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【摘 要】随着经济的发展，钢结构在建设工程中的应用日趋广泛，这就要求设计人员必须掌握与此相关的各种知识，本文只要是对钢结构设计中存在几个基本问题进行论述。
【关键字】钢材；高强度螺栓；钢结构设计
1 钢材的选型
很多设计人员在设计总说明关于钢材的选型中往往写道：“钢材选用Q235-B，其抗拉强度，屈服点，伸长率，碳、硫、磷极限含量，应符合有关规定，且保证其可焊性。”这种说法是不正确的。其错误的原因是对我国现行的钢产品标准不熟悉，与老标准相混淆。
目前我国建筑钢材一般只用两种，即素结构钢和低合金高强度结构钢，其相应的国家标准为《碳素结构钢》(GB700—88)和(低合金高强度结构钢>(GB／T159l-94)。以前常说的三号钢和16Mn钢就分别属于碳素结构钢和低合金高强度结构钢。按(GB700—88)碳素结构钢分为Q195、Q215、0225、Q235、Q275，Q235又分为A、B、C、D四个质量等级，即Q235-A～D。A级钢不做冲击试验．而B、C、D级则分别保证在20、0、-20℃时V型冲击功不小于27J。当设计承受动力荷载的结构时．要根据环境温度的不同情况，选用不同级别的钢材。如果我们选用了Q235-B，那么只要它是符合标准的产品，则钢材的屈服点，抗拉强度，伸长率，碳、硫、磷等化学成分，冷弯试验值，V型冲击功试验值都是有保证的(即以前所说的五项保证)，不必另行强调。因此正确的说法应该是：“钢材选用Q235-B，其性能应符合国家标准(GB700—88)的规定。”
要特别提到的是，在国家标准(GB700-88)中第5.1.1.5条注明：“在保证钢材力学性能符合本标准规定情况下，各牌号A级钢的碳、锰、硅含量和各牌号其他等级钢碳、锰含量下限可以不作为交货条件，但其含量(熔炼分析)应在质量证明书中注明。”这就表明A级钢的碳、锰、硅含量是不保证的。在国家标准(GB700-88)中第5.4.1.3条注明：“各牌号A级钢的冷弯试验，在需方有要求时才进行。当冷弯试验合格时，抗拉强度上限可以不作为交货条件。由于碳含量对钢材的可焊性影响很大，从表面上看，既然A级钢的碳、锰、硅含量不保证，那么Q235-A是不能用于焊接结构的。目前的教科书以及钢结构设计手册大都持此观点。似乎Q235-A是一种质量很差的钢材，除平台板和支撑构件外，几乎很少场合可以用0235-A。事实并非如此。压力容器应该是典型的焊接结构，对其性能的要求也比普通的建筑钢结构要严格。然而我国最新压力容器标准(钢制压力容器)(GBl50-1998)却明文规定在压力≤1.0Mpa。温度0～350℃，壳体厚度≤16mm时，除极度危害介质的压力容器外，可以使用Q235.A(见该标准第4.2.2.4.2.3条)。这就表明Q235-A是可以用于焊接结构的。除了象吊车梁这样以动荷载为主要荷载的承重结构，一般对冲击韧性没有特殊要求的承重结构都可以选用Q235-A。下面分两点说明其原因。
一是可焊性，评价一种钢材的可焊性，并非仅仅由含碳量决定，而是由碳当量Cequ决定。《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81—91)给出的表达式为：
Cequ=C+Mn／6+(Cr+Mo+V)／5+(Ni+Cu)／15 (1)
式中，C、Mn、Cr、Mo、v、Ni、Cu分别为碳、锰、铬、钼、钒、铌、铜的含量，％。当碳当量Cequ<0.4％时，焊接性优良；当碳当量Cequ=0.4％～0.6％时，焊接时要采取一些工艺措施，如预热，缓冷等；当碳当量Cequ>0.6％时，要采取更高的预热温度和严格的工艺措施。《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81-91)则规定碳当量Cequ应不大于0.45％。式(1)为国际焊接学会(IIW)所推荐的公式，比较常用。
目前我国生产的符合标准的Q235-A，其碳当量不会超过0.45％，其可焊性是有保证的，是可以用于焊接结构的。
二是力学性能，Q235-A的屈服强度、抗拉强度、伸长率是有保证的，只是当冷弯试验合格时，抗拉强度上限不保证，而设计时，一般都把屈服强度作为强度计算和稳定计算的依据，结构的实际应力值都远低于屈服强度，因此只要材料的屈服强度有保证，则结构的强度是有保证的。至于结构的刚度只与结构形式和截面尺寸有关，与抗拉强度并无关系。一般而言，当一种钢材的伸长率和冷弯试验合格时，就表明它具有了一定的韧性。因此，对于一般承重结构所需要的基本力学性能，Q235-A是可以保证的。
综上所述，Q235-A是可以用于焊接承重结构的，但不能用于低温环境和动荷载较大的结构(即对材料的韧性有较高要求的结构)。这一点已经为大量的工程实践所证明。当然，在选用Q235+A时，要附加冷弯试验合格的保证，并且要根据质保书核算碳当量是否满足要求，为可靠起见，板材的厚度一般不宜超过16mm。
2 焊接和焊接检验
有不少设计者喜欢在说明焊条时注明具体的焊条牌号，如E4301、E4315、E5015等。其实焊条的具体牌号是由焊接工艺所决定的，制造商根据自己的设备、操作习惯、焊接环境及焊接方位(如平焊、仰焊等)可以选择不同牌号的焊条。除有特殊要求外，设计者只需根据母材的种类选择与其匹配的相同强度等级的焊条即可。如Q235选择E43，Q345选择E50，无需给出具体的焊条牌号。
当结构的母材和焊接材料选定以后，就要确定焊缝的质量等级。选择合适的质量等级是非常重要的，不恰当地提高焊缝的质量等级将提高工程造价。
鉴于现有的焊接技术尚无法避免焊接过程中焊接缺陷的产生，因此必须采取一定措施将焊接缺陷控制在允许的范围内。实践证明，通过制定焊接缺陷质量要求标准进行约束是一种有效的手段。在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中就将焊缝质量等级分为3级，即一、二、三级。如果经过检查，焊接缺陷不超过所要求的级别的各项规定，则焊接过程中焊接缺陷就得到了控制。
在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中，三个质量等级对于焊缝的内部缺陷检验、外观质量标准及检验方法都做了明确的规定：设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，焊缝内部缺陷分级及探伤方法应符合国家现行标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》(GBll345)的规定，对于一、二级焊缝的探伤结果应符合表1的规定。
在GBll345中检验等级分为A、B、C三个级别，评定等级分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。所谓检验等级就是检验方法(有的设計手册把焊缝质量等级和检验等级混为一谈，出现“一级焊缝应符合检验等级中的B级”这样明显的错误)。焊缝中缺陷的位置、形状和方向直接影响缺陷的声反射信号强度。由于缺陷存在的任意性，因此超声波探测焊缝的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的几率愈大，则缺陷的检出率也愈高。根据探测方向(取决于探头角度、探伤侧、探伤面及探头移动角度等)的多少，分为A、B、C三个级别，它体现了检验的完善程度，按A、B、C逐级提高。其检验工作的难度系数也逐级提高(A为1，B为5～6，C为10～12)。各级别探伤面、探伤侧、探头角度及探测方法等在GBll345中都有明确的规定。对于建筑钢结构以及压力容器目前我国超声波探伤的检验等级都采用B级。当检验方法(即检验等级)确定以后．根据用该种方法检测出焊缝中缺陷的情况，对其结果进行等级分类，就是所谓的评定等级。对于焊缝宏观质量控制，缺陷的尺寸超过1mm才有实际意义。GBl1345根据缺陷的长度按表2中的规定予以评级。表2中的12、δ／3等均为超声波探伤仪测出的缺陷尺寸。
在冶金建筑中，经常要接触到高炉，热风炉，重力除尘器等构筑物。此类构筑物虽然有压力，但压力较低，其使用要求也远远低于压力容器。如果按压力容器对待，不仅在设计、制造技术上有很多麻烦，而且在生产操作、行政管理等方面也会带来很多麻烦。事实上在《冶金机械设备安装工程施工及验收规范(炼铁设备)》(YBJ208—85)中对此类构筑物的外壳对接焊缝质量要求有些方面还低于GB50205中二级质量等级的要求。如其焊缝检查长度仅要求为总长的10％(对手工焊)，低于GB50205中二级20％的要求；其超声波探伤方法和标准按《锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波》(JBll52-81)中规定的Ⅱ级焊缝执行，该标准Ⅱ级焊缝缺陷指示长度为23／3；最小12 mm，最大40 mm。对比表2可以看出，仅最大指示长度相差10 mm，略有差别。因此，笔者认为将此类构筑物当作建筑钢结构处理较好，其焊缝质量要求可以按GB50205执行。这些构筑物的壳体对接焊缝可以按GB50205中二级要求执行。这样处理既符合设计院的习惯分工，又可以保证质量，且避免了引用不同行业标准而产生的混乱。《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81～91)中焊缝超声波探伤检验方法和标准也是引用JBl152—8l，存在著同样的缺点，也应按GB50205执行。目前《钢制压力容器》(GBl50—1998)所引用的焊缝检验标准是《压力容器无损检测》(JB4730—94)，已不用JBIl52-8l。
3 涂装
涂装是最近才出现的新名词。其意思与防腐基本一致，不仅包括涂料，还包括对钢材表面的除锈要求。“钢材表面须认真除锈”这样的说明缺乏具体的标准，应该注明除锈等级Sa2.5，或除锈等级St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是喷射或抛射(通常说的喷砂只是其中一种)的等级要求，共有4级。手工和动力工具除锈等级只有St2、St3两种。我国对于除锈等级早已有国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB8923—88)。喷射除锈不仅除锈彻底，而且能在钢材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料与钢材的粘结，大大提高防腐年限。当构件有残余应力时，喷射还可以消除部分残余应力，值得大力推广。
4 结束语
尽管承压型在设计数值上占有优势，但由于其属于剪压破坏型式，螺栓孔为类似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷载作用时的变形远大于摩擦型，所以高强度螺栓承压型主要用于非抗震构件连接、非承受动荷载构件连接、非反复作用构件连接。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.钢结构技术规范（GB50017- 2003）4 陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社，1998
[2]周学军主编.门式刚架轻型结构设计与施工.山东科学技术出版社，2001
[3]刘声扬编著.钢结构疑难释义(第三版).中国建筑工业出版社
[4]钢结构高强度螺栓技术规程JGJ 82- 1991
【关键字】钢材；高强度螺栓；钢结构设计
1 钢材的选型
很多设计人员在设计总说明关于钢材的选型中往往写道：“钢材选用Q235-B，其抗拉强度，屈服点，伸长率，碳、硫、磷极限含量，应符合有关规定，且保证其可焊性。”这种说法是不正确的。其错误的原因是对我国现行的钢产品标准不熟悉，与老标准相混淆。
目前我国建筑钢材一般只用两种，即素结构钢和低合金高强度结构钢，其相应的国家标准为《碳素结构钢》(GB700—88)和(低合金高强度结构钢>(GB／T159l-94)。以前常说的三号钢和16Mn钢就分别属于碳素结构钢和低合金高强度结构钢。按(GB700—88)碳素结构钢分为Q195、Q215、0225、Q235、Q275，Q235又分为A、B、C、D四个质量等级，即Q235-A～D。A级钢不做冲击试验．而B、C、D级则分别保证在20、0、-20℃时V型冲击功不小于27J。当设计承受动力荷载的结构时．要根据环境温度的不同情况，选用不同级别的钢材。如果我们选用了Q235-B，那么只要它是符合标准的产品，则钢材的屈服点，抗拉强度，伸长率，碳、硫、磷等化学成分，冷弯试验值，V型冲击功试验值都是有保证的(即以前所说的五项保证)，不必另行强调。因此正确的说法应该是：“钢材选用Q235-B，其性能应符合国家标准(GB700—88)的规定。”
要特别提到的是，在国家标准(GB700-88)中第5.1.1.5条注明：“在保证钢材力学性能符合本标准规定情况下，各牌号A级钢的碳、锰、硅含量和各牌号其他等级钢碳、锰含量下限可以不作为交货条件，但其含量(熔炼分析)应在质量证明书中注明。”这就表明A级钢的碳、锰、硅含量是不保证的。在国家标准(GB700-88)中第5.4.1.3条注明：“各牌号A级钢的冷弯试验，在需方有要求时才进行。当冷弯试验合格时，抗拉强度上限可以不作为交货条件。由于碳含量对钢材的可焊性影响很大，从表面上看，既然A级钢的碳、锰、硅含量不保证，那么Q235-A是不能用于焊接结构的。目前的教科书以及钢结构设计手册大都持此观点。似乎Q235-A是一种质量很差的钢材，除平台板和支撑构件外，几乎很少场合可以用0235-A。事实并非如此。压力容器应该是典型的焊接结构，对其性能的要求也比普通的建筑钢结构要严格。然而我国最新压力容器标准(钢制压力容器)(GBl50-1998)却明文规定在压力≤1.0Mpa。温度0～350℃，壳体厚度≤16mm时，除极度危害介质的压力容器外，可以使用Q235.A(见该标准第4.2.2.4.2.3条)。这就表明Q235-A是可以用于焊接结构的。除了象吊车梁这样以动荷载为主要荷载的承重结构，一般对冲击韧性没有特殊要求的承重结构都可以选用Q235-A。下面分两点说明其原因。
一是可焊性，评价一种钢材的可焊性，并非仅仅由含碳量决定，而是由碳当量Cequ决定。《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81—91)给出的表达式为：
Cequ=C+Mn／6+(Cr+Mo+V)／5+(Ni+Cu)／15 (1)
式中，C、Mn、Cr、Mo、v、Ni、Cu分别为碳、锰、铬、钼、钒、铌、铜的含量，％。当碳当量Cequ<0.4％时，焊接性优良；当碳当量Cequ=0.4％～0.6％时，焊接时要采取一些工艺措施，如预热，缓冷等；当碳当量Cequ>0.6％时，要采取更高的预热温度和严格的工艺措施。《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81-91)则规定碳当量Cequ应不大于0.45％。式(1)为国际焊接学会(IIW)所推荐的公式，比较常用。
目前我国生产的符合标准的Q235-A，其碳当量不会超过0.45％，其可焊性是有保证的，是可以用于焊接结构的。
二是力学性能，Q235-A的屈服强度、抗拉强度、伸长率是有保证的，只是当冷弯试验合格时，抗拉强度上限不保证，而设计时，一般都把屈服强度作为强度计算和稳定计算的依据，结构的实际应力值都远低于屈服强度，因此只要材料的屈服强度有保证，则结构的强度是有保证的。至于结构的刚度只与结构形式和截面尺寸有关，与抗拉强度并无关系。一般而言，当一种钢材的伸长率和冷弯试验合格时，就表明它具有了一定的韧性。因此，对于一般承重结构所需要的基本力学性能，Q235-A是可以保证的。
综上所述，Q235-A是可以用于焊接承重结构的，但不能用于低温环境和动荷载较大的结构(即对材料的韧性有较高要求的结构)。这一点已经为大量的工程实践所证明。当然，在选用Q235+A时，要附加冷弯试验合格的保证，并且要根据质保书核算碳当量是否满足要求，为可靠起见，板材的厚度一般不宜超过16mm。
2 焊接和焊接检验
有不少设计者喜欢在说明焊条时注明具体的焊条牌号，如E4301、E4315、E5015等。其实焊条的具体牌号是由焊接工艺所决定的，制造商根据自己的设备、操作习惯、焊接环境及焊接方位(如平焊、仰焊等)可以选择不同牌号的焊条。除有特殊要求外，设计者只需根据母材的种类选择与其匹配的相同强度等级的焊条即可。如Q235选择E43，Q345选择E50，无需给出具体的焊条牌号。
当结构的母材和焊接材料选定以后，就要确定焊缝的质量等级。选择合适的质量等级是非常重要的，不恰当地提高焊缝的质量等级将提高工程造价。
鉴于现有的焊接技术尚无法避免焊接过程中焊接缺陷的产生，因此必须采取一定措施将焊接缺陷控制在允许的范围内。实践证明，通过制定焊接缺陷质量要求标准进行约束是一种有效的手段。在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中就将焊缝质量等级分为3级，即一、二、三级。如果经过检查，焊接缺陷不超过所要求的级别的各项规定，则焊接过程中焊接缺陷就得到了控制。
在《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)中，三个质量等级对于焊缝的内部缺陷检验、外观质量标准及检验方法都做了明确的规定：设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，焊缝内部缺陷分级及探伤方法应符合国家现行标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》(GBll345)的规定，对于一、二级焊缝的探伤结果应符合表1的规定。
在GBll345中检验等级分为A、B、C三个级别，评定等级分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。所谓检验等级就是检验方法(有的设計手册把焊缝质量等级和检验等级混为一谈，出现“一级焊缝应符合检验等级中的B级”这样明显的错误)。焊缝中缺陷的位置、形状和方向直接影响缺陷的声反射信号强度。由于缺陷存在的任意性，因此超声波探测焊缝的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的几率愈大，则缺陷的检出率也愈高。根据探测方向(取决于探头角度、探伤侧、探伤面及探头移动角度等)的多少，分为A、B、C三个级别，它体现了检验的完善程度，按A、B、C逐级提高。其检验工作的难度系数也逐级提高(A为1，B为5～6，C为10～12)。各级别探伤面、探伤侧、探头角度及探测方法等在GBll345中都有明确的规定。对于建筑钢结构以及压力容器目前我国超声波探伤的检验等级都采用B级。当检验方法(即检验等级)确定以后．根据用该种方法检测出焊缝中缺陷的情况，对其结果进行等级分类，就是所谓的评定等级。对于焊缝宏观质量控制，缺陷的尺寸超过1mm才有实际意义。GBl1345根据缺陷的长度按表2中的规定予以评级。表2中的12、δ／3等均为超声波探伤仪测出的缺陷尺寸。
在冶金建筑中，经常要接触到高炉，热风炉，重力除尘器等构筑物。此类构筑物虽然有压力，但压力较低，其使用要求也远远低于压力容器。如果按压力容器对待，不仅在设计、制造技术上有很多麻烦，而且在生产操作、行政管理等方面也会带来很多麻烦。事实上在《冶金机械设备安装工程施工及验收规范(炼铁设备)》(YBJ208—85)中对此类构筑物的外壳对接焊缝质量要求有些方面还低于GB50205中二级质量等级的要求。如其焊缝检查长度仅要求为总长的10％(对手工焊)，低于GB50205中二级20％的要求；其超声波探伤方法和标准按《锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波》(JBll52-81)中规定的Ⅱ级焊缝执行，该标准Ⅱ级焊缝缺陷指示长度为23／3；最小12 mm，最大40 mm。对比表2可以看出，仅最大指示长度相差10 mm，略有差别。因此，笔者认为将此类构筑物当作建筑钢结构处理较好，其焊缝质量要求可以按GB50205执行。这些构筑物的壳体对接焊缝可以按GB50205中二级要求执行。这样处理既符合设计院的习惯分工，又可以保证质量，且避免了引用不同行业标准而产生的混乱。《建筑钢结构焊接规程》(JGJ81～91)中焊缝超声波探伤检验方法和标准也是引用JBl152—8l，存在著同样的缺点，也应按GB50205执行。目前《钢制压力容器》(GBl50—1998)所引用的焊缝检验标准是《压力容器无损检测》(JB4730—94)，已不用JBIl52-8l。
3 涂装
涂装是最近才出现的新名词。其意思与防腐基本一致，不仅包括涂料，还包括对钢材表面的除锈要求。“钢材表面须认真除锈”这样的说明缺乏具体的标准，应该注明除锈等级Sa2.5，或除锈等级St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是喷射或抛射(通常说的喷砂只是其中一种)的等级要求，共有4级。手工和动力工具除锈等级只有St2、St3两种。我国对于除锈等级早已有国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB8923—88)。喷射除锈不仅除锈彻底，而且能在钢材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料与钢材的粘结，大大提高防腐年限。当构件有残余应力时，喷射还可以消除部分残余应力，值得大力推广。
4 结束语
尽管承压型在设计数值上占有优势，但由于其属于剪压破坏型式，螺栓孔为类似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷载作用时的变形远大于摩擦型，所以高强度螺栓承压型主要用于非抗震构件连接、非承受动荷载构件连接、非反复作用构件连接。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.钢结构技术规范（GB50017- 2003）4 陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社，1998
[2]周学军主编.门式刚架轻型结构设计与施工.山东科学技术出版社，2001
[3]刘声扬编著.钢结构疑难释义(第三版).中国建筑工业出版社
[4]钢结构高强度螺栓技术规程JGJ 82- 1991