3.3 材料选用

3.3.1 本条着重提出了防止脆性破坏的问题，这对钢结构来说是十分重要的，过去在这方面不够明确。脆性破坏与结构形式、环境温度、应力特征、钢材厚度以及钢材性能等因素有密切关系。
为扩大高强度结构钢在建筑工程中的应用，本条增列了在九江长江大桥中已成功使用的Q420钢(15MnVN)。《高层建筑结构用钢板》YB 4104是最近为高层建筑或其他重要建(构)筑物用钢板制定的行业标准，其性能与日本《建筑结构用钢材》JIS G3136-1994相近，而且质量上还有所改进。
3.3.2 本条关于钢材选用中的温度界限与原规范相同，考虑了钢材的抗脆断性能，是我国实践经验的总结。虽然连铸钢材没有沸腾钢，考虑到目前还有少量模铸，且现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 700中仍有沸腾钢，故本规范仍保留Q235·F的应用范围。因沸腾钢脱氧不充分，含氧量较高，内部组织不够致密，硫、磷的偏析大，氮是以固溶氮的形式存在，故冲击韧性较低，冷脆性和时效倾向亦大。因此，需对其使用范围加以限制。由于沸腾钢在低温时和动力荷载作用下容易发生脆断，故本条根据我国多年的实践经验，规定了不能采用沸腾钢的具体界限。
本条用“需要验算疲劳”的结构以及“直接承受动力荷载或振动荷载”的结构来代替原规范中的“吊车梁及类似结构”显得更合理，涵盖面更广，不单指工业厂房。何况，在材料选用方面以是否“需要验算疲劳”来界定结构的工作状态，更符合实际情况。
在1款2)项中增加了“承受静力荷载的受弯和受拉的重要承重结构”，理由如下：
1 脆断主要发生在受拉区，且危险性较大；
2 与国外规范比较协调，如前苏联1981年的钢结构设计规范的钢材选用表中，将受静力荷载的受拉和受弯焊接结构列入第2组，在环境温度T≥—40℃的条件下，均采用镇静钢或半镇静钢，而不用沸腾钢。
为考虑经济条件，这次修订时仅限于对重要的受拉或受弯的焊接结构要求提高钢材质量。所谓“重要结构”系指损坏后果严重的重要性较大的结构构件，如桁架结构、框架横梁、楼屋盖主梁以及其他受力较大、拉应力较高的类似结构。
关于工作温度即室外工作温度的定义，原规范定义为“冬季计算温度”(即冬季空气调节室外计算温度)，从理论上说这是欠妥的，因为空气调节计算温度是为空调采暖用的计算温度，是受经济政策决定的，也就是人为的；而结构的工作温度应该是客观存在的，由自然条件决定的，两者不能混淆。国外规范对结构的工作温度亦未看到用空调计算温度，如前苏联是“最冷5天的平均温度”，Eurocode 3和美国有关资料上都使用“最低工作温度”(但定义不详)。为与“空调计算温度”在数值上差别不太大，建议采用《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ 19-87(2001年版)中所列的“最低日平均温度”。
3.3.3 本条规定了承重结构的钢材应具有力学性能和化学成分等合格保证的项目，分述如下：
1 抗拉强度。钢材的抗拉强度是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，它不仅是一般强度的指标，而且直接反映钢材内部组织的优劣，并与疲劳强度有着比较密切的关系。
2 伸长率。钢材的伸长率是衡量钢材塑性性能的指标。钢材的塑性是在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。因此，承重结构用的钢材，不论在静力荷载或动力荷载作用下，以及在加工制作过程中，除了应具有较高的强度外，尚应要求具有足够的伸长率。
3 屈服强度(或屈服点)。钢材的屈服强度(或屈服点)是衡量结构的承载能力和确定强度设计值的重要指标。碳素结构钢和低合金结构钢在受力到达屈服强度(或屈服点)以后，应变急剧增长，从而使结构的变形迅速增加以致不能继续使用。所以钢结构的强度设计值一般都是以钢材屈服强度(或屈服点)为依据而确定的。对于一般非承重或由构造决定的构件，只要保证钢材的抗拉强度和伸长率即能满足要求；对于承重的结构则必须具有钢材的抗拉强度、伸长率、屈服强度(或屈服点)三项合格的保证。
4 冷弯试验。钢材的冷弯试验是塑性指标之一，同时也是衡量钢材质量的一个综合性指标。通过冷弯试验，可以检验钢材颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷，在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。结构在制作、安装过程中要进行冷加工，尤其是焊接结构焊后变形的调直等工序，都需要钢材有较好的冷弯性能。而非焊接的重要结构(如吊车梁、吊车桁架、有振动设备或有大吨位吊车厂房的屋架、托架，大跨度重型桁架等)以及需要弯曲成型的构件等，亦都要求具有冷弯试验合格的保证。
5 硫、磷含量。硫、磷都是建筑钢材中的主要杂质，对钢材的力学性能和焊接接头的裂纹敏感性都有较大影响。硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工或焊接的温度达到800～1200℃时，可能出现裂纹，称为热脆；硫化铁又能形成夹杂物，不仅促使钢材起层，还会引起应力集中，降低钢材的塑性和冲击韧性。硫又是钢中偏析最严重的杂质之一，偏析程度越大越不利。磷是以固溶体的形式溶解于铁素体中，这种固溶体很脆，加以磷的偏析比硫更严重，形成的富磷区促使钢变脆(冷脆)，降低钢的塑性、韧性及可焊性。因此，所有承重结构对硫、磷的含量均应有合格保证。
6 碳含量。在焊接结构中，建筑钢的焊接性能主要取决于碳含量，碳的合适含量宜控制在0.12％～0.2％之间，超出该范围的幅度愈多，焊接性能变差的程度愈大。因此，对焊接承重结构尚应具有碳含量的合格保证。
近来，一些建设单位希望在焊接结构中用Q235-A代替Q235-B，这显然是不合适的。国家标准《碳素结构钢》GB/T 700及其第1号修改通知单(自1992年10月1日起实行)都明确规定A级钢的碳含量不作为交货条件，但应在熔炼分析中注明。从法规意义上讲，不作为交货条件就是不保证，即使在熔炼分析中的碳含量符合规定要求，亦只能被认为仅供参考，可能离散性较大焊接质量就不稳定。也就是说若将Q235-A·F钢用于重要的焊接结构上发生事故后，钢材生产厂在法律上是不负任何责任的，因为在交货单上明确规定碳含量是不作为交货条件的。现在世界各国钢材质量普遍提高，日本最近专门制定了建筑钢材的系列(SN钢)。为了确保工程质量，促使提高钢材质量，防止建筑市场上以次充好的不正常现象，故建议对焊接结构一定要保证碳含量，即在主要焊接结构中不能使用Q235-A级钢。
3.3.4 本条规定了需要验算疲劳的结构的钢材应具有的冲击韧性的合格保证。冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而急剧变化。钢中的非金属夹杂物、带状组织、脱氧不良等都将给钢材的冲击韧性带来不良影响。冲击韧性是钢材在冲击荷载或多向拉应力下具有可靠性能的保证，可间接反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加荷速率(冲击)和重复荷载等因素导致脆断的能力。钢结构的脆断破坏问题已普遍引起注意，按断裂力学的观点应用断裂韧性K_IC来表示材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。但是，对建筑钢结构来说，要完全用断裂力学的方法来分析判断脆断问题，目前在具体操作上尚有一定困难，故国际上仍以冲击韧性作为抗脆断能力的主要指标。因此，对需要验算疲劳的结构的钢材，本条规定了应具有在不同试验温度下冲击韧性的合格保证。关于试验温度的划分是在总结我国多年实践经验的基础上，根据结构的不同连接方式(焊接或非焊接)，结合我国现行的钢材标准并参考有关的国外规范确定的。
根据上述原则，本条对原规范中钢材冲击韧性的试验温度作了调整，增加了0℃冲击韧性的要求，并将Q345钢和Q235钢取用相同的试验温度，理由如下：
1 关于冲击韧性试验温度的间隔，国外一般为10～20％，并均有0℃左右的冲击性能要求(前苏联除外)。原规范温度间隔偏大，达40～60℃。现根据新的钢材标准进行调整，统一取20℃。为使钢结构在不同工作温度下具有相应的抗脆断性能，增加了在0℃≥T＞—20℃时对钢材冲击韧性的要求。
2 原规范依据的钢材标准与本规范不同。不同钢材标准对钢材冲击韧性的要求见表2。

表2 不同钢材标准对冲击韧性的要求

由表2可见，对Q235钢常温冲击功的要求，旧标准高于新标准15％～63％，因此，在T＞—20℃时若仍按原规范只要求常温冲击，显然降低了对A_kv的要求，偏于不安全。看来，对Q235钢增加0℃时对冲击功的要求是合适的。在T＝—20℃时新标准的A_kv值约为旧标准的1倍，故当T＜—20℃时比原规范更安全。而对Q345钢冲击功的要求，新标准普遍高于旧标准，常温时高出约31％，T＝—40℃时高出约100％。对基本上属同一质量等级的钢材来说，试验温度与A_kv规定值是有一定关系的，A_kv的增大相当于试验温度的降低。根据GB 1591-79，16Mn钢的试验温度相差60℃时，A_kv的规定值相差约100％，如Q345-D在—20℃时的A_kv规定值为34J，则在—40℃试验时，其A_kv值估计为34J/1.33＝25.6J，仍大于旧标准的13J。故一般可不再要求Q345钢在—40℃的冲击韧性。由此，本规范规定对Q345钢的试验温度与Q235钢相同。至于Q390钢，虽然其冲击功的规定值和Q345钢一样普遍提高，但考虑其强度高，接近于前苏联的C52/40号钢，塑性稍差，使用经验又少，故仍按原规范不变。而对Q420钢，是新钢种，应从严考虑，故与Q390钢的试验温度相同。
对其他重要的受拉和受弯焊接构件，由于有焊接残余拉应力存在，往往出现多向拉应力场，尤其是构件的板厚较大时，轧制次数少，钢材中的气孔和夹渣比薄板多，存在较多缺陷，因而有发生脆性破坏的危险。国外对此种构件的钢材，一般均有冲击韧性合格的要求。根据我国钢材标准，焊接构件应至少采用Q235的B级钢材(因Q235-A的含碳量不作为交货条件，这是焊接结构所不容许的)常温冲击韧性自然满足，不必专门提出。所以，我们建议当采用厚度较大的Q345钢材制作此种构件时，宜提出具有冲击韧性的合格保证(具体厚度尺寸可参见有关国内外资料，如《美国钢结构设计规范》AISC 1999和《欧洲钢结构设计规范》EC 3等)。
至于吊车起重量Q≥50t的中级工作制吊车梁，则根据已往的经验，仍按原规范的原则，对钢材冲击韧性的要求与需要验算疲劳的焊接构件相同。
关于需要验算疲劳的非焊接结构亦要保证冲击韧性的要求，这是考虑到既受动力荷载，钢材就应该具有相应的冲击韧性，不管是焊接或非焊接结构都是一样的。前苏联1972年和1981年规范中对这类结构都是要求保证冲击韧性的，美国关于公路桥梁的资料中对焊接或非焊接桥梁结构亦都要求保证冲击韧性的，仅是对冲击值的指标略有差别而已。这类结构对冲击韧性要求的标准略低于焊接结构，这和上述国外规范亦是协调的，只是降低的方式和量级有所不同而已。如美国公路钢桥的资料中对焊接结构的冲击值有所提高，而前苏联的规范则基本上是调整冲击试验时的温度，如前苏联1981年规范规定对非焊接结构按提高一个组别(即降低一个等次)的原则来选用钢材。因为我国钢材标准中的冲击值是定值，故建议对需验算疲劳的非焊接结构所用钢材的冲击韧性可提高其试验温度。
3.3.6 在钢结构制造中，由于钢材质量和焊接构造等原因，厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的。为此，需要采用厚度方向性能钢板。关于如何防止层状撕裂以及确定厚度方向所需的断面收缩率ψ_z等问题，可参照原国家机械工业委员会重型机械局企业标准《焊接设计规范》JB/ZZ 5-86或其他有关标准进行处理。
我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢板。
3.3.7 上海宝钢集团亦已开发出一种“耐腐蚀的结构用热轧钢板及钢带”，其企业标准号为Q/BQB 340-94，其耐候性为普通钢的2～8倍。
3.3.8 本条为钢结构的连接材料要求。
1 手工焊接时焊条型号中关于药皮类型的确定，应按结构的受力情况和重要性区别对待，对受动力荷载需要验算疲劳的结构，为减少焊缝金属中的含氢量防止冷裂纹，并使焊缝金属脱硫减小形成热裂纹的倾向，以综合提高焊缝的质量，应采用低氢型碱性焊条；对其他结构可采用普通焊条。
2 自动焊或半自动焊所采用的焊丝和焊剂应符合设计对焊缝金属力学性能的要求。在焊接材料的选用中，过去习惯使用焊剂的牌号(如HJ 431)，现在我国已陆续颁布了焊丝和焊剂的国家标准《熔化焊用钢丝》GB/T 14957、《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》GB/T 8110、《碳钢药芯焊丝》GB/T 10045、《低合金钢药芯焊丝》GB/T 17493、《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》GB/T 5293、《低合金钢埋弧焊用焊剂》GB/T 12470等。因此，应按上述国家标准来选用焊丝和焊剂的型号，国标中焊剂的型号是将所选用的焊剂和焊丝写在一起的组合表示法(国外亦有这种表示方法)。但应注意，在设计文件中书写低合金钢埋弧焊用焊剂的型号时，可省略其中的焊剂渣系代号X₄；写成“FX₁X₂X₃(×)-H_×××”，而焊剂的渣系则由施工单位根据FX₁X₂X₃组合并通过焊接工艺评定试验来确定。
3 高强度螺栓。按现行国家标准，大六角头高强度螺栓的规格为M12～M30，其性能等级分为8.8级和10.9级，8.8级高强度螺栓推荐采用的钢号为40B钢、45号钢和35号钢，10.9级高强度螺栓推荐采用的钢号为20MnTiB钢和35VB钢；扭剪型高强度螺栓的规格为M16～M24，其性能等级只有10.9级，推荐采用的钢号为20MnTiB钢。
4 圆柱头焊钉的性能等级相当于碳素钢的Q235钢，屈服强度f_y＝240N/mm²。