隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，設(shè)計(jì)者必須掌握與此相關(guān)的各種知識(shí)。本文論述的幾個(gè)問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的基本問題。從表面上看，這些問題非常簡(jiǎn)單，但很多設(shè)計(jì)者在處理這些問題時(shí)不能把握。究其原因，這些問題看起來(lái)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)涵非常豐富，涉及許多非結(jié)構(gòu)專業(yè)問題。筆者翻閱了相關(guān)資料，討論了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的基本問題。希望對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師有所幫助。

1鋼材的選定

很多設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)說(shuō)明鋼材的選定時(shí)，鋼材選擇Q235-B，其抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率、碳、硫、磷的極限含量應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，保證其可焊性。這種說(shuō)法是不正確的。其錯(cuò)誤的原因是我國(guó)目前的鋼制產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不熟悉，舊標(biāo)準(zhǔn)混淆。目前，我國(guó)建筑鋼材一般只有碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼兩種，其相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為碳結(jié)構(gòu)鋼(GB700-88)和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591-94)。以前常說(shuō)的3號(hào)鋼和16Mn鋼分別是碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)(GB700-88)碳結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q225、0235、Q275、0235分為a、b、c、D級(jí)4個(gè)質(zhì)量等級(jí)，即Q235-A~D.A級(jí)鋼不進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，但b、c、d級(jí)分別保證20、0、-20℃時(shí)v型沖擊功能在27J.

沖擊功能的大小反映了材料的韌性，在研究船舶脆性試驗(yàn)中v型沖擊功能在最低使用溫度下為13.7J以下因此，在設(shè)計(jì)承受動(dòng)力負(fù)荷的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須根據(jù)環(huán)境溫度選擇不同水平的鋼材。如果我們選用了Q235-B，那么只要它是符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，則鋼材的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、碳、硫、磷等化學(xué)成分，冷彎試驗(yàn)值、V型沖擊功試驗(yàn)值都是有保證的（即以前所說(shuō)的5項(xiàng)保證），不必另行強(qiáng)調(diào)。因此，正確的說(shuō)法是鋼材選擇Q235-B，其性能必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)的規(guī)定�！�

要特別提到的是：在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB700-88）中第5.1.1.5條注明：“在保證鋼材力學(xué)性能符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定情況下，各牌號(hào)A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量和各牌號(hào)其他等級(jí)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(yīng)在質(zhì)量證明書中注明。”這就表明A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量是不保證的。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB700;88）中第5A.1.3條注明：“各牌號(hào)A級(jí)鋼的冷彎試驗(yàn)，在需方有要求時(shí)才進(jìn)行。當(dāng)冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，抗拉強(qiáng)度上限可以不作為交貨條件�！庇捎谔己�量對(duì)鋼材的可焊性影響很大，從表面上看，既然A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量不保證，那么Q235-A是不能用于焊接結(jié)構(gòu)的，似乎Q235-A是一種質(zhì)量很差的鋼材，除平臺(tái)板和支撐構(gòu)件外，幾乎很少場(chǎng)合可以用Q235-A.事實(shí)并非如此。壓力容器應(yīng)該是典型的焊接結(jié)構(gòu)，對(duì)其性能的要求也比普通建筑鋼結(jié)構(gòu)要嚴(yán)格。

但中國(guó)最新的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)鋼制壓力容器(GB150-1998)明確規(guī)定壓力≤1.0MPa，溫度0-350℃，殼體厚度≤16mm時(shí)，除了極度危害介質(zhì)的壓力容器外，還可以使用Q235-A(這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是4.2.2這表明Q235-A可用于焊接結(jié)構(gòu)。除了像起重機(jī)梁這樣以動(dòng)負(fù)荷為主要負(fù)荷的承載結(jié)構(gòu)外，一般對(duì)沖擊韌性沒有特殊要求的承載結(jié)構(gòu)可以選擇Q235-A.首先，評(píng)價(jià)鋼材的焊接性，不僅是碳含量，還是碳當(dāng)量決定。目前，符合我國(guó)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的Q235-A.其碳量不超過0.45%，其焊接性得到保證，可用于焊接結(jié)構(gòu)。

綜上所述，Q235-A可用于焊接耐力結(jié)構(gòu)，但不能用于低溫環(huán)境和動(dòng)負(fù)荷大的結(jié)構(gòu)(即對(duì)材料韌性要求高的結(jié)構(gòu))。這一點(diǎn)已經(jīng)為大量的工程實(shí)踐所證明。當(dāng)然，選擇Q235-A時(shí)，必須追加冷彎試驗(yàn)合格的保證，根據(jù)質(zhì)量保證書計(jì)算碳量是否滿足要求。為了可靠，板材的厚度一般不得超過16mm。目前，國(guó)內(nèi)鋼材市場(chǎng)Q235系列板材和型材多為Q235-A。不分場(chǎng)合，所有耐力結(jié)構(gòu)選擇Q235-B~D。不僅工程成本上升，而且給材料購(gòu)買帶來(lái)麻煩，延誤工期也不好。

2焊接檢查

結(jié)構(gòu)母材和焊接材料選定后，必須確定焊接質(zhì)量等級(jí)。選擇合適的質(zhì)量等級(jí)是非常重要的，不恰當(dāng)?shù)靥岣吆附淤|(zhì)量等級(jí)會(huì)提高工程成本。

考慮到現(xiàn)有焊接技術(shù)在焊接過程中不能避免焊接缺陷的發(fā)生，必須采取一定的措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內(nèi)。實(shí)踐證明，制定焊接缺陷的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)制約是有效的手段。《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范》(GB50205)將焊接質(zhì)量等級(jí)分為一、二、三三個(gè)等級(jí)。經(jīng)過檢查，焊接缺陷不超過要求水平的各項(xiàng)規(guī)定，在焊接過程中控制了焊接缺陷。

對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)，焊縫質(zhì)量要達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是很困難的。特別是在采用手工電弧焊且剖口較深時(shí)，一般的焊工很難做到。在實(shí)際工程中，除了大跨度重級(jí)工作制吊車梁的下翼緣對(duì)接，以及大跨度鋼橋的受拉構(gòu)件的對(duì)接這種對(duì)質(zhì)量要求很高的焊縫要求一級(jí)焊縫以外，其他場(chǎng)合很少用到一級(jí)，一般都要求二級(jí)。

對(duì)于角焊縫，除了在要求熔透的情況（如對(duì)于輪壓較大的吊車梁的上翼緣和腹板連接的角焊縫），其質(zhì)量等級(jí)要求二級(jí)外，其他場(chǎng)合一般都用三級(jí)。

在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205）中，3個(gè)質(zhì)量等級(jí)對(duì)于焊縫的內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)、外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法都作了明確的規(guī)定：設(shè)計(jì)要求全焊透的一、二級(jí)焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)。焊縫內(nèi)部缺陷分級(jí)及探傷方法應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級(jí)法》（GB11345）的規(guī)定，對(duì)于一、二級(jí)焊縫的探傷結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定。

在CB11345中檢驗(yàn)等級(jí)分為A、B、C3個(gè)級(jí)別，評(píng)定等級(jí)分為I、II、III、Ⅳ4個(gè)級(jí)別。所謂檢驗(yàn)等級(jí)就是檢驗(yàn)方法（有的設(shè)計(jì)手冊(cè)把焊縫質(zhì)量等級(jí)和檢驗(yàn)等級(jí)混為一談，出現(xiàn)“一級(jí)焊縫應(yīng)符合檢驗(yàn)等級(jí)中的B級(jí)”這樣明顯的錯(cuò)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(hào)強(qiáng)度。由于缺陷的任意性，超聲波檢測(cè)焊接的方向越多，波束與缺陷平面垂直的概率越高，缺陷的檢測(cè)率也越高。根據(jù)探測(cè)方向(根據(jù)探測(cè)角度、探測(cè)側(cè)、探測(cè)面和探測(cè)移動(dòng)角度等)的多少，分為a、b、C3個(gè)等級(jí)，體現(xiàn)了檢測(cè)的完善度，根據(jù)a、b、c逐步提高，其檢測(cè)工作的難易度系數(shù)也逐步提高(a為1，b為5-6，c為10~12)。各級(jí)探傷面、探傷側(cè)、探傷角度、探傷方法等在GB11345中有明確的規(guī)定。對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)和壓力容器，目前我國(guó)超聲波探傷的檢查等級(jí)均為b級(jí)。檢查方法(即檢查等級(jí))確定后，通過該方法檢測(cè)焊接中的缺陷，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行等級(jí)分類，即評(píng)價(jià)等級(jí)。焊接宏觀質(zhì)量控制，缺陷尺寸超過1mm具有實(shí)際意義。CB11345根據(jù)缺陷的長(zhǎng)度根據(jù)表2的規(guī)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。表2中的12、8/3等是超聲波探傷儀測(cè)定的缺陷尺寸。

3螺栓

建筑鋼結(jié)構(gòu)所用的螺栓有兩大類，即普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓。普通螺栓和高強(qiáng)螺栓的主要區(qū)別在于其機(jī)械性能不同，即性能等級(jí)不同。設(shè)計(jì)中經(jīng)常明確記載的高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)，8.8是性能等級(jí)，小數(shù)點(diǎn)前的數(shù)字8表示該螺栓材料熱處理后的拉伸強(qiáng)度為800次MPa，小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字8表示該材料的拉伸強(qiáng)度比(拉伸強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度比值)0.8、10.9級(jí)表示該材料的拉伸強(qiáng)度為1000MPa，拉伸強(qiáng)度比為0.9.拉伸強(qiáng)度比大，材料韌性差，不應(yīng)重復(fù)使用。特別是10.9級(jí)只能用一次。目前，國(guó)使用的高強(qiáng)度螺栓只有8.8級(jí)和10.9級(jí)，8.8s和10.9s.普通螺栓用Q235(通常用Q235-B保證良好的韌性)性能等級(jí)為4.6，用Q345為6.6級(jí)。普通螺栓一般在設(shè)計(jì)時(shí)不注明性能等級(jí)，只注明鋼號(hào)。

一些設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)說(shuō)明中經(jīng)常寫道高強(qiáng)度螺栓采用壓力型高強(qiáng)度螺栓10.9s，這是不正確的說(shuō)法。對(duì)于設(shè)計(jì)者只要給出高強(qiáng)度螺栓的性能等級(jí)和連接材料摩擦面的抗滑移系數(shù)即可。無(wú)需規(guī)定廠家采用哪種螺栓。當(dāng)然，如果有必要，建議使用大六角頭高強(qiáng)度螺栓或扭剪型高強(qiáng)度螺栓。

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