寒冷地区钢材的选用

钢结构基本原理及设计课程专题报告严寒地区结构钢材的选用专业土木工程学号学生教师日期严寒地区结构钢材的选用（以铁塔为例进行说明）【摘要】提高寒冷地区抗脆断能力的要求，是为了使设计人员重视钢结构可能发生脆性破坏事故。

由于对国产建筑钢材在不同工作条件下的脆断问题还缺乏深入研究，规范条文的内容主要来自前苏联的资料，同时亦参考了其他国内外的有关资料。

前苏联严寒地区面积大，出现脆断事故的机会较多。

根据对事故调查的结果，格构式桁架结构占事故总数的48%，而梁结构仅占18%，板结构占34%，可见桁架结构容易发生脆断。

我国低温地区钢桁架、储液罐等也曾发生过脆断事故。

这些资料在定量的规定上差别较大，很难直接引用，但在定性方面即概念设计中却有一些共同规律。

因此规范在焊接构件的板厚、构造及结构施工等方面提出了防止脆断发生的措施。

【关键词】严寒地区钢材选用1 严寒地区钢材选用问题的提出背景在提出问题之前，首先有必要搞清楚各种温度区的准确定义。

宏观上人们依据纬度的高低（更准确地说是地球在公转当中与太阳的关系）把地球自北向南划分为北寒带、北温带、热带、南温带、南寒带，我国绝大部分地区属于从北极圈（北纬66°30′）～北回归线（北纬23°30′）的北温带，属于温带气候；常规和习惯上依冬季的温度高低，人们又把温度区划为寒冷、严寒等地区，而各种温度区的划分和准确定义，均来自于国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19－81）的2001 年版。

为了对本文叙述的需要，并使读者了解各种温度划分的定义和标准，现将该国家规范的有关室外气象温度参数的标准定义内容介绍如下：严寒地区：累年最冷月平均温度T≤－10℃的地区定义为严寒地区，我国东北、华北的北纬40°30′以上的地区（即大致鞍山－张家口－大同－呼和浩特连线以北）以及陕西省榆林、甘肃省山丹和青海省格尔木均属严寒地区。

寒冷地区：累年（不少于3 年）最冷月平均温度－10℃＜T≤0℃的地区定义为寒冷地区。

全国北纬超过34℃以上除严寒地区以外的所有地区（即大致陇海线以北）和西藏全境及四川的甘孜地区，均属寒冷地区；对承重钢结构钢材的选用，按照新版《钢结构设计规范》（GB50017－2003）的规定，要求同时有7 种考虑的因素，其中以应力状态、连接方法和工作温度三项最重要，所有因素都基于一个出发点，那就是要防止脆性破坏的发生，这对于钢结构来说是至关重要的。

对处于不同地区的送电线路杆塔来说，其它六项如结构重要性、菏载特征、结构形式等其它几项均相同，唯一的区别，就是其工程所经地区的环境温度，在《钢结构设计规范》（GB50017－2003）中，是以结构工作温度为表征的。

结构工作温度：按新版《钢结构设计规范》（GB50017－2003）的规定，是以该规范的最低日平均温度定义的，它比划分寒冷、严寒的温度标准还低，如严寒地区结构工作温度最高的张家口为－22.9℃，最低的海拉尔为－42.5℃，也就是说：一个地区的结构工作温度和该地区的所属温度区类型划分的标准依据，在数值上是不同的。

对于我们所处的黑龙江一带来讲，属于严寒地区，因此可以按严寒地区来研究钢材的选用问题。

现将与该本工程有关的地区室外气象温度参数列表如下：从上表可以看出，内蒙古黑龙江等地区属严寒地区，结构工作温度可能处于－42.5℃的特别低的范围。

且钢结构一般会承受着较大的荷载，室外铁塔在直接承受具有动力荷载特性的导线风荷载的横担挂点以及塔脚支座等重要部位，存在较多的焊接构件。

根据这些情况，出于为防止在长期低温的工作条件下，铁塔的焊接构件及其他构件出现脆性破坏，而适度合理地提高钢材材质选用标准的考虑，根据新版《钢结构设计规范》（GB50017－2003），关于承重钢结构钢材选用的规定，结合内蒙古电力设计院近年来在铁塔钢材选用方面所积累的工作经验和研究试验成果，按照以不同连接方式区分钢材选用的思路，确定出黑龙江等寒冷地区钢材选用的原则：使用Q235 碳素结构钢和Q345 低合金高强度结构钢两种，其品种为：1）对Q235 碳素结构钢，一律不使用Q235－A 级钢（包括Q235－A²F 沸腾钢），其中焊接构件也不使用Q235－B²F 沸腾钢；2）对Q345 低合金高强度结构钢，除焊接构件不使用Q345A 级钢之外，对螺栓连接的构件，不做任何限制，可使用Q345A 级钢。

上述铁塔钢材选用原则的确立，最主要的依据就是新版《钢结构设计规范》（GB50017－2003）的规定，下面予以详细论述。

2 钢材使用原则确定的依据2.1 常用钢材的性能指标Q345 钢材的化学成分以上参数摘自于现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T700－88）和《低合金高强度结构钢》（GB/T1591－94）。

从表中可以看出，同一牌号的钢，其等级的不同，主要体现在主要化学成分如碳、硫、磷的含量多少，以及冲击韧性试验合格保证的温度这两方面。

等级越高，碳、硫、磷的含量越少，冲击韧性试验合格保证的温度也越低，表明钢材的韧性越好。

“3.3.1 为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。

承重结构的钢材宜采用Q235 钢、Q345 钢、Q390 钢、和Q420 钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700 和《低合金结构钢》GB/T1591的规定。

当采用其他牌号的钢材时，尚应符合相应有关标准的规定和要求。

3.3.2 下列情况的承重结构和构件不应采用Q235 沸腾钢：1、焊接结构1）直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。

2）工作温度低于－20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。

3）工作温度等于或低于－30℃的所有承重结构。

2、非焊接结构。

工作温度等于或低于－20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。

3.3.3 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

3.3.4 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。

当结构工作温度不高于0℃但高于－20℃时，Q235 钢和Q345 钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390 钢和Q420 钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。

当结构工作温度不高于－20℃时，对Q235 钢和Q345 钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390 钢和Q420 钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。

对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证。

当结构工作温度不高于－20℃时，Q235 钢和Q345 钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390 钢和Q420 钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证”。

2.2.2 如何解读《钢结构设计规范》对钢材选用的规定《钢结构设计规范》关于钢材选用的所有规定，都基于一个出发点，那就是要防止脆性破坏的发生，这对于钢结构来说是至关重要的。

能够导致脆性破坏或与之有关的的因素，规范都注意到了，总共有：结构的重要性、荷载特征、结构形式和连接方法、应力状态、工作温度、钢材厚度和工作环境等7 项，其中应力状态、连接方法和工作温度是钢材选用主要考虑的因素。

因此了解了各因素对防止脆性破坏发生所起的作用，也就可以掌握钢材选用的原则。

a）结构的重要性脆性破坏是一种先兆不明显、带有突然性质的破坏，建筑结构按自身破坏可能产生后果的严重性，分为重要的、一般的、次要的三种，其对应的安全等级为一、二、三级，安全等级高的建筑应选用较好的钢材，一般的建筑，可选用普通钢材。

对送电线路杆塔来讲，除特别重要的杆塔可算一级的重要建筑外，绝大部分送电线路杆塔均应属于安全等级为二级的一般建筑。

b）荷载特征在《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068－2001）中，对结构上的作用（荷载）除了按随时间的变异分为常提的永久、可变、偶然荷载外，还可按结构的反应特点分为：静力和动力荷载两类，“规范”区别不同类型的荷载有三种层次的选材要求：直接承受动力荷载的结构应选用综合性能（主要指塑性和韧性）较好的钢材；直接承受动力荷载特别是荷载重复作用频繁需要验算疲劳的结构，容易引起疲劳脆性破坏，要求使用综合性能更高的钢材，不使用Q235 沸腾钢；承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构就可采用一般质量的钢材。

过去在界内对钢材的选用问题上，也曾经出现过不同的意见，最集中的疑义是关于对送电线路杆塔结构所受荷载性质的界定，即对风荷载是否属于动力荷载，存在着不同的理解。

现在应该可以清楚地说，按随时间的变异划分，风荷载是随时间变化的可变荷载；再从引起的结构响应来衡量，风荷载是动态荷载（作用），它对结构产生的加速度作用是不可忽略的，这样的叙述在《高耸结构设计规范》及其它结构类专著中都有。

对风荷载的动态荷载（作用）都要考虑其动力效应，如对风压考虑风振系数，钢管结构要避开临界风速，都是由于风荷载的不可忽略的加速度作用而采取的设计方法。

是否要对钢结构进行疲劳验算，以及在钢材选用时提出更高的要求，主要是看由风荷载对结构产生的作用，以及所产生的破坏形态。

在过去的《钢结构设计规范》中是以“吊车梁及类似结构”为衡量标准的，因此在界内造成了一些歧义，而新“规范”用“直接承受动力荷载或振动荷载”且“需要验算疲劳”（判断标准是应力变化的循环次数≥5³104）的结构来代替原“规范”中的“吊车梁及类似结构”，更科学、更合理，涵盖面更广，它把在过去提法中掺在一起的两层意思，明确为两个定义和范围均清晰的标准，解决了过去因判断杆塔结构究竟是不是“吊车梁及类似结构”而纠缠不清的问题。

c）应力特征这是指受力构件截面上的应力性质，由于脆断主要发生在受拉区，而且危险性较大，所以对受拉、受弯结构和构件应选用质量较好的钢材。

d）结构形式和连接方法钢结构的形式主要是以连接方式来划分，只有焊接和非焊接（螺栓或铆钉），对焊接结构，在焊接时的不均匀加热和冷却常使构件内产生很大的焊接残余应力，焊接构造及难以避免的缺陷又常使结构存在潜在的裂纹损伤，而焊接结构的整体刚性及连续性好的固有特点，又恰好易使这些缺陷和裂纹相互扩展贯通；而碳、硫、磷等有害元素的含量都对结构的焊接性能有影响，硫磷的偏析均较严重，硫能在焊接高温下（800～1000℃）出现热脆裂纹，磷偏析形成的富磷区促使钢材冷脆，因此所有承重结构对硫磷的含量均应有合格保证。

而碳的含量，是决定焊接性能的最主要因素，因此焊接结构用钢材的质量要求要高于同样条件的非焊接结构，而且一定要保证碳含量，象Q235－A 级钢，在《碳素结构钢》（GB 700－1988）及其第1 号修改通知单（自1992 年10 月7 日起实行）中，明确规定A 级钢的碳含量不作为交货条件，不保证焊接质量，因此在主要焊接结构中不能使用Q235－A级钢。