淺析鋼結(jié)構(gòu)中鋼材的選用

姜明賀 金冶

摘 要 鋼結(jié)構(gòu)是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，主要由型鋼和鋼板等制成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成。因其自重較輕，且施工簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于大型廠房、場(chǎng)館、超高層等領(lǐng)域。選用合理的金屬材料是鋼結(jié)構(gòu)安全性能的保證。

關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu) 鋼材選用

一、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的混凝土相比，鋼材具有強(qiáng)度大、韌性高、延展性好等特點(diǎn)，這將帶來(lái)鋼結(jié)構(gòu)建筑在結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)性能、環(huán)保性能等領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)。鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中會(huì)受到各種形式的作用（荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度等），所以要求鋼材應(yīng)具有良好的機(jī)械性能（強(qiáng)度、塑性、韌性）和加工性能（冷熱加工和焊接性能），以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

二、鋼材性能

（一）強(qiáng)度

鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)由彈性極限、屈服極限、和抗拉極限，設(shè)計(jì)時(shí)以鋼材的屈服強(qiáng)度為基礎(chǔ)，屈服強(qiáng)度高可以減輕結(jié)構(gòu)的自重，節(jié)省鋼材，降低造價(jià)?？估瓘?qiáng)度即是鋼材破壞前所能承受的最大應(yīng)力，此時(shí)的結(jié)構(gòu)因塑性變形很大而失去使用性能，但結(jié)構(gòu)變形大而不垮，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震時(shí)的要求。

（二）塑性

鋼材的塑性一般指應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，具有顯著的塑性變形而不斷裂的性質(zhì)。衡量鋼材塑性變形能力的主要指標(biāo)是伸長(zhǎng)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(chǎn)生塑性變形時(shí)對(duì)產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。鋼材的冷彎性能是用冷彎實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)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(guò)程中吸收機(jī)械動(dòng)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(yīng)力集中，而導(dǎo)致脆性斷裂的一項(xiàng)機(jī)械性能。一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件的沖擊試驗(yàn)來(lái)獲得鋼材的沖擊韌性指標(biāo)。

（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(guò)程中的焊接性能和使用性能上的焊接性能兩種。焊接過(guò)程中的焊接性能是指焊接過(guò)程中焊縫及焊縫附近金屬不產(chǎn)生熱裂紋或冷卻不產(chǎn)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(chǎn)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(qū)內(nèi)延性性能，要求焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)鋼材的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。

（六）化學(xué)性能

一是耐腐蝕性：耐腐蝕性是指金屬材料抵抗周?chē)橘|(zhì)（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(guān)，如金屬的化學(xué)成分、加工性質(zhì)、熱處理?xiàng)l件、組織狀態(tài)及介質(zhì)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(guò)程實(shí)際上是屬于化學(xué)腐蝕的一種形式。它可直接用一定時(shí)間內(nèi)，金屬表面經(jīng)腐蝕之后重?fù)p失的大小，即用金屬減重的速度表示。三是化學(xué)穩(wěn)定性：系指金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性的總稱(chēng)。金屬材料在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性叫作熱穩(wěn)定性。

三、鋼結(jié)構(gòu)中鋼材的選用

鋼材的種類(lèi)很多，符合鋼結(jié)構(gòu)要求的只是少數(shù)幾種，如碳素鋼中的Q235，低合金鋼中的l6Mn，用于高強(qiáng)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(chǔ)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(zhì)的屈服極限，后面的235，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在235MPa左右。并會(huì)隨著材質(zhì)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(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛。

Q235機(jī)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(qiáng)度（σb/MPa）：370-500，伸長(zhǎng)率（δ5/%）。

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

20MnV機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度σb（MPa）：≥785（80），屈服強(qiáng)度σs（MPa）：≥590（60），伸長(zhǎng)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(tài)）：≤187。

鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、整體剛度好、抵抗變形能力強(qiáng)，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(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)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(dòng)力荷載;建筑工期短。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕，卻具有優(yōu)異的工程承載力，且具有更為可靠的生態(tài)承載能力。在建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、使用、拆除的全生命周期內(nèi)，充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，有效地處理節(jié)地、節(jié)材、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保等之間的辯證關(guān)系，促進(jìn)了建筑業(yè)朝著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的長(zhǎng)遠(yuǎn)方向健康可持續(xù)發(fā)展。

（作者單位為浙江亞廈幕墻有限公司）

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧文英.金屬工藝學(xué)[M].高等教育出版社，1997.

[2] 張若晨.土木工程鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)有關(guān)問(wèn)題的思考[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，34（01）：41-42.

[3] 賈樹(shù)軍.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及其注意事項(xiàng)[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（03）：98.