隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用日趨廣泛，這就要求設(shè)計人員必須掌握與此相關(guān)的各種知識。本文論述的幾個問題幾乎是任何一項鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計都要遇到的基本問題。從表面上看這幾個問題非常簡單，然而不少設(shè)計人員在處理這幾個問題時卻把握不準(zhǔn)。究其原因，這幾個問題看起來簡單，其內(nèi)涵卻非常豐富，涉及到很多非結(jié)構(gòu)專業(yè)的問題。筆者翻閱了有關(guān)資料，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中這幾個經(jīng)常遇到的基本問題進(jìn)行論述。希望能對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計者有所裨益。
　　1鋼材的選型
　　很多設(shè)計人員在設(shè)計時說明關(guān)于鋼材的選型中往往寫道：“鋼材選用Q235-B，其抗拉強(qiáng)度、屈服點、伸長率、碳、硫、磷極限含量，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定，且保證其可焊性。”這種說法是不正確的。其錯誤的原因是對我國現(xiàn)行的鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不熟悉，老、舊標(biāo)準(zhǔn)相混淆。目前，我國建筑鋼材一般只用兩種，即碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-88)和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB／T1591-94)。以前常說的三號鋼和16Mn鋼就分別屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。按(GB700-88)碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q225、0235、Q275，0235又分為A、B、C、D 4個質(zhì)量等級，即Q235-A～D。A級鋼不做沖擊試驗，而B、C、D級則分別保證在20、0、-20℃時V型沖擊功不小于27J。沖擊功的大小反映了材料的韌性，在研究船舶脆斷的試驗中發(fā)現(xiàn)V型沖擊功在最低使用溫度下不小13.7J時，船舶脆斷事故很少發(fā)生。因此，當(dāng)設(shè)計承受動力荷載的結(jié)構(gòu)時要根據(jù)環(huán)境溫度的不同情況，選用不同級別的鋼材。如果我們選用了Q235-B，那么只要它是符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，則鋼材的屈服點、抗拉強(qiáng)度、伸長率、碳、硫、磷等化學(xué)成分，冷彎試驗值、V型沖擊功試驗值都是有保證的(即以前所說的5項保證)，不必另行強(qiáng)調(diào)。因此正確的說法應(yīng)該是：“鋼材選用Q235-B，其性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)的規(guī)定。”
　　要特別提到的是：在國家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)中第5.1.1.5條注明：“在保證鋼材力學(xué)性能符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定情況下，各牌號A級鋼的碳、錳、硅含量和各牌號其他等級鋼碳、錳含量下限可以不作為交貨條件，但其含量(熔煉分析)應(yīng)在質(zhì)量證明書中注明。”這就表明A級鋼的碳、錳、硅含量是不保證的。在國家標(biāo)準(zhǔn)(GB700--88)中第5A.1.3條注明：“各牌號A級鋼的冷彎試驗，在需方有要求時才進(jìn)行。當(dāng)冷彎試驗合格時，抗拉強(qiáng)度上限可以不作為交貨條件。”由于碳含量對鋼材的可焊性影響很大，從表面上看，既然A級鋼的碳、錳、硅含量不保證，那么Q235-A是不能用于焊接結(jié)構(gòu)的，似乎Q235-A是一種質(zhì)量很差的鋼材，除平臺板和支撐構(gòu)件外，幾乎很少場合可以用Q235-A。事實并非如此。壓力容器應(yīng)該是典型的焊接結(jié)構(gòu)，對其性能的要求也比普通的建筑鋼結(jié)構(gòu)要嚴(yán)格。然而，我國的最新壓力容器標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器》(GB150-1998)卻明文規(guī)定在壓力≤1.0MPa，溫度0-350℃，殼體厚度≤16mm時，除極度危害介質(zhì)的壓力容器外，可以使用Q235-A(見該標(biāo)準(zhǔn)第4.2.2，4.2.3條)。這就表明Q235-A是可以用于焊接結(jié)構(gòu)的。除了像吊車梁這樣以動荷載為主要荷載的承重結(jié)構(gòu)，一般對沖擊韌性沒有特殊要求的承重結(jié)構(gòu)都可以選用Q235-A。首先，評價一種鋼材的可焊性，并非僅僅由含碳量決定，而是由碳當(dāng)量決定。目前我國生產(chǎn)的符合標(biāo)準(zhǔn)的Q235-A。其碳當(dāng)量不會超過0.45％，其可焊性是有保證的，可以用于焊接結(jié)構(gòu)使用。其次，Q235-A的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率是有保證的，只是當(dāng)冷彎試驗合格時，抗拉強(qiáng)度上限不保證，而設(shè)計時，一般都把屈服強(qiáng)度作為強(qiáng)度計算和穩(wěn)定計算的依據(jù)，結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力值都遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，因此只要材料的屈服強(qiáng)度有保證，則結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是有保證的。至于結(jié)構(gòu)的剛度只與結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸有關(guān)，與抗拉強(qiáng)度并無關(guān)系。一般而言，當(dāng)一種鋼材的伸長率和冷彎試驗合格時，就表明它具有了一定的韌性。因此，對于一般承重結(jié)構(gòu)所需要的基本力學(xué)性能，Q235-A是可以保證的。
　　綜上所述，Q235-A是可以用于焊接承重結(jié)構(gòu)的，但不能用于低溫環(huán)境和動荷載較大的結(jié)構(gòu)(即對材料的韌性有較高要求的結(jié)構(gòu))。這一點已經(jīng)為大量的工程實踐所證明。當(dāng)然，在選用Q235-A時，要附加冷彎試驗合格的保證，并且要根據(jù)質(zhì)保書核算碳當(dāng)量是否滿足要求。為可靠起見，板材的厚度一般不宜超過16mm。目前，國內(nèi)鋼材市場上Q235系列的板材和型材大都為Q235-A。如果不分場合，所有的承重結(jié)構(gòu)都選擇Q235-B～D。則不僅工程造價提高，而且也給材料的采購帶來麻煩，以至延誤工期，是不可取的。
　　2焊接檢驗
　　當(dāng)結(jié)構(gòu)的母材和焊接材料選定以后，就要確定焊縫的質(zhì)量等級。選擇合適的質(zhì)量等級是非常重要的，不恰當(dāng)?shù)靥岣吆缚p的質(zhì)量等級將提高工程造價。
　　鑒于現(xiàn)有的焊接技術(shù)尚無法避免焊接過程中焊接缺陷的產(chǎn)生，因此必須采取一定措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內(nèi)。實踐證明，通過制定焊接缺陷質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束是一種有效的手段。在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205)中就將焊縫質(zhì)量等級分為一、二、三3個等級。如果經(jīng)過檢查，焊接缺陷不超過所要求的級別的各項規(guī)定，則焊接過程中焊接缺陷就得到了控制。
　　對于建筑鋼結(jié)構(gòu)，焊縫質(zhì)量要達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)是很困難的。特別是在采用手工電弧焊且剖口較深時，一般的焊工很難做到。在實際工程中，除了大跨度重級工作制吊車梁的下翼緣對接，以及大跨度鋼橋的受拉構(gòu)件的對接這種對質(zhì)量要求很高的焊縫要求一級焊縫以外，其他場合很少用到一級，一般都要求二級。
　　對于角焊縫，除了在要求熔透的情況(如對于輪壓較大的吊車梁的上翼緣和腹板連接的角焊縫)，其質(zhì)量等級要求二級外，其他場合一般都用三級。
　　在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205)中，3個質(zhì)量等級對于焊縫的內(nèi)部缺陷檢驗、外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法都作了明確的規(guī)定：設(shè)計要求全焊透的一、二級焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗。焊縫內(nèi)部缺陷分級及探傷方法應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級法》(GB11345)的規(guī)定，對于一、二級焊縫的探傷結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定。
　　在CB11345中檢驗等級分為A、B、C3個級別，評定等級分為I、II、III、Ⅳ4個級別。所謂檢驗等級就是檢驗方法(有的設(shè)計手冊把焊縫質(zhì)量等級和檢驗等級混為一談，出現(xiàn)“一級焊縫應(yīng)符合檢驗等級中的B級”這樣明顯的錯誤)。焊縫中缺陷的位置、形狀和方向直接影響缺陷的聲反射信號強(qiáng)度。由于缺陷存在的任意性，因此超聲波探測焊縫的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的概率愈大，則缺陷的檢出率也愈高。根據(jù)探測方向(取決于探頭角度、探傷側(cè)、探傷面及探頭移動角度等)的多少，分為A、B、C3個級別，它體現(xiàn)了檢驗的完善程度，按A、B、C逐級提高，其檢驗工作的難度系數(shù)也逐級提高(A為1，B為5-6，C為10～12)。各級別探傷面、探傷側(cè)、探頭角度及探測方法等在GB11345中都有明確的規(guī)定。對于建筑鋼結(jié)構(gòu)以及壓力容器，目前我國超聲波探傷的檢驗等級都采用B級。當(dāng)檢驗方法(即檢驗等級)確定以后，根據(jù)用該種方法檢測出焊縫中缺陷的情況，對其結(jié)果進(jìn)行等級分類，就是所謂的評定等級。對于焊縫宏觀質(zhì)量控制，缺陷的尺寸超過1mm才有實際意義。CB11345根據(jù)缺陷的長度按表2中的規(guī)定予以評級。表2中的12、8／3等均為超聲波探傷儀測出的缺陷尺寸。
　　3螺栓
　　建筑鋼結(jié)構(gòu)所用的螺栓有兩大類，即普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓。普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓的主要區(qū)別在于其機(jī)械性能不同，也即性能等級不同。在設(shè)計中經(jīng)常注明的“高強(qiáng)度螺栓8.8級”，8.8即為性能等級，小數(shù)點前一個數(shù)字8表示該螺栓材料熱處理后的抗拉強(qiáng)度為800 MPa，小數(shù)點后一個數(shù)字8則表示該材料的屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值)0.8，10.9級則表示該材料的抗拉強(qiáng)度為1000MPa，屈強(qiáng)比為0.9。屈強(qiáng)比大，則材料的韌性差，不宜重復(fù)使用。尤其是10.9級的只能用一次。目前我國使用的高強(qiáng)度螺栓只有8.8級和10.9級，可以寫為8.8s和10.9s。普通螺栓如果用Q235(通常用Q235-B以保證有良好的韌性)則性能等級為4.6，如果用Q345則為6.6級。普通螺栓一般在設(shè)計時不注明性能等級，只注明鋼號。
　　一些設(shè)計人員在設(shè)計說明中往往寫道：“高強(qiáng)度螺栓采用承壓型高強(qiáng)度螺栓10.9s”，這是一種不正確的說法。對于設(shè)計者只要給出高強(qiáng)度螺栓的性能等級和連接材料摩擦面的抗滑移系數(shù)即可。不必規(guī)定制造商采用何種螺栓。當(dāng)然，如果確有必要，可以推薦用大六角頭高強(qiáng)度螺栓，或是扭剪型高強(qiáng)度螺栓。
　　承壓型高強(qiáng)度螺栓(或摩擦型高強(qiáng)度螺栓)是一個錯誤的術(shù)語，它將螺栓的連接方式(連接的力學(xué)模式)和螺栓的種類(外形和性能)這兩個不相及的概念混為一談。談到承壓型(Bearing Type)與摩擦型(Friction Type)，它應(yīng)該屬于連接形式(Type of Joint)的范疇。承壓型連接和摩擦型連接只是抗剪連接的兩種形式。前面提及的兩種螺栓既可以用于承壓型連接，也可以用于摩擦型連接，性能都是可靠的。至于這兩種連接形式的區(qū)別和具體計算，在規(guī)范、教科書和設(shè)計手冊中都有詳盡的說明。目前高強(qiáng)度螺栓的連接多用于摩擦型連接，這種連接使得結(jié)構(gòu)的剛度較大，是其主要的優(yōu)點。
　　大六角頭高強(qiáng)度螺栓的外觀和普通螺栓基本一致，只是材料和擰緊的方式不同。扭剪型高強(qiáng)度螺栓為日本人首創(chuàng)，20世紀(jì)70年代末隨寶鋼工程引進(jìn)。這種螺栓的尾部設(shè)有槽口和梅花形卡頭，在擰緊螺母時用專用的電動扳手套住螺母和卡頭一起擰。直至卡頭擰斷，此時螺栓也達(dá)到了規(guī)定的預(yù)拉力值。這種高強(qiáng)度螺栓緊固簡單，便于檢查是否有漏擰或是欠擰，但耗材略多，預(yù)拉力值離散性大且需要專用扳手，也是其缺點。扭剪型高強(qiáng)度螺栓目前我國只有10.9級。這兩種高強(qiáng)度螺栓的類型與尺寸及性能都有對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。所謂連接副指一個螺栓、一個螺母和一個墊圈(大六角頭高強(qiáng)度螺栓為兩個墊圈)。大六角頭高強(qiáng)度螺栓之所以要兩個墊圈是因為其螺栓的加工精度較低，難以保證它與構(gòu)件的緊密結(jié)合。
　　普通螺栓按制作精度分為A、B、C級3種，分別稱為精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B級螺栓除了螺栓本身制作精度要求較高以外，對螺孔的精度也要求較高(I類孔)，以前在建筑鋼結(jié)構(gòu)中多用于永久螺栓，現(xiàn)在已逐步為高強(qiáng)度螺栓所取代。這是因為如果用8.8級的大六角頭高強(qiáng)度螺栓，其價格與精制螺栓相差不多，但高強(qiáng)度螺栓對螺孔的要求和粗制螺栓幾乎一樣，這樣不僅構(gòu)件的制作和安裝成本可以降低，而且施工方便且性能可靠。C級螺栓一般都用于安裝螺栓，地腳螺栓也屬于粗制螺栓。
　　4涂裝
　　涂裝其意思與防腐基本一致，不僅包括涂料，還包括對鋼材表面的除銹要求。“鋼材表面須認(rèn)真除銹”這樣的說明缺乏具體的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該注明除銹等級Sa2.5，或除銹等級St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是噴射或拋射(通常說的噴砂只是其中一種)的等級要求，共有4級。手工和動力工具除銹等級只有St2、St3兩種。我國對于除銹等級早已有國家標(biāo)準(zhǔn)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》(GB8923-88)。噴射除銹不僅除銹徹底，而且能在鋼材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料與鋼材的黏結(jié)，大大提高防腐年限。當(dāng)構(gòu)件有殘余應(yīng)力時，噴射還可以消除部分殘余應(yīng)力，值得大力推廣。
　　“紅丹兩度打底，調(diào)和漆兩度罩面”這種說明使得涂料的品牌不清(紅丹有多種)，漆膜層厚度不明(涂料應(yīng)注明各層厚度)，而且標(biāo)準(zhǔn)也太低，這表明一些設(shè)計人員對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕重要性仍認(rèn)識不足。設(shè)計人員應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)，掌握一些涂料的知識，這方面的知識是非常豐富且在不斷發(fā)展的。