损失的大小，即用金属减重的速度表示。三是化学稳定性：系指金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫作热稳定性。

三、钢结构中钢材的选用

钢材的种类很多，符合钢结构要求的只是少数几种，如碳素钢中的Q235，低合金钢中的l6Mn，用于高强螺栓的20锰钒钢（20MnV）等。

（一）碳素钢

是指钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金，按其含碳量的不同，可分为：一是低碳钢—含碳量wc≤0.25%;二是中碳钢—含碳量wc>0.25%～0.60%;三是高碳钢—含碳量wc>0.60%高碳钢。

（二）合金钢

为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一些合金元素而炼成的钢，如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。按其合金元素的总含量，可分为：一是低合金钢—合金元素的总含量≤5%;二是中合金钢—合金元素的总含量5%～10%;三是高合金钢—合金元素的总含量>10%。

Q235介绍：Q代表的是这种材质的屈服极限，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。

Q235机械性能：密度：7.85g/cm^3，弹性模量（E/Gpa）：200～210，泊松比（ν）：0.25～0.33，抗拉强度（σb/MPa）：370-500，伸长率（δ5/%）。

16Mn机械性能：抗拉强度（σb/MPa）：490-670，屈服强度（厚度或直径小于等于16mm）：320。

20MnV机械性能：抗拉强度σb（MPa）：≥785（80），屈服强度σs（MPa）：≥590（60），伸长率δ5（%）：≥10。

断面收缩率ψ（%）：≥40，冲击功 Akv（J）：≥55，冲击韧性值αkv（J/cm²）：≥69（7），布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：≤187。

钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚度好、抵抗变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜;材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载;建筑工期短。

综上所述，钢结构建筑自重轻，却具有优异的工程承载力，且具有更为可靠的生态承载能力。在建筑规划、设计、建造、使用、拆除的全生命周期内，充分发挥了钢结构的优势，有效地处理节地、节材、节能、节水、环保等之间的辩证关系，促进了建筑业朝着资源节约型、环境友好型的长远方向健康可持续发展。

（作者单位为浙江亚厦幕墙有限公司）

参考文献

[1] 邓文英.金属工艺学[M].高等教育出版社，1997.

[2] 张若晨.土木工程钢结构施工技术有关问题的思考[J].赤峰學院学报（自然科学版），2018，34（01）：41-42.

[3] 贾树军.建筑钢结构工程设计及其注意事项[J].住宅与房地产，2017（03）：98.