来源：吴耀华.中美钢结构性能对比分析[J].钢结构，2020,35(9):26-43。
doi: 10.13206/j.gjgS20052508
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0 前言
随着我国与国际建筑市场接轨、开展创新联动，国内企业逐渐承接了越来越多的海外钢结构项目。为减少钢材的采购周期和运输成本，降低综合成本，提升产品竞争力，采用国标钢材替代美标或欧标钢材已成为趋势。近年来，我国钢铁生产技术的不断提高，钢材品种的增多，质量的不断提升也为这种材料替代提供了技术支持。建筑钢结构用钢包括碳素结构钢、低合金高强度结构钢、耐候结构钢和铸钢，产品类型分为钢板、钢带、钢筋、型钢等。近年来，我国一直在进行标准改革。 2017年，新版GB 50017-2017《钢结构设计标准》开始实施，钢材标准GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》推出了Q355钢材，替代原来的Q345钢材。 对工程中广泛使用的国标Q235、Q355、Q390~Q460钢材和美标ASTM A36/A36M、ASTM A572/A572M等钢材标准中的GR36[250]~GR65[450]级钢材的化学成分、屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能等进行了对比分析，使钢结构技术人员充分了解美标钢材的特点及相关标准，给出中美建筑钢材的异同点及替代建议，为扩大国产钢材在国际钢结构市场的应用提供技术支持。
研究内容
1 概述
国内钢结构工程使用的钢材主要有国标GB/T 700-2006《碳素结构钢》中的Q235钢，GB/T 1591-2018中的Q355、Q390、Q420、Q460钢，GB/T 19879-2015《建筑结构用钢板》中的Q345GJ~Q460GJ系列钢材。
GB/T 700于1965年1月首次发布，经三次修订，现行版本为2006版。该标准规定了Q195、Q215、Q235、Q275四个牌号碳素结构钢的尺寸、外形、质量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志及质量证明书。GB/T 1591《低合金高强度结构钢》于1979年1月首次发布，经四次修订，现行版本为2018版。该标准规定了Q345至Q690四个牌号低合金高强度钢的性能及相关内容。 参照日本工业标准JISG 3136-1994《建筑结构用轧制钢材》，我国于2005年首次发布了国家标准GB/T 19879-2005《建筑结构用钢板》，并于2015年发布了现行的修订版。标准规定了Q235GJ~Q690GJ系列钢材。GJ钢适用于高层建筑结构、大跨度结构等重要建筑结构。与GB/T 1591相比，GJ钢强度随厚度增加而下降较小，同时规定了屈强比、屈强波动范围、碳当量（CE）和焊接裂纹敏感性系数（Pcm），降低了硫、磷含量，是一种高性能结构钢。
ANSI/AISC 360-10《美国建筑钢结构设计规范》规定，可以使用的钢材种类很多，实际中广泛使用的钢材主要是ASTM A36和ASTM A572标准中的钢材。ASTM A36/A36M是美国《碳素结构钢标准》，最早发布于1960年，最新版本发布于2014年。规定了建筑、桥梁结构用碳素结构钢的一般交货要求、压板要求、化学成分、拉伸试验等。该标准中钢材的屈服强度仅为36ksi(250MPa)，适用于所有板厚(不大于200mm)；其断后伸长率按试样标距长度200mm和50mm给出，型钢截面拉伸性能指标要求略低于钢板；其化学成分随板厚增加而变化。
ASTM A572/A572M是美国高强度低合金铌钒结构钢标准，于1966年首次发布，最新版本于2012年发布。规定了桥梁等结构用高强度低合金铌钒结构钢的一般交货要求、产品厚度及尺寸、化学成分、力学性能等。该标准中钢材的屈服强度等级为GR42[290]、GR50[345]、GR55[380]、GR60[415]、GR65[450]，适用于所有板材厚度（32～150mm，最大板材厚度与等级、产品形态有关）；其断后伸长率按试样标距长度200mm和50mm给出；其化学成分随板材厚度的增加而变化。 需要注意的是，其冲击韧性不属于产品的常规要求，在项目需要时须另行提出。
国家标准GB/T 700、GB/T 1591、GB/T 19879中均按钢材的屈服强度确定钢种，并按不同温度下的冲击韧性要求划分质量等级（A～E），同时考虑不同的交货状态。美国标准中如ASTM A36/A36M、A572/A572M等钢材也是按屈服强度（GR）划分等级，并按钢材产品形态（钢板或钢筋、型钢）划分，但钢材的冲击韧性并非产品的常规要求，工程需要时需另行签订协议。此外，我国和美国对耐候结构钢和铸钢也有相应的标准，详见表1。总体来看，中国钢材标准分类比较全面，而美国标准则比较细分，一个国家标准内容可能对应多个美国标准。
表1 中美钢材标准对比
2 常用钢种化学成分比较
建筑钢结构工程常用钢材为屈服强度为235～460 MPa级的碳素结构钢或低合金高强度结构钢，其中235～355 MPa级钢材占钢结构总使用量的90%以上。国标Q235、Q355级钢材对焊接质量有不利影响的S、P等有害元素的控制较美标ASTM A36/A36M、ASTM A572/A572M Gr50[345]级钢材略严（表2）；国标Q235、Q345钢对C元素的控制也比美标严；国标对对焊接质量有利元素Si、Mn含量的要求高于美标。 综上所述，国标Q235、Q355钢在焊接性方面优于美标，特别是在C、S、P等元素含量的控制方面更胜一筹。在钢材化学成分方面，国标GB/T 700-2006中的Q235 C、D级钢可以替代美标ASTM A36/A36M标准钢；国标GB/T 1591-2018中的Q355级钢可以替代美标ASTM A572/A572M GR50[345]钢，但应注意Si、Mn元素含量限值的控制。国标Q235GJ钢、Q345GJ钢的化学成分指标优于相应强度等级的美标A36、A572 GR50钢。
表2 Q235、Q355钢、ASTM A36和A572 GR50钢化学成分比较%
3 常用钢材力学性能比较
钢结构工程中常用的钢材力学性能有屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、冲击功和冷弯性能等。中、美钢材标准中拉伸试样的取样方向是相同的，即当板材宽度大于600mm时，沿“横”（垂直于钢材轧制方向）取样，反之则沿“纵”（平行于钢材轧制方向）取样。
钢材的屈服强度是衡量钢结构承载能力、确定强度设计值的重要指标，是材料力学性能中不可缺少的重要指标，也是金属材料发生屈服时的屈服极限。钢材是延性材料，其拉伸试验曲线会呈现波动的屈服平台，屈服平台中的最大强度称为上屈服强度（ReH），屈服平台中的最小强度称为下屈服强度（ReL）。美国、欧洲标准一般以ReH作为屈服强度，国家标准GB/T 700-2006、GB/T 1591-2018也以ReH作为屈服强度，但国家标准GB/T 19879-2015以ReL作为屈服强度。抗拉强度Rm是衡量钢材抵抗断裂性能的性能指标，直接反映钢材内部组织的好坏。
钢材的断后伸长率是衡量钢材塑性的性能指标，承重结构所用的钢材除了要有较高的强度外，还应具有足够的断后伸长率。断后伸长率与拉伸试件的标距长度有关，美国标准一般采用200mm、50mm的定长标距试件，而国家标准一般采用标准标距长度试件。
式中S0为试样的横截面积），由同一钢材，不同标距长度的试样得到的断后伸长率是不同的。
冷弯性能是钢材的塑性指标之一，也是衡量钢材质量的综合指标。通过冷弯性能可以检验钢材的晶粒组织、结晶、非金属夹杂物分布等缺陷，在一定程度上也是鉴别焊接性能的指标。
钢材的冲击韧性是指钢材在冲击载荷作用下断裂时吸收机械能的能力，是衡量钢材抵抗低温、应力集中、冲击载荷等引起的脆性断裂的能力的性能指标。在美国标准ASTM A36、A572中，冲击韧性不是必须满足的指标；但在中国标准中，冲击韧性是区分钢材性能等级（A至F）的重要指标。
3.1 国标Q235、Q235GJ与美标A36钢对比
国标Q235、Q235GJ钢的屈服强度随钢板厚度的增加而降低（表3），但美标ASTM A36钢的屈服强度在板厚不超过200mm范围内不受钢板厚度的影响，且屈服强度比国标Q235钢高6%以上；美标ASTM A36钢的抗拉强度与国标Q235GJ钢相近，比国标Q235钢高8%以上。
表3 Q235、Q235GJ钢与ASTM A36钢力学性能对比
注：板材厚度单位为mm，下同。
国标Q235钢的断后伸长率随着厚度的增加而减小（AS=26%~22%），而美标ASTM A36钢的断后伸长率随着厚度的增加而保持不变（A200=20%，A50=23%）。
国标Q235钢的冷弯性能随钢材厚度变化而变化，而美标A36钢的冷弯性能不随厚度变化（表4）。通过比较可以看出，当板厚t≤60mm时，国标Q235钢的冷弯性能要求比美标钢严格；当板厚t>60mm时，国标钢的冷弯性能要求低于美标钢。
表4 Q235、Q235GJ钢与ASTM A36钢冷弯性能对比
3.2 国标Q355、Q345GJ与美标GR50[345]钢对比
美标ASTM A572 GR50级钢材的抗拉强度不受厚度影响，在钢板厚度不超过100mm的范围内相同。国标Q345、Q345GJ钢在厚度不超过40mm时钢结构脆性断裂，其屈服强度与美标钢相当；厚度大于40mm时，其屈服强度小于美标钢。国标Q345、Q345GJ钢的抗拉强度略高于美标GR50钢，见表5。
表5 Q355、Q345GJ钢与ASTM A572 GR50钢力学性能对比
国标Q355钢的伸长率随厚度的增加而减小（AS=20%~17%），国标Q345GJ钢的伸长率随厚度变化不大（AS=22%），美标ASTM A572 GR50级钢的伸长率随厚度的增加而保持不变（A200=18%，A50=21%）。
国标Q355、Q345GJ钢与美标ASTM A572 GR50级钢材的冷弯性能根据钢材厚度不同而变化（表6），通过比较可以看出美标钢材对冷弯性能的要求比国标更为严格。
表6 Q355、Q345GJ钢与ASTM A572 GR50钢冷弯性能对比
3.3 国标Q390~Q460（GJ）钢与美标A572 GR55[380]~GR65[450]钢对比
美国标准中的ASTM A572 GR55[380]、GR60[415]和GR65[450]钢种的强度分别与中国标准Q390、Q420和Q460相对应，但它们的最大板材厚度分别限制为50、32和32 mm。ASTM钢的抗拉强度不受厚度的影响，在相应的最大厚度范围内相同（表7）。国标Q390钢在厚度不大于40 mm时，其屈服强度与ASTM钢相等，国标Q390GJ钢在厚度不大于100 mm时，其屈服强度大于ASTM钢。国标Q390和Q390GJ钢的抗拉强度略高于ASTM GR50钢（表8）。
表7 Q390钢与ASTM A572 GR55钢力学性能对比
表8 Q420钢与ASTM A572 GR60钢力学性能对比
国标Q355钢的断后伸长率随钢板厚度的增加而减小（AS=20%~17%），国标Q345GJ钢的断后伸长率随厚度变化不大（AS=22%），美标ASTM A572 GR50级钢的断后伸长率随厚度的增加而变化不大（A200=18%，A50=21%）。
从表8、表9可以看出，国标Q420、Q460钢所有厚度的屈服强度和抗拉强度均等于或略大于GR60、GR65级钢材相应强度水平，国标GJ钢甚至更优。
表9 Q460钢与ASTM A572 GR65钢力学性能对比
4 耐候钢对比分析
耐候钢是通过添加少量合金元素（如Cu、P、Cr、Ni等）在金属表面形成保护层，提高其耐大气腐蚀性能的钢。美国是最早开发和应用耐候钢的国家。耐候钢通常分为两类：焊接要求不高的耐候钢：主要为Cu、P（0.07%～0.15%）系列，屈服强度一般在345MPa以下，板材厚度一般不大于16mm，如美国的ASTM A242系列；焊接结构用耐候钢：主要为Cr-Ni系列，P含量在0.04%以下，如美国的ASTM A588、A514系列。 现行中国标准GB/T 4171-2008《耐候结构钢》包括高耐候钢（GNH）和焊接耐候钢（NH）两大类11个牌号（表10），屈服强度范围为235～550 MPa；美国标准耐候钢在ASTM A242、A606、ASTM A588、ASTM A871中的屈服强度范围为310～450 MPa。ASTM A588中只有一个强度等级，按化学成分分为A、B、K三个等级；ASTM A606中强度分为热轧GR50和冷轧GR45两个等级，按化学成分中Cu含量控制不同分为2型和4型两种类型。
钢材的耐大气腐蚀性能一般用耐候指数I来衡量，I越大，耐候性越好。耐候指数是由Legault和Leckie提出的，利用钢材的化学成分，按下式计算：
（1）
在相关的ASTM标准中，耐候钢的化学成分范围比较宽泛，但要求耐候指数不小于6.0。国家标准对耐候钢的化学成分有更为详细的规定，虽然对耐候指数没有明确的规定，但按照化学成分表计算出的钢材的耐候指数均大于6.0。
与中美耐候钢标准（表10）相比，国标耐候钢牌号更多，涵盖的强度等级范围更广。国标耐候钢的屈服强度随钢板厚度的增加而降低。部分美标耐候钢牌号（ASTM A242、A588）的屈服强度也随钢板厚度的增加而降低，但其他牌号（ASTM A871、A606）美标耐候钢在厚度不大于100mm时屈服强度保持不变。当钢板厚度不大于40mm时，国标耐候钢的力学性能不低于美标相应牌号耐候钢的力学性能。
表10 中美耐候钢力学性能对比
5.铸钢性能对比分析
我国铸钢标准分为GB/T 11352-2009《一般工程用铸造碳钢件》和GB/T 7659-2010《焊接结构用铸造钢件》两大类。美国铸钢标准也分为ASTM A27/A27M《一般用途碳钢铸件标准》和ASTM A216/A216M《可熔焊高温碳钢铸件标准》两大类。在国家标准GB/T 11352-2009中，根据铸件的屈服强度，将一般用途碳钢铸件分为五个等级（屈服强度200、230、270、310、340MPa）。 美国标准ASTM A27也分为5个等级（U-60-30、60-30、65-35、70-36、70-40），但并不完全对应。国家标准GB/T 7659-2010按铸钢件屈服强度将焊接用铸钢件分为5个等级（屈服强度200、230、270、300、340MPa），美国标准ASTM A216按强度不同将铸钢件分为3个等级（屈服强度205、250、275MPa）。美国标准中铸钢件的最大屈服强度为275MPa，而国家标准中铸钢件的最大屈服强度为340MPa。
中美通用铸钢件化学成分对比见表11。可以看出，两者中P、S等有害成分比例完全相同，国标铸钢Si含量略低。铸钢材料中C、Mn含量随强度提高而增加。美国标准对冲击韧性无要求，这一点与国标有所不同。由于中美拉伸试样标距长度不同，伸长率、截面收缩率数据不能直接比较，但在国标中，随着铸钢强度等级提高，伸长率、截面收缩率的下降更为明显。
表11 通用钢铸件化学成分及力学性能比较
注：ZG为国标铸钢件；U、GR为美标铸钢件。
中美可焊接铸钢化学成分对比见表12，可以看出国标中P、S等有害成分所占比例比美标要低，碳含量也较低，因此国标可焊接铸钢的碳当量较低，焊接性较好。美标对冲击韧性没有要求，这一点与国标不同。
表12 可焊接铸钢件化学成分及力学性能比较
通过中美铸钢标准的对比分析可以看出：
1）对于焊接铸钢，中国标准有5个牌号，而美国标准只有3个；对于通用铸钢，中国和美国标准都有6个牌号，但强度等级不重叠；美国标准没有屈服强度大于275MPa的通用铸钢和焊接铸钢。
2）对于焊接铸钢的抗拉强度，国家标准规定的是最小值，而美国标准规定的是强度范围。
3）国家标准对铸钢件有冲击功的要求（欧洲标准和ISO标准都有此要求），美国标准没有此要求。
4）中、美标准对断后伸长率的要求不同，美标规定采用2in（50mm）试样，而国标一般采用标准试样长度。
5）铸钢试样力学性能测试均采用龙骨试块，但试块尺寸大小不一。美标按照ASTM A1067《铸钢件试样棒标准》采用4柱或2柱试块（图1），标准试块尺寸与铸钢件最大厚度有关，约为125 mm×215 mm；国标按照GB/T 11352-2009的规定采用3个固定尺寸的标准试块，最大厚度为50～110 mm。因此，二者的试验结果不能直接进行比较。
a—国家标准GB/T 11352规定的试块；b—美国标准ASTM A1067规定的试块。
图1 铸钢力学性能单铸试块
6）当需方有要求时，国家标准还规定了焊接铸钢的碳当量（CE）。
7）要求其他性能指标相同或相似。
6钢材替代
国外钢结构工程很多采用欧美标准，在很多地方具有互换性和可替代性。我国是世界产钢大国钢结构脆性断裂，国内钢材质量逐年提高，钢材的国家标准也在逐步向国际化发展和完善。由于工期、成本等原因，经常需要进行钢材替换。钢构件替换方式有等强度替换和等刚度替换两种，当替换前后钢材的强度在同一水平时，等强度即为等面积替换。对于有抗震要求的钢材，还需满足钢材屈强比和伸长率的设计要求。对于低温工作环境下的钢材，还应满足钢材韧性的设计要求。
综合对比分析，国标Q235钢的屈服强度低于美标ASTM A36/A36M钢，Q235钢的最小抗拉强度也低于美标ASTM A36/A36M钢。若需替代，建议采用国标Q235GJ级钢材替代美标ASTM A36/A36M钢。但由于国产钢材屈服强度较低，需分析替代对构件强度的影响。当板厚不大于40mm时，国标Q355钢的屈服点、抗拉强度、伸长率控制指标与美标A572 GR50[345]钢相当，可以替代。 当板厚不大于50mm时，国标Q345GJ钢的屈服点、抗拉强度、伸长率控制指标均优于美标A572 GR50[345]钢，可以替代。
国标耐候钢牌号较美标多，力学性能基本一致，耐候指数也大于6.0。但由于钢材的耐候性能与其化学成分、使用环境等密切相关，因此相互替代还需要更深入的研究。
美标铸钢产品中，尚无屈服强度大于275MPa的铸钢，且对冲击韧性无指标要求，而国标铸钢屈服强度可达340MPa，且国标铸钢牌号较多。虽然国标与美标对铸钢性能指标有相同或相近的要求，但由于铸钢试样力学性能取自不同的标准试块（美标标准试块较厚），因此其性能指标不能直接替代。
7 结论
通过对中美建筑钢结构标准中常用的碳素结构钢、低合金高强度结构钢、耐候钢、铸钢的化学成分、力学性能进行详细的对比分析，得出以下结论：
1）对于建筑钢结构所用的各种类型和等级的钢材，我国和美国都有相应的标准，其性能和等级相近但不尽相同。美标钢材的强度一般不随钢板厚度的增加而降低；钢材拉伸试样的截取方向和标距长度不同，美标的断后伸长率是按照200mm和50mm的定标距长度给出的，而国标采用的是标准标距长度；另外，冲击韧性不是美标钢材的常规要求，工程需要时须另行签订协议。
2）国标Q235、Q235GJ、Q355钢中对焊接质量有不利影响的S、P等有害元素的控制比相应的美标A36、A572 GR50钢略严；国标Q235、Q235GJ、Q345钢中对C、Si、Mn元素的控制比相应强度的美标钢严格，因此国标Q235、Q235GJ、Q355钢在焊接性能方面优于美标钢。
3）国家标准Q235和Q235GJ钢的强度指数比美国标准A36钢的强度低6％以上，当板的厚度不超过40 mm时，板的差异更大。 Q345GJ钢比美国标准A572 GR50钢要好，并且可以更换。
4）当国家标准Q390钢的厚度不超过40毫米，国家标准Q390GJ钢的厚度不超过100毫米，机械性能不低于美国标准A572 GR55钢的厚度，而国家标准钢的拉伸强度则略高于美国标准的厚度。 A572 GR65相应强度水平的钢，国家标准Q420GJ和Q460GJ钢的性能更好。
5）国家标准风化钢等级比美国标准级要多，并且在机械性能方面基本相同，而且风化指数也大于6.0。
6）关于铸钢标准，国家标准具有更多的铸钢等级，并且使用不同的标准测试块对铸钢标本的机械性能进行了更大的力量；
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关于作者
吴耀华
MCC建筑与建筑公司有限公司MCC研究所副首席工程师
他目前是MCC建筑与建筑公司的副首席工程师。
