钢结构实用设计问题探讨(二)

钢结构实用设计问题探讨（二）

邱鹤年

（中冶京诚工程技术有限公司设计审查中心 北京 100053）

7 强度计算与应力

由于钢结构由单一匀质材料组成，强度计算采用

应力形式表达，其指标单一，富裕量明确，使用方便。

但在稳定计算、考虑塑性发展的抗弯计算中，由于引

入了其他参数，其数值已不再是应力概念。如计算受

压构件的稳定性，用边界条件式N/ϕA≤f来表达，这叫

强度计算，是防止结构构件因材料强度被超过而破坏

的计算。此时应力仍为σ＝N/A，不能称N/ϕA为应力

σ。对此有关规范在表达上十分严谨，采用如下措词：

抗弯强度应按下式计算：M x/γx W nx≤f；受压稳定性按

下式计算：N/ϕA≤f等。而从不写为：σ＝M x/γx W nx≤f

和σ＝N/ϕA≤f。但目前较多软件、文件、图纸、考题

中则混称为应力，如应力比、稳定应力，甚至称稳定

计算为正应力，这是不恰当的。如称为强度计算比、

以应力形式表达的稳定性计算数值则较为合理。

钢与混凝土组合梁考虑全截面塑性发展进行强度

计算，因钢和混凝土材料均进入塑性状态，故其计算

式用内力形式表达，不出现应力，类似钢筋混凝土结

构的计算形式。

8 吊车工作制及工作级别

自《起重机设计规范》实施以来，所有吊车生产

订货、工艺设计及其提供土建资料都以吊车工作级别

为依据，级别的确定根据吊车利用等级（工作循环次

数）和载荷状态确定，分为A1～A8共8级，见表1。

吊车工作级别 表1

载荷 利用等级-总工作循环次数（万次）

状态 系数

k p u0-

1.6

u1-

3.2

u2-

6.3

u3-

12.5

u4-

25

u5-

50

u6-

100

u7-

200

u8-

400

u9->

400

Q1-轻 0.125 A1 A1 A1 A2A3 A4 A5 A6A7A8

Q2-中 0.25 A1 A1 A2 A3A4 A5 A6 A7A8

Q3-重 0.5 A1 A2 A3 A4A5 A6 A7 A8

Q4-特重 1.0 A2 A3 A4 A5A6 A7 A8

《钢结构设计规范》（GB50017－2003）（简称《钢规》）中轻级工作制相当于A1～A3；中级相当于A4,A5；重级相当于A6,A7；特重级为A8。怎么称呼并不重要,问题在于对“应进行疲劳计算”的界定上。过去对重级吊车或中级起重量较大吊车才要求计算疲劳。而GB50017－2003第6.1.1条规定直接承受动力荷载当应力变化循环次数等于或大于5万次时，应进行疲劳计算。也就是说，按设计使用50年计，平均每天只要工作2.7次就要进行疲劳计算。从表1可看出，所有中级以上吊车全都超过5万次，轻级吊车也有超过的可能。而《钢规》某些规定和条文说明的本意还是同过去一样。虽然一般吊车梁疲劳计算可以满足规定，但在构造上特别是选材上差别就大了，例如C级钢材现今市场价格要比B级贵千元/t，所以只要明确吊车梁工作循环次数在5万次以上，就应按抗疲劳计算和抗疲劳选材。回旋余地也只能在循环次数的核定上。

9 钢材选用应注意的问题

建筑结构适用的国产钢材有Q235钢和Q345, Q390, Q420钢。重要建筑结构、大跨度结构、高层建筑结构要求高性能钢板者，可采用《建筑结构用钢板》(GB/T19879-2005)的Q235GJ, Q345GJ, Q390GJ, Q420GJ, Q460GJ。如有Z向性能要求的钢板，应选定《厚度方向性能钢板》(GB/T5313-1985)规定的Z15, Z25, Z35中的一种。铸钢常用于复杂节点。

一般焊接结构钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯试验和碳、硫、磷含量的合格保证。抗震结构钢材还要求实测的强屈比不小于1.2，有明显屈服台阶和伸长率大于20％，有良好的可焊性和合格的冲击韧性。故只能采用Q235-B, C, D及Q345B, C, D, E 级钢材，而Q390, Q420的伸长率均不能满足要求。

对于需要计算疲劳的焊接结构钢材，应满足《钢规》3.3.4条对冲击韧性的要求。

工作温度指当地最低日平均温度，载于《采暖通风和空气调节设计规范》（GBJ19－87）（2001年版），新版GB50019－2003不再列入，可查有关手册。

目前工程中大量使用Q235, Q345钢，设计、供货、施工都有较丰富经验。个别重点工程如奥运“鸟巢”采用Q460国产钢材，补充了附加性能保证。由于各牌号钢材弹性模量都是定值，所以由挠度控制的结构就无需采用高强度钢材。疲劳计算与钢号无关，也无需用高强度钢材。由稳定控制的截面，其承载能力与强度不是线性关系，甚至出现同样截面的构件，当ϕ值很小时，Q345钢的承载力反而比Q235还小的个别现象。所以钢号的选用应进行计算比较后，才能确定。

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上世纪我国已淘汰了平炉，大量采用连续浇注，沸腾钢几无供货。质量等级A, B 的货源较多，C 级钢要比B 级贵得多，D, E 级钢价格更高，货源更少，需要提前订货。

10 焊接材料的选配

由于国家标准不断更新，埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂有新的表示牌号以及Q390的连接材料强度应高于母材等原因，《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81－2002）所推荐的配套焊接材料应相应修改，现汇集于表2。

钢材与焊接材料的选配 表2

钢材牌号、等级 焊条型号 埋弧焊焊剂型号-焊丝牌号 CO 2气体保

护焊实芯焊丝型号

A E4303 B

E4303，E4315

E4316，E4328

ER49-1 C F4A0-H08A

Q235

D E4315，E4316

E4328 F4A2-H08A ER50-6

A E5003 ER49-1

B E5003，E5015

E5016，E5018

F48A0-H08MnA

F48A0-H10Mn2 ER50-3

C F48A2-H08MnA ，F48A2-H10Mn2

D E5015，E5016 E5018 F48A3-H08MnA ，F48A3-H10Mn2ER50-2

Q345

E 供 需 方 协 议

A B E5515 E5516

F55A0-H10Mn2 F55A0-H08MnMoA C F55A2-H10Mn2 F55A2-H08MnMoA

ER55-D2

D E5515-D3,(-G) E5516-D3,(-G) F55A3-H10Mn2 F55A3-H08MnMoA ER55-D2

Q390

E 供 需 方 协 议

A

B

E5515-D3,(-G) F55A0-H10Mn2 F55A0-H08MnMoA C F55A2-H10Mn2 F55A2-H08MnMoA

D

E5516-D3,(-G)

F55A3-H10Mn2

F55A3-H08MnMoA

ER55-D2

Q420

E 供 需 方 协 议

注：1)本表的依据为《碳钢焊条》(GB/T5117-1995)、《低合金钢焊条》(GB/T5118-1995)、《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》(GB/T5293-1999)、《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》(GB/T12470-2003)、《气体保护电弧焊用低碳钢低合金钢焊丝》(GB/T8110-1995)。2) F4, F48, F55的F 表示焊剂，4, 48, 55为熔敷金属强度等级；A0, A2, A3的A 表示试件为焊态（P 为热处理后），0, 2, 3表示冲击功的试验温度为0℃, -20℃, -30℃；D2, D3, G 为化学成分分类代号；ER 表示焊丝。

11 紧固件

普通螺栓根据加工精度不同而分为A, B, C,共3级。A, B 级为精加工，A 级直径不大于24mm 和长度不大于10d 或150mm ，此外则为B 级。A, B 级螺栓杆径与孔径相同，杆径可有少量负公差，孔径可有等值正公差，均为Ⅰ类孔。C 级普通螺栓为粗加工，Ⅱ类孔，孔径比杆径大1～2mm ，此外还有稍大的允许偏差，故连接易松动，仅适用于安装或次要连接。A, B 级螺栓性能等级为5.6, 8.8，C 级则为4.6, 4.8。5.6级用碳钢制作，8.8级用低碳合金钢或中碳钢制作，并经热处理。螺栓材料应符合《钢规》3.3.8条3要求，其

螺母、垫圈均有配套标准。

高强度螺栓有大六角头和扭剪型两种，应符合《钢规》3.3.8条4要求。大六角头高强度螺栓连接副由1个大六角头螺栓、1个大六角螺母和2个垫圈组成，性能等级为8.8，10.9。扭剪型高强度螺栓连接副由1个螺栓、1个螺母和1个垫圈组成，性能等级为10.9。

铆钉应符合《钢规》3.3.8条6要求。其受力性能好，但由于安装不便，目前已几乎被淘汰。

柱脚锚栓为重要节点的受拉部件，非抗震设防地区可用Q235-B, Q345A ，抗震设防地区则用Q235-B, Q345B 制作。

12 强度设计值的取用

钢材的强度设计值与质量等级无关，随厚度或直径的增大而降低，这里厚度指计算点处的厚度，对轴心受力构件则指截面中较厚板件的厚度。

质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度设计值与母材相等，在用引弧板时可不进行焊缝计算，也不用斜向拼接；三级对接焊缝只进行受拉计算。厚度小于8mm 钢板的对接焊缝，超声波探伤不易反射出内部缺陷，必要时可要求X 片检验或改为三级对接焊缝，外观仍可要求二级，仅受拉计算按三级。

高强螺栓连接，螺杆已承受预拉力P ，节点再承受沿螺栓杆轴方向拉力N （不是直接作用在螺杆上）时，只要N

C 级普通螺栓由于孔径大、加工粗、节点易松弛，虽有抗剪、抗压指标，但限定为非动力荷载的次要连接、可拆卸连接及安装连接。而柱脚锚栓则没有抗剪计算指标，即不允许锚栓受剪，柱底水平力依靠抗剪键或柱底摩擦力承受。

13 受弯构件的挠度与起拱

《钢规》3.5.3条规定，为改善外观和使用条件，可将横向受力构件预先起拱，起拱大小应视实际需要而定，一般为永久荷载标准值加可变荷载标准值之半的挠度值。当仅为改善外观条件时，构件挠度应取在永久荷载和可变荷载标准值作用下的挠度计算值减去起拱值。

《钢规》附录A 表A.1.1注2，解释[v T ]时，指出永久荷载和可变荷载标准值产生的挠度可减去起拱值。由于对起拱值没有硬性规定，如果起拱值不小于容许挠度值，构件就不会有挠度发生，容许挠度值就失去了控制受弯构件刚度的意义。为了与正文一致，将该附录注中“如有起拱应……”改为“如有为改善外观条件的起拱，可……”，才能保证受弯构件的正常使用极限状态在规定范围内，否则会存在不安全因素。