厚板钢材在钢结构工程中的应用及其材性选用
建筑钢结构工程中厚板钢材的应用概况
1.1 早期工程厚板钢材的应用概况
1.1.1 工程应用受到钢材生产与建筑技术政策、标准等的限制
由建国初期到20世纪80年代初近30余年内，由于经济条件与钢铁生产条件的限制，我国建筑技术政策一直严格限制着建筑钢结构的应用，而厚板钢材则因受到国产品种、质量的制约而更少应用，直到1988年国内自行编制颁布的《钢结构设计规范》（GBJ17-88）中，仍限定设计选用钢材的厚度不大于50nn（3号钢）或36mm（16Mn钢），除“规范”（GBJ17-88）所给出的强度设计值指标以此为限制外，在构造要求第8.1.3条中还明确提出“……在正常情况下，焊件的厚度为：对低碳钢不宜大于50mm；对低合金钢，不宜大于36mm”。而令人尴尬的是，在“规范”（GBJ17-88）颁布的同一年，《碳素结构钢》（GB700-88）也同时颁布执行，该标准不仅更新了牌号（Q235代替了原3号钢）、增加了质量等级，而且钢材选用的厚度也扩大到150mm，大大突破了设计规范只能用到50mm的限制；1994年修订颁布的《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-94）也更新了牌号（Q345钢代替了16Mn钢），增加了质量等级，并将钢材厚度扩大到了100mm，突破了36mm的限制规定。这些标准的颁布意味着从钢材产品的规格、质量与品种方面，已有充分的条件选用厚板钢材，但设计规范却一直未对此作出及时补充规定，致使设计规定与钢材产品标准的错位与矛盾分别长达8年与15年之久，这对厚板的设计应用起到了明显的滞后作用。
1.1.2 早期钢结构工程中厚板钢材的应用实例
尽管受到材料与设计规范方面条件的限制，但由于工程建设应用的需要，在一些早期重型钢结构工程，如重级吊车梁、高炉炉壳等结构中，厚板钢材仍得到了一定应用，并开始积累了设计、施工与材料方面的一些经验。现以冶金工厂重级工作制吊车梁为例，介绍早期钢结构工程中的厚板应用实例，其中有的厚板实际上只是多层叠板的组合。
1）武钢、包钢平炉车间350t吊车铆接钢吊车梁（1958年）
a. 使用条件：重级工作制吊车起重量350t，2台作用，轮压P=735kN，小车重1565kN，同时梁上还有起重量75kN的悬臂吊车作用，梁跨度L=36.0m。
b. 截面设计：梁跨度36.0m，承受每台吊车8个轮压（吊车一侧）的作用，梁跨中最大竖向弯矩达84600kN·m，横向弯矩3270 kN·m设计按容许应力方法进行，钢材选用16Mnq钢。因截面要求为多层叠板与角钢的组合，故设计为铆接组合梁，沿跨度截面变化。
c. 材质要求：采用按原苏联标准Γ0CT – 6713 - 53 生产的M16c钢（相当于16Mnq钢）。其主要力学性能指标如下(第三组)：
强度 σs≥310MPa，σb≥480MPa
伸长率 δs≥19%
冲击韧性（横轧制方向）≥60J/cm2（常温）
≥30 J/cm2（-40℃）
≥30 J/cm2（应变时效后）
其化学成分应符合：
C 0.12%-0.20%；S0.045%；P0.040%；Si 0.2%-0.6%；Mn 1.2%-1.6%。
梁全重1440kN，单位长度重40kN/m。
2）鞍钢三炼钢特重级工作制炉顶钢吊车梁（1974年）
a.应用条件：吊车梁跨度L=26.675m，位于120t转炉炉口顶部，故限定其截面高度h≤2.3m（不允许另设制动梁）、下翼缘宽度b下≤0.6m。梁上承受2台特重级钢水包吊车（Q=150t）作用，并要求可靠的隔热保护。
b.设计截面及厚板代用措施：根据净空限制与承载力要求，梁设计为上宽下窄的焊接箱形截面，计算要求采用16Mn钢，上下翼缘板厚度为75mm。因无厚板，决定采用多层叠板代替厚板，上翼缘采用3层25mm板（板间以高强螺栓连接）叠成，下翼缘以2层38mm板（板间以纵向角焊缝）叠成，腹板厚度20mm。
结构设计计算根据1974年《钢结构设计规范》（送审稿）并参考前苏联1962年的《钢结构设计规范》，按极限状态方法计算。
c.梁材质要求：主截面采用16Mn钢材，要求强度、屈服点、延伸率、冷弯、常温冲击韧性等性能符合《普通低合金钢》（YB13-63）要求外，还要求：-40℃横向冲击韧性值≥30 J/cm2，时效后+20℃冲击韧性值≥40 J/cm2（纵向）及≥35 J/cm2（横向）；钢材含氮（N）量<0.008%（降低时效敏感性）；对板厚>25mm的板材，要求正火状态交货，并要求全部钢材均为细晶粒钢（晶粒度>6级）。
d.钢材计算抗力取值：
t16mm [R拉]=190MPa [R剪]=170MPa
t≤25mm [R拉]=270MPa [R剪]=160MPa
t＝38mm [R拉]=250MPa （屈服强度fy>320MPa）
本工程实例只是在早期工程中，因无法供应厚板时所采用的一种叠板代用的特殊作法。
3）宝钢转炉炼钢车间重级焊接钢吊车梁（1981年）
a.使用条件与试验研究
梁跨度29m，其上有起重量达440/80t的重级铸锭吊车作用，设计要求采用国产厚板全焊吊车梁，为此，由原冶金部建筑研究总院承担了“厚板全焊吊车梁试验研究”的大型课题，进行了厚板（16Mn 50mm板，由武钢供货）材料性能试验、厚板焊接工艺试验、厚板吊车梁模拟梁试制及其疲劳试验等系统试验研究，并提出了设计建议作为设计依据。
b.根据试验研究提出的设计建议
设计选材建议：为确保在-15℃环境条件下受动载吊车梁工作的可靠性，根据试验结果建议采用16Mn50mm厚板的材质要求如表1所列。
表1 宝钢炼钢厂重级吊车梁用厚板的性能指标
| 项目类别 | 参数指标 |
| 化学成分/% | C0.12-0.2 Mn 1.2-1.6 Si 0.2-0.6 S≤0.04 P≤0.04 Al<0.02 N≤0.08 |
| 力学性能 | 垂直于轧制方向性能： |
| αs≥320MPa(t<50mm) σb≥480MPa δ5≤19% | |
| αs≥300MPa(t=50mm) 冷弯180O合格（3a） | |
| 冲击韧性αk/(kg·m·cm-2)≥60(常温)，≥35（-20℃），≥30（冷拉5%时效），板厚度方向收缩率φ≥10% | |
| 交货状态 | 正火状态交货，晶粒度≥8级，钢板需平整交货 |
| 匹配焊接材料 | H08MnA焊丝、431焊剂（C≤0.06%不镀铜） |
设计指标建议：因缺少对16mm厚板材料指标的统计分析，无法确定均质系数以推算设计应力。根据试验结果与国外资料，建议容许应力取值如下：
板厚t=40-50mm时，抗拉（压）[σ]=180MPa；抗剪[τ]=110MPa；承压[αcd]=270MPa；
板厚t=30-40mm时，抗拉（压）[σ]=195MPa；抗剪[τ]=120MPa；承压[αcd]=290MPa；
容许疲劳应力（MPa）：200（母材气割边）、190（自动焊对接缝）、115（横加劲肋端部）、150（带孔处）；
疲劳强度折减系数k=0.6。
本工程设计仍遵循我国1974年《钢结构设计规范》。其计算式采取容许应力表达式，但安全系数采用多系数分析单系数表达的改进方法，已属半概率设计方法。本实例表明在20世纪80年代初，对重要钢结构构件的厚板材性已提出了较为完善的要求。
梁截面其全重550kN，单重19kN/m，跨度28.5m，吊车起重量4400kN。
由上述数例可看出，吊车梁构件在较早时期不同时段的设计中，其截面形式有着很大差异；而在技术经济性能方面的优劣与差异也是明显的。这些早期的经验表明，重级工作制钢吊车梁或大型钢构件设计应用技术的发展与优化，必然依赖于钢材产品技术与加工技术的发展与提高。这些早期的选材经验中有一些至今仍有一定的借鉴作用。
1.2 中期钢结构工程中厚板应用概况
1.2.1 应用概况
到20世纪80年代，随着对外开放政策的实施与经济实力的增长，建筑钢结构的应用有一定的发展，1986-1989年期间，应用厚板钢材最多最集中的高层民用建筑钢结构先后在我国兴建。共建成10个项目，总面积约为70万m2，形成我国高层钢结构应用发展的第一个高峰期，其主要项目概况见表2。
表2 20世纪80年代高层钢结构概况
| 序号 | 项目名称 | 高度/m | 层数 | 面积/m2 | 结构与用材情况** |
| 1 | 北京长富宫饭店 | 94 | 26 | 50516 | 钢框架-剪力墙体系，箱形柱450mm×450mm，最大板厚70mm |
| 2 | 北京国贸中心（一期） | 155.3 | 38 | 8764 | 钢密柱筒中筒体系，H型钢柱，柱最大板厚75mm |
| 3 | 北京京城大厦 | 182 | 52 | 135000 | 钢框架-支撑-组合剪力墙体系，箱形柱750mm×750mm，最大板厚75mm |
| 4 | 北京京广中心 | 208 | 53 | 137331 | 钢框架-消能混凝土-剪力墙体系，箱形柱最大尺寸900mm×900mm×80mm |
| 5 | 上海希尔顿酒店 | 146 | 43 | 52000 | 钢框架-混凝土核心筒体系，箱形柱400mm×400mm，最大板厚75mm |
| 6 | 上海锦江饭店 | 153 | 43 | 48200 | 钢框架-支撑-剪力墙体系，箱形柱最大尺寸700mm×700mm ×58mm |
| 7 | 深圳发展中心* | 154 | 39 | 75000 | 钢框架--剪力墙体系，箱形柱最大尺寸1070mm×1070mm×130mm |
注：*为建国以来第一栋自建（国内外联合设计）的高层钢结构；
**所有厚板钢材均由国外进口。
通过这一批工程项目的建成，积累了设计、施工及厚板应用的实践经验，同时也在相关技术方面进行了多项研究（结构体系、抗震分析计算、梁柱节点性能、组合楼盖、施工安装等），并开始制定相关的设计规定。可以说这一批工程项目的建设为我国高层钢结构的发展与应用奠定了基础，但遗憾的是工程所用的厚板材料均为进口钢材，如美国ASTMA572/50级钢、日本SM50钢等。为此，中国钢结构协会在20世纪80年代末即提出了高层钢结构要国产化的倡议。
1.2.2 工程中厚板用材要求
高层钢结构承重构件对钢材强度的要求以345MPa级为主导级别，由表2知，当层数为40-50层时其厚度要求为40-80mm，甚至个别要求达130mm。而1994年以前我国《低合金高强度钢》（GB1591-79）规定的板（型材）最大厚度仅为36mm，可以说在厚板方面还基本处于空白状态，远远不能满足这类工程的用材要求。但通过这期间工程的建设，钢铁企业及钢结构设计、施工人员开始了解了高层钢结构应用厚板的性能要求，焊接等加工工艺要求以及国产钢材性能、品种规格上的差距。上述工程中应用的国外厚板材料性能与国产16Mn钢比较如表3。
表3 345MPa级别的厚板性能比较（日、美、中1973-1979年期间标准）
| 钢材牌号 | 板厚/mm | 化学成分/% | 力学性能 | 标准 | ||||||||
| C(≤) | Si(≤) | Mn(≤) | P(≤) | S(≤) | αs /MPa | σb /MPa | δ/% | 冷弯 | 冲击韧性αk/(kg·m·cm-2) | |||
| 日本SM50B（C） | 50-100 | 0.2 | 0.55 | 1.5 | 0.04 | 0.04 | ≥300 | 500-620 | 17-23 | 180O1.5a | 0℃ | JISG |
| ≥3.5(B级) | 3106-1973 | |||||||||||
| ≥6.0(C级) | ||||||||||||
| 美国A572/50级钢 | ≤50 | 0.23 | 0.3 | 1.35 | 0.04 | 0.05 | ≥352 | ≥457 | ≥21 | 180O2.5a | ASTM | |
| A572-75 | ||||||||||||
| 中国16Mn | 26-36 | 0.12-0.2 | 0.12-0.2 | 1.2-1.6 | 0.045 | 0.05 | ≥310 | ≥480 | ≥19 | 180O 3a | 常温≥60 | GB1591-79 |
| -40℃ | ||||||||||||
| ≥3.0 | ||||||||||||
注：1）美国A572-75标准中钢材的冲击韧性为订货时商定的补充要求，同时板厚50以下不再分组，其化学成分尚含钒、铌等合金；
2）日本SM系列钢为焊接结构用优质结构钢系列，其SM50钢质量等级A、B、C又分别具有不同的力学性能，同时还可保证碳当量。
由表3比较可知，同为20世纪70年代的345MPa级厚板中，以日本SM50钢性能质量较好，中国16Mn板材，即使板厚≤36mm，其综合性能也较差。尽管舞阳钢厂等生产厚板的一些企业已具备一定的生产能力，1985年国家也已制定了《厚度方向性能钢板》（GB5313）等国家标准，但无论从品种、规格与质量性能指标等综合性能方面，国产钢材都还难以满足为高层建筑钢结构用厚板批量供货的要求。
1.3 近期钢结构工程中应用厚板的概况
1.3.1 应用概况
近年来分别以上海浦东区和北京CBD区为代表，集中建成与在建一批高层钢结构又形成了一个峰期，发展情况令人瞩目。到2003年，国内已建（在建）高层钢结构（含组合结构）项目近80项，总面积约600万m2，其中包括高度超过金茂大厦的世界环球贸易中心。这些项目采用的厚板主要用于箱形柱，厚度约在40-100mm范围内，材质主要有以下几种：
低合金钢附加Z向要求：Q345B-Z15，Q345C-Z25等；
高层建筑结构用钢板（符合《高层建筑结构钢板》（YB4104-2000））：Q235GJZ15-C、Q345GJZ25-C等；
国外牌号钢：SM490B-Z25、A572Gr50；
其他牌号：16Mnq-Z15。
上述厚板用材中仍以普通低合金钢Q345（附加Z向性能）为主。
除上述钢结构工程外，正在紧张筹建的部分空间大跨度奥运场馆项目与北京CBD的超高层钢结构项目，也都对厚板用材提出了要求（表4）。
表4 4项重点工程方案设计拟用钢材情况
| 材料要求 | 中央电视台（新楼） | 国贸中心（三期） | 国家体育馆（奥运主场馆） | 五棵松文化体育中心（奥运场馆） |
| 总用钢量/万t | 10 | 4.1 | 4.5 | 3 |
| 材质与规格 | Q390H型钢 | Q345GJ钢板厚度≤100mm | Q345GJ钢板厚度≤100mm | |
| 600mm×350mm×35mm×50-900mm×450mm×40mm×80mm | ||||
| Q390GJ中厚板，厚度为35、40、45、64、80、100、120、130mm | ||||
| 尚有较多中厚板采用Q345GJ多数钢板要求Z向性能 | 部分柱可能采用Q390GJ | Q345GJ中厚板厚度为25、28、30、35、40、50、65、80、90mm | ||
| 多数钢板要求Z向性能 | 多数钢板要求Z向性能 | |||
| 多数钢板要求Z向性能 |
1.3.2 近期钢结构工程中厚板的应用及其特点
与20世纪80年代后期第一次高层钢结构建设峰期时相比，这一期间厚板钢材应用的条件与情况已有了很大变化，主要特点如下：
1）国产厚板品种增加，质量性能显著提高，部分产品达到国外同类产品的先进水平，为高层钢结构应用的国产化发展提供了充分的材料保证。
随着冶金生产技术的进步，经修订于1994年颁布执行的《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）标准，显著提高了345MPa级钢材的性能，增加了质量登记（A-E级）的分级，最大厚度到100mm，同时增加调整了0、-20、-40等的冲击功指标，还提供了延伸率指标，降低了硫、磷含量，其性能指标可等同于日本SM50钢，特别是在2000年，又针对高层钢结构用板要求，颁布执行了新的行业标准《高层建筑用钢板》（YB4104-2000），包括Q235GJ（C、D级）、Q345GJ（C、D、E级）两个牌号，其性能针对高层钢结构用厚板的要求，减少了厚度效应，增加了碳当量、屈服比等供货指标，提高了冲击功值与钢的纯净度，降低了硫磷含量，可附加保证Z向性能，是一种专为焊接结构用的优质板材，其部分性能已优于日本优质钢SN490和美国A572-50级钢，目前此标准正在修订完善中（增加390，420级别）。同时，国内主要厚板厂家也都具备了按国外标准生产SM490，SN490，A572-50等钢种和供货的能力。针对近期重点工程应用厚板的要求，函调了各钢厂近期供货概况如表5所示。
表5 钢铁企业对重点建筑工程供货能力情况
| 钢号 | 钢板厚度/mm | 舞阳钢厂 | 上钢三厂 | 武钢 | 鞍钢 | |||||
| 可供规格 | 供货期/d | 可供规格 | 供货期/d | 可供规格 | 供货期/d | 可供规格 | 供货期/d | |||
| 热轧或控轧 | 热处理 | |||||||||
| Q345 | ≤60 | √ | 30 | 45 | √ | 120 | √ | -- | √ | 60 |
| >60,<100 | √ | √ | √ | |||||||
| 100-130 | √ | √ | ||||||||
| Q345GJ | ≤60 | √ | 30 | 45 | √ | 120 | √ | -- | √ | 60 |
| >60,>100 | √ | √ | √ | |||||||
| 100-130 | √ | |||||||||
| Q345GJZ | ≤60 | √ | 45 | 60 | √ | 120 | √ | -- | √ | 60 |
| >60,<100 | √ | √ | √ | |||||||
| 100-130 | √ | |||||||||
| Q390 | ≤60 | √ | 30 | 45 | √ | 120 | √ | -- | √ | 60 |
| >60,<100 | √ | |||||||||
| 100-130 | √ | |||||||||
| Q390GJ | ≤60 | √ | 45 | 60 | √ | -- | √ | -- | √ | 60 |
| >60,<100 | √ | |||||||||
| 100-130 | √ | |||||||||
| 屈服点不降低的Q345和Q390 | ≤60 | √ | 45 | 60 | √ | -- | √ | 60 | ||
| >60,<100 | √ | √ | ||||||||
| 100-130 | √ | |||||||||
2）国内设计规范的制订与指导，使高层钢结构的设计、用材更为合理与规范化。1998年《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）的颁布执行，不仅使高层钢结构设计有了依据，也第一次明确给出了国产厚板（Q235、Q345）的设计值指标与Z向特性、强屈比等要求，使设计、选材更加规范化。该规程对抗震结构钢材性能要求如下：
a) 钢材的强屈比不应小于1.2；
b) 应有明显的屈服台阶，伸长率应大于20%；
c) 应有良好的可焊性；
d) 焊接节点板厚t≥50mm并承受沿板厚方向拉力作用时，应附加保证不低于Z15的Z向性能（按《厚度方向性能钢板》(GB5313)标准）。
在2003年初，由建设部组织编写、颁布的《全国民用建筑设计技术措施》中也对钢结构用钢选材提出了合理的技术措施与技术要求。
3）高层钢结构应用的国产化程度（包括设计、施工及材料）与综合技术水平明显提高。
1992年完成设计并开始建造的厦门九州大厦（地上29层，高100m，钢框-支撑-剪力墙体系，箱形柱最大尺寸650mm×650mm×65mm）是第一个完全由国内设计、国内施工并采用国产钢材的国产化高层钢结构项目，此后10年间完全由国内自行设计、自行建造的高层钢结构项目已超过30项。仅由舞阳钢厂供材的高层或大跨钢结构项目就近30项，其中上海文献中心所用Q345GJZ25钢要求最大厚度达250mm，其综合性能完全达到设计要求。
综上所述，可以认为自2000年以来，我国高层钢结构的设计建造已进入了国产化时期。国产优质厚板钢材，特别是专用高性能厚板的生产供货，起到了重要的支撑作用。
2 钢结构工程中合理选用厚板材性的问题与建议
2.1 厚板钢材工程应用选材中存在的问题
2.1.1 钢结构工程人员对厚板技术性能的特点与选材要求重视、了解不够，易造成材料选用不当
优质厚板以其多方面的优异特性适用于高层、大跨、重负荷等较复杂的钢结构工程中，因而这类工程也对厚板材性的选用提出了严格的综合要求，以抗震设防地区高层钢结构为例，其承洲结构用厚板可能包括的材性要求如表6所列。
表6 对厚板材性的要求
| 结构对材性要求 | 材料相应保证的材性项目 |
| 结构材料的强度 | 屈服强度σs、抗拉强度σu、厚度分组与折减率 |
| 结构材料的延性 | 伸长率、冷弯、强屈比、屈服强度的上限值 |
| 结构材料的韧性（耐动力荷载特性） | 冲击功（常温、低温） |
| 结构材料的焊接性 | 碳当量或焊接裂纹敏感指数 |
| 结构材料的抗层状撕裂性 | Z向性能（保证沿厚度方向截面收缩率） |
| 细晶粒及低残余应力 | 正火（热处理）或控制轧制（TMCP），晶粒度 |
| 结构材料的耐腐蚀性（有较高耐蚀性要求时用） | 耐候性（化学成分） |
| 结构材料的耐火性（按抗火设计时用） | 耐火性（化学成分）、600℃时σs |
| 低屈服点高延性（消能构件用） | 高延伸率（δ≥50%） |
| 大热能输入的高韧性 | 高冲击功值（0℃时为70J） |
钢结构工程人员（包括设计、施工与材料人员）应重视对厚板材性特点的了解与掌握，其依据是相应的厚板材料标准，目前主要可应用的标准与选用原则如下：
1）《高层建筑结构用钢板》（YB4104）——优质中厚板，适用于有综合性能要求的结构。
2）《低合金高强度钢》（GB/T1591）——普通低合金钢，重要钢结构选用时，质量等级不宜低于C级，亦可附加碳当量与Z向性能要求（按《厚度方向性能钢板》(GB5313)）。
3）《碳素结构钢》（GB700）——碳素结构钢，重要钢结构所用的Q235级钢其质量等级不宜低于C级，亦可附加Z向性能要求（按《厚度方向性能钢板(GB5313)》。
4）《焊接结构耐候钢》（GB/T4172）——耐候钢，国内钢结构工程尚很少应用，但其厚度效应小，耐候性好，适用于外露钢结构，应用时需经技术论证确定强度设计值等设计指标。
最近，舞钢等单位正组织“标准”（YB41041）的修订（增加Q390、Q420级别），武钢等单位也在筹备高性能建筑用钢材标准的制定。
可参考的国外标准为：
日本〈建筑结构用轧制钢材〉（JISG3136）——SN材为建筑专用的高性能钢材，其保证性能与上述《高层建筑结构用钢板》（YB4104）相似。
日本《焊接结构用轧制钢材》（JISG3106）——SM材，为性能较好的焊接结构专用钢材。
美国《结构级高强度低合金铌钒钢》（ASTM）——A572/A572M
上述标准规定的材性参数、指标比例列表7，可供参考。
表7 中、日、美厚板钢材性能比较
| 钢材牌号 | 厚度/mm | 化学成分/% | 力学性能 | ||||||||||||||
| C≤ | Mn | Si≤ | P≤ | S≤ | Ceq≤ | αs /MPa | σb /MPa | δ/% | 冷弯 | 冲击功Ak/J | 屈服比≤ | ||||||
| 中国GB1591 | |||||||||||||||||
| Q345D | 50-100 | 0.2 | 1.0-1.6 | 0.55 | 0.035 | 0.035 | -- | ≥275 | 470-630 | 22 | 180O | 0℃≥34 | -- | ||||
| 0.18 | 0.03 | 0.03 | -- | ≥275 | 22 | d=3a | -20℃≥34 | ||||||||||
| 中国YB-4104 | |||||||||||||||||
| Q345C GJ | |||||||||||||||||
| Q345D GJ | 50-100 | 0.2 | ≤1.6 | 0.55 | 0.025 | 0.015 | 0.44 | ≥325-435 | 490-610 | 22 | 180O | 0℃≥34 | 0.8 | ||||
| Q345CGJZ | 0.18 | 22 | d=3a | -20℃≥34 | 0.8 | ||||||||||||
| Q345DGJZ | Z15 | 0.02 | 0.01 | 同上 | |||||||||||||
| Z25 | 同上 | 同上 | 同上 | 0.02 | 0.007 | 同上 | 同上 | 同上 | |||||||||
| Z35 | 0.02 | 0.005 | |||||||||||||||
| 日本JISG3106 | |||||||||||||||||
| SM490A | (t>50mm时) | ≤1.6 | |||||||||||||||
| SM490B | 40-100 | 0.22 | 0.55 | 0.035 | 0.035 | -- | ≥295 | 490-610 | 23 | -- | 0℃≥27 | -- | |||||
| 0.2 | 23 | -- | 0℃≥27 | ||||||||||||||
| 日本JISG313b | |||||||||||||||||
| SN490B | (Z向性能) | ||||||||||||||||
| SN490C | 40-100 | (t>50mm时) | ≤1.6 | 0.55 | 0.03 | 0.015 | (t>40mm时) | ≥295 | 490-610 | 23 | -- | 0℃≥27 | 0.8 | ||||
| 0.2 | 0.02 | 0.008 | 0.46 | Z25/Z15 | |||||||||||||
| 美国A572 | 不分厚度 | 0.23 | ≤1.35 | 0.15-0.4 | 0.04 | 0.05 | 协议 | ≥345 | ≥450 | 21 | 协议 | 协议 | -- | ||||
| 50级 | 可协议Ni、V、N等含量要求 | ||||||||||||||||
2.1.2 现行设计规范中未列入性能较好的新钢材牌号与设计指标，设计人员无法合理应用
现钢结构工程设计中钢材的设计强度都依据现行设计规范《钢结构设计规范》（JGJ50017-2003）与《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）等规定的钢材强度设计值取值，但无论旧版或新版设计规范均未将上述优质钢材《高层建筑结构用钢板》（YB4104）（即GJ钢）与早已生产的《焊接结构耐候钢》（GB/T4172）等列为推荐用材，也未给出相应的说明。以致设计中无法应用此类材料，实际工程中已出现了优材劣用的情况（用优质Q345QJ钢，强度却按普通Q345钢取值，降低了18%）。按“标准”（YB4104）供货的高层建筑用钢Q235SGJ钢、Q345GJ钢厚板，有着良好的综合性能，如低厚度效应（板厚50-100mm时屈服强度仅降低6%，而普通Q345钢要降低20%），良好的延性与冲击韧性（保证冲击功）及焊接性能（碳当量保证），以及抗层状撕裂性能（Z向性能保证）等。还可以正火状态交货，以消除内应力，细化晶粒，可以说能满足按抗震设计的高层钢结构用厚板材料的所有高性能要求，其质量、性能水平已等同甚至部分优于日本SM50钢与美国A572-50级钢（表6）。近两年来，在北京中关村金融中心、上海文献中心及北京电视台新楼、北京银泰大厦等工程中采用由舞阳钢厂生产的Q345GJZ厚板都取得较好的效果。其突出的优点是可比普通Q345钢设计强度提高18%，可降低相关用钢量及造价10%以上。为此，中国钢结构协会与中国钢铁工业协会曾先后召集或参加了多次国产厚板应用的专家讨论证会。国家体育场（鸟巢），五棵松文化体育中心等奥运场馆及银泰中心等，经专家论证后都决定按优材优用的原则，在应用Q345QJ钢时考虑了强度设计值的提高。专家一致的意见与建议是：按照《高层建筑结构用钢板》（YB4104-2000）标准生产供货的Q345GJ厚板钢材，仍是Q345系列钢种中的一种优质钢材，完全可以按其屈服强度提高的材性指标用于工程设计，具体取值时抗力分项系数仍可取为1.111。
2.1.3 当前厚板选材方面缺乏技术指导性的规定，具体性能选用时难以合理掌握
因设计规范中对选材的规定较简单，设计人员普遍对厚板的强度取值、Z向性能、质量等级及冲击功等性能如何合理要求与掌握等疑问较多，同时由于材料性能直接与材料供货价格有关（如增加Z向性能要求时每吨钢增加约900-1200元），合理选择材性自然成为业主要求设计把握的重点。目前多数重点工程的做法都是在设计的前期阶段组织有设计、施工、材料专家参加的选材专题研讨论证会议，提出较具体的选材建议作为本工程的选材依据。
2.2 钢结构工程中合理选用厚板（40-100mm）材性的参考性建议
1）厚板选材原则仍可参照《钢结构设计规范》（GB500017）、《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99）的规定，综合考虑荷载性质、工作环境温度、结构塑性发展与延性要求、节点焊接约束状态、板厚与厚度折减效应等条件合理选材。
2）厚板钢材牌号可选用碳素钢Q235（B、C、D级）、低合金钢Q345（B、C、D、E级）、Q390（C、D、E级）与符合《高层建筑结构用钢板》（YB4104）的Q235GJ（C、D级）钢、Q345GJ（C、D、E级）钢等。当因强度控制截面厚度或要强综合的优良性能时，宜优先选用Q235GJ钢板与Q345GJ钢板。
按抗震设防要求设计的高层钢结构框架钢材一般一宜选用强度级别高于390MPa的厚板钢材。
3）承重结构厚板钢材质量等级不应低于B级，其应保证的基本饿性能为：屈服强度（σs）、抗拉强度（σb）、伸长率（δ5）、冷弯等，对重要承重构件（框架梁、柱、转换层大梁等）其厚板质量等级不宜低于C级，当承受较高烈度（8-9度）地震作用或直接承受动力荷载时尚应附加保证以下各项性能：
a.承受直接动力荷载时，应附加保证常温冲击功（20℃，≥27J）作为基本要求，需做疲劳计算的厚板构件，应按工作环境要求保证相应温度的冲击功。
b.承受较高烈度地震作用时，应再附加保证延性性能要求，包括钢材强屈比（σb /δs）≤0.8、延伸率σ5≥20%等。
c.对厚度t≥50mm的厚板，宜补充要求其屈服强度因厚度增大的折减率不大于6%的要求（Q345GJ板可自然满足此要求），必要时可附加要求屈服强度不因厚度折减的技术条件。
d.当选用Q345钢时应附加其屈服强度上限值的要求（可参照Q345GJ钢，该钢种自然保证此项要求）。
4）厚板材料的化学成分应按所要求的质量等级（B、C、D、E）予以相应保证，对重要焊接结构的厚板，应要求保证碳当量（Ceq）或焊接裂纹敏感指数（Pcm）限值。Ceq（%）与Pcm（%）均以钢材实物的冶炼成分含量（厂家质量表）按下式计算：
Ceq =C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/S+Mo/4+V/14
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+SB
当厚板t=50-100mm按热轧或正火状态交货时，其碳当量Ceq≤0.36%（Q235钢）或0.44%（Q345钢）；Pcm≤0.26%（Q235钢）或0.29%（Q345钢）。
5）厚板的Z向抗撕裂性能属于钢材的纯净度要求，有Z向性能要求时，钢材价格将增加20%左右，故选材时应按以下要求慎重选用：
a.仅在施工中因接头构造与焊接约束力较大，易引起层状撕裂的部位，并在使用中该处也受到层裂方向拉力作用时，才对该部位的厚板考虑Z向要求；
b.对重要框架箱形厚板柱构件（节点区采用内隔板构造），当板厚t=40-60mm时可要求Z15性能，当t>60mm时可要求Z25性能，一般不宜要求Z35性能（Z15、Z25、Z35相应为板厚方向断面收缩率应≥15%、25%及35%），此时钢材相应的含硫（S）量应保证严格的控制要求（分别≤0.01%、0.007%、0.005%）；
c.对类似上述条件的厚翼缘H型钢柱，由于节点区约束条件的不同，对厚翼缘钢材有Z向性能要求时，可仅要求Z15性能的保证；
d.当重要承重框架梁柱节点采用梁贯通（梁上、下翼缘处对应的柱横隔板贯通并与梁翼缘熔透对焊）构造，并当隔板厚度t>40mm时，可仅对厚隔板材料附加Z向性能要求。
e.当材质有稳定保证或有可靠的使用经验与检验依据时，也可以只要求含硫量上限保证后作为Z向钢应用（如满足S≤0.08保证后可相应按Z15级性能应用）。
6）厚板交货状态、检验内容与方法等，均由供货厂家按相关标准确定，但对重点工程的钢材订货，宜组织设计、材料、施工专家参加的研讨会共同商定，确认各项性能要求以及检验、复验要求，切实做到厚板应用的合理选材、优化用材。
7）尽快制订“钢结构设计选材指南”等技术指标性规定，指导合理选材、用材。
8）当厚板材料为进口钢材时，应充分了解其材料标准与性能，按设计选材要求在订货合同中应明确约定设计所要求的各项性能及缴获验收标准、检验内容方法（尺寸公差，探伤等）、试件（焊接工艺试验）等加工运送责任、超差、违约责任等。所有进口钢材应按《钢结构工程质量验收规范》（GB50205-2001）进行抽检、复验并经设计、监理认可，当因材料复验而需加长材料供货尺寸时，应在合同中注明。
