《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）第4章材料介绍了钢结构材料的相关内容。用于钢结构的钢材（结构钢）有Q235、Q345、Q390、Q420、Q460等牌号，各牌号又有A、B、C、D、E质量等级（Q235无E级）。对于厚板，有《厚度方向性能钢板》（GB/T 5313-2010）规定的Z15、Z25、Z35的截面收缩要求。对于耐腐蚀性能，有《耐候结构钢》（GB/T 4171-2008）规定的Q235NH、Q355NH、Q415NH。 此外，《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2005）中还有GJ系列钢材。
结构工程师在施工图中应该明确标明这些对钢材的要求。钢材牌号的选择主要是强度问题，一般工程师会从受力角度进行经济合理的选择。其他诸如质量等级、Z轴性能、GJ钢、耐候钢、焊接材料、国外钢材应用等问题规范又有何要求？如何进行合理选择？本文就此话题进行探讨。
1、如何选择结构钢的质量等级？
1. 质量等级如何确定？
不同强度等级的结构钢，有A至D或E的质量等级，质量等级实际上主要表示材料在不同温度下的冲击韧性要求。
根据材料标准《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）和《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2008），Q235、Q345、Q390、Q420、Q460不同质量等级的化学成分及力学性能如下表所示。可以看出，通过调整C、S、P的含量，不同等级的钢材在不同温度下实现冲击韧性性能，达到不同的质量等级。
钢材标准4.3.4条对钢材的冲击韧性做出了要求，结合上表中的冲击韧性，列出相应的钢材质量等级，汇总如下：
1）对于需要进行疲劳计算的焊接结构钢材
a.当结构工作温度高于0℃时，应具有常温冲击韧性的合格保证（Q235B、Q345B、Q390B、Q420B）；
b.当结构工作温度不高于0℃、高于-20℃时，Q235钢、Q345钢应具有0℃冲击韧性合格保证（Q235C、Q345C）；Q390钢、Q420钢、Q460钢应具有-20℃冲击韧性合格保证（Q390D、Q420D、Q460D）；
c.当结构工作温度不高于-20℃时，Q235钢、Q345钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证（Q235D、Q345D）；Q390钢、Q420钢、Q460钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证（Q390E、Q420E）。
2）对于需要进行疲劳计算的非焊接结构的钢材
a.当结构工作温度高于-20℃时，应具有常温冲击韧性的合格保证（Q235B、Q345B、Q390B、Q420B）；
b.当结构工作温度不高于-20℃时，Q235钢、Q345钢应具有0℃冲击韧性合格保证（Q235C、Q345C）；Q390钢、Q420钢、Q460钢应具有-20℃冲击韧性合格保证（Q390D、Q420D、Q460D）。
同时，对于起重机起重量不小于50t的中间工作吊车梁，其钢材冲击韧性要求应与需进行疲劳验证的部件相同。
第4.3.4条，工作环境温度不高于-20℃的受拉构件和承重构件的受拉板应符合下列要求：所用钢材厚度或直径不宜大于40mm，且质量等级不应低于C级；当钢材厚度或直径不小于40mm时，其质量等级不应低于D级；重要承重结构的受拉板应符合《建筑结构用钢板》GB/T 19879的规定。
《钢铁标准》第4.3.4条的条款解释表3，对上述条款的钢材质量等级选择要求进行了汇总，查询十分方便。
《高层民用建筑钢结构技术规范》（JGJ 99-2015）对钢材的质量等级也有一定的要求，应遵循以下要求：
第4.1.2条承重构件用钢质量等级不宜低于B级；抗震等级为二级及以上的高层民用建筑钢结构，框架梁、柱、侧力支撑等主要抗侧力构件用钢质量等级不宜低于C级；承重构件中厚度不小于40mm的受拉板，当其使用温度低于-20℃时，所用钢材质量等级宜适当提高。
第4.1.4条 抗震等级为三级及以上的高层民用钢结构钢结构验收规范中关于焊缝等级的几个概念，其主要抗侧力构件所用钢材应具有与工作温度相应的冲击韧性合格等级，即：工作温度高于0℃时，采用B级钢材；工作温度不高于0℃、高于-20℃时，采用C级钢材；工作温度不高于-20℃时，采用D级钢材。
2、哪些焊接结构需要进行疲劳验证？
《钢标准》第16.1.1条及其说明规定，直接承受重复动载荷的钢结构构件及其连接（如工业厂房中的吊车梁、带有悬挂起重机的屋盖结构、桥梁、海上钻井平台、风力发电机结构、大型旋转游乐设施等）当其载荷引起的应力变化循环次数n等于或者大于5×10^4次时，应进行疲劳计算。
当钢结构所承受的应力循环次数小于本条要求时，可以不进行疲劳计算，可以按不进行疲劳验证的要求选择钢材。
《钢材标准》第16.2.4条规定，重型吊车梁、重型和中型吊车桁架应进行疲劳计算，同时该条款又规定“轻型吊车梁、吊车桁架以及大多数中型吊车梁，根据使用年限和设计经验，可以不进行疲劳计算”。
钢材标准4.3.3-3规定，起重量不小于50t的中型工程吊车梁，其材质等级应与需进行疲劳验算的构件材质等级相同。钢材标准11.1.6对起重量50t及以上的中型工程吊车梁的焊缝有具体要求。因此，习惯上将起重量50t及以上的中型工程吊车梁纳入需进行疲劳验算的结构中。
《起重机设计规范》（GB/T 3811-2008）起重机设计规范，介绍了起重机工作系统与工作级别、使用级别、载荷状态的对应关系；
3、结构的工作温度如何确定？
《钢结构标准》第4.3.3条的条款解释建议采用《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ 19-87（2001年版）中列出的“最低日平均温度”作为结构工作温度，见下表，摘自该规范附录2。
事实上，在03版《钢结构设计规范》编制后，GBJ 19-87规范升级为《供暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003），其中并未纳入气象参数。该规范后来又部分升级为《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012），其中虽纳入了气象数据，但并未纳入“最低日平均气温”项。
靠不住，怎么办？现在唯一的办法就是找到老版本的过时规范。《钢铁标准》（GB 50017-2017）在修订时也意识到了这个问题。解决办法就是干脆把数据拿出来做表格钢结构验收规范中关于焊缝等级的几个概念，放到文章说明里（见下表）。
还有一个问题是，对于在室内工作的构件，当由于采暖等原因造成室内外温度不同时，结构构件的温度显然不可能是室外的“最冷日平均温度”，如何处理呢？
在崔嘉等编著的2003版《钢结构设计规范》的参考书《钢结构设计规范的理解与应用》中有这样的解释：
《机械工业厂房结构设计规范》（GB 50906-2013）第5.3.3条规定：“结构使用温度应按《采暖通风与空气调节气象数据集》中列出的最低日平均温度确定。对于有供暖房屋内的结构，可增加10℃。”
《钢铁标准》（GB 50017-2017）对这一问题有解释：对于在室内工作的构件，若能保证其温度始终在某一水平以上，可将其作为工作环境温度，例如有暖气的房间，其工作环境温度可认为在0℃以上；否则，可将上表中的数值增加5℃。
2、什么时候应该使用GJ钢？
我国《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2015）是参照日本SN钢标准制定的，在原有钢号后增加了GJ，如Q345GJ，俗称“GJ钢”，是专门为高层民用建筑钢结构生产的高性能钢板。GJ钢对钢材纯净度要求严格，大大降低了有害元素P、S的含量，从而获得了强度厚度效应小（钢材强度随厚度下降不大）、屈服点上下限（可达到为抗震设立的塑性耗能区）、碳当量、Z向性能有保证（Z15、Z25、Z35）等优点。
目前我国还没有像日本那样对抗震建筑钢结构作出强制性要求，目前《高层民用建筑钢结构技术规范》主要提出要求：第4.1.2条：主要承重构件所用较厚板材应采用建筑用高性能GJ钢板；第4.1.4条：高层民用建筑抗震设计的框架梁、柱、抗侧力支撑等主要抗侧力构件，钢材屈服强度波动范围不宜大于120N/mm2。
事实上，第4.1.2条强烈建议高层钢结构使用GJ钢，第4.1.4条也规定，根据屈服强度波动范围，GJ钢是最佳选择。
3.对Z轴性能有什么要求？
钢标对于Z轴性能的规定比较笼统，第4.3.5条及其解释规定：
由于焊缝熔融面与材料表面平行时更容易发生层状撕裂，因此T形、十字形、角形焊接连接节点应满足以下要求：
1 当翼缘板厚度大于或等于40mm，且连接焊缝熔透高度大于或等于25mm或连接角焊缝单面高度大于35mm时，设计宜采用有厚度方向性能要求的抗层状撕裂钢板，其Z向承载性能等级不应低于Z15（限制钢板硫含量不大于0.01%）；当翼缘板厚度大于或等于40mm，且连接焊缝熔透高度大于40mm或连接角焊缝单面高度大于60mm时，Z向承载性能等级宜为Z25（限制钢板硫含量不大于0.007%）；
2 当翼缘板厚度大于或等于25mm,且连接焊缝熔深高度等于或大于16mm时,钢板的硫含量应限制为不大于0.01%。
建筑抗震设计规范第3.9.5条：对于采用焊接连接的钢结构，当接头焊接约束较大，钢板厚度不小于40mm，且沿板厚方向受到拉伸时，钢板厚度方向的截面收缩率不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313对Z15级规定的允许值。
《高层民用建筑钢结构技术规范》第4.1.5条规定：对于焊接节点区域T形或十字形焊接接头中的钢板，当板厚不小于40mm，且沿板厚方向承受较大的拉力（包括较高的焊接约束拉应力）时，该部分钢板应具有合格的厚度方向抗撕裂性能（Z向性能）保证。其沿板厚方向的截面收缩率不应小于现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313规定的Z15级允许限值。
以上规范都是定性描述哪些情况下应采用Z向性能材料，并没有定量的计算依据。Z向性能的确定方法依据参考书《钢结构设计规范理解与应用》（2004年出版），即崔嘉等编著的03版《钢结构设计规范》，其中有确定截面收缩率的计算方法（将各因素要求的截面收缩率叠加后，在表2.7中查到结构对应的Z向性能要求）：
这部分其实是来自于欧洲标准Eurocode 3, Part 1-10关于Z向性能确定方法的规定，有兴趣的可以看一下。
4.焊接材料的选择
1.常用钢材焊接材料的选择
《钢材标准》第4.3.8条条款解释表5给出了常用钢材焊接材料选择与搭配的推荐表格，查询十分方便。
《钢材标准》第11.1.5-6条规定，焊缝连接应选用等强度匹配；不同强度的钢材连接时，可采用与低强度钢相匹配的焊接材料。
2. 新钢种焊接工艺评估
《钢材标准》第11.1.7条规定，新钢种在焊接工程中首次使用时，应当进行焊接性试验，经试验合格后，应按照现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661的规定对焊接工艺进行评定。
有人会问，既然《钢结构标准》对常用钢材提供了焊接材料搭配推荐表，那么如果采用常用钢材，并选用《钢结构标准》中推荐的焊接材料，是否还需要做焊接工艺评定呢？
这个问题的答案在钢质船舶规则第11.1.7条的解释中给出。
焊接工艺评定是钢结构工程焊接前根据焊接试验结果验证拟定的焊接工艺是否正确的一项技术工作。
钢结构焊接工艺评定的主要目的有两个：
（1）验证所提出的焊接工艺是否正确。
这项工作包括已经通过金属可焊性试验或基于相关焊接性能技术数据的工艺，以及已经评定为合格，但由于某种原因需要改变一个或多个焊接工艺参数的工艺。
（2）评估施工单位是否能够生产出符合相关要求的焊接接头。
焊接工艺评定具有不可输入、不可转让的特点，焊接工艺评定必须根据单位实际情况进行。由于焊接质量是由“人、机、料、法、环境”五大管理因素决定的，不同单位的管理因素不同，焊接工艺评定的水平也不同，进而导致焊接技术也不同。事实上，在焊接工艺评定过程中，一些单位经常出现不合格的情况，充分证明了这一点。
这意味着钢结构工程仍需按照《钢结构焊接规范》（GB 50661-2011）的要求进行焊接工艺评定。
《钢结构焊接标准》（GB 50661-2011）也给出了焊接工艺评定的豁免范围。第6.1.1条（加粗强条）规定，除非符合本章第6.6节规定的豁免条件，施工单位首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法、接头形式、焊接位置、焊后热处理制度、焊接工艺参数、预热及后热措施等各项参数组合。钢结构构件制作、安装前应进行焊接工艺评定。《钢结构焊接标准》（GB 50661-2011）第6.6节内容很多，介绍得很详细，后面会单独介绍。
要了解有关焊接工艺鉴定的更多信息，请参阅以下文章：
3、低氢焊条的应用
《钢铁标准》第4.3.8-2条规定，直接承受动载荷或需要疲劳验证的结构，以及在低温环境下工作的厚板结构，应采用低氢焊条；
钢材标准11.3.5-3条和表11.3.5规定了角焊缝的最小焊脚尺寸，采用低氢焊接方法可以减小焊脚尺寸。
此表摘自《钢焊接规范》（GB 50661-2011）第5.4.2条。文中解释，角焊缝的最小长度、间断角焊缝的最小长度以及角焊缝的最小焊脚尺寸都是为了防止母材热影响区因热输入过少而冷却过快，形成硬化组织。当使用低氢焊条时，由于氢脆影响减小，角焊缝的最小尺寸可以比非低氢焊条小一些。
这里提到“低氢焊接方法”，与不同板厚的角焊缝最小焊脚尺寸的板厚值计算有关，理解这个概念也很重要。《钢焊接规范》（GB 50661-2011）并没有过多解释低氢焊接方法。我们的理解是，使用低氢焊条的手工电弧焊，使用前按照《钢焊接规范》的要求进行干燥、保温保存，即为低氢焊接方法；同时，《钢焊接规范》（GB 50661-2011）第7.2.4条的条款解释规定，埋弧焊在实际应用中可以认为是低氢焊接方法。查阅一些资料后认为，气体保护焊也是一种低氢焊接方法。 电渣焊一般用于焊接厚度大于16mm的厚板，很少用于角焊缝。
因此在设计阶段可以简单理解为：采用非低氢焊条的手工电弧焊，属于非低氢焊接方法；采用低氢焊条的手工焊、各类气体保护焊、各类埋弧焊均属于低氢焊接方法。
在钢结构设计时，如果需要根据较薄部分的厚度来考虑最小焊脚尺寸，则应指定低氢焊条。通常，可以根据较厚部分的厚度来计算最小焊脚尺寸。当角焊缝连接的板厚相差不大时，这两种情况没有太大区别。
5.耐候钢的选择
1.耐候钢材质说明
《钢材标准》第4.1.3条规定，对耐腐蚀有特殊要求的暴露环境或腐蚀介质环境中的承重结构，可采用Q235NH、Q355NH、Q415NH等级的耐候结构钢，其质量应符合现行国家标准《耐候结构钢》GB/T 4171的规定。
该条款解释为：耐候钢是通过添加少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，在金属基体表面形成保护层，以提高其耐大气腐蚀性能而生产的钢称为耐候钢。
耐候结构钢分为高耐候钢和焊接耐候钢。高耐候结构钢具有良好的耐大气腐蚀性能，而焊接耐候钢具有良好的焊接性能。耐候结构钢的耐大气腐蚀性能是普通钢材的2～8倍。因此，在有技术和经济依据的情况下，对暴露在大气环境中或中等腐蚀介质环境中的重要钢结构采用耐候钢，可以取得较好的效果。
耐候钢在钢结构桥梁领域已得到广泛应用，取得了良好的技术经济效果，近年来在市政领域（水厂建筑、江河湖岸钢结构）也得到广泛应用。
想了解耐候钢在桥梁领域的应用，请参考以下文章：
2.耐候钢结构设计要点
我们的团队（Steeler）设计了多个耐候钢项目。以下是我们的经验总结：
（1）尽量采用焊接耐候钢，牌号为Q235NH、Q355NH、Q415NH。结构设计和连接节点设计可按普通钢结构设计。《钢标准》第4.3.8条条款解释表5（见上文）也对耐候钢的焊接方法及焊接材料进行了推荐；
（2）市场上耐候钢板材料相对较少，当某种板厚用量较少（10吨以下）时，供应商较少，钢材采购周期长（0.5~2个月），采购运费较高，Q355NH是最常用、最容易采购的耐候钢牌号，应优先使用Q355NH焊接耐候钢；
（3）市场上几乎没有热轧耐候钢，设计时尽量不用热轧耐候钢，用类似的焊接型材代替热轧型材，除非某种规格的热轧型钢用量很大（达到几百吨以上），可以联系钢厂进行专轧。
（4）设计时耐候钢板的厚度规格应尽量小，厚度相近的板材尽量组合，每种厚度的钢板量尽量大于10吨。
6. 国外钢材应用情况
《钢铁标准》（GB 50017-2017）对本标准未列出的其他等级钢材（包括异物）的使用提供了指导。
《钢材标准》第4.1.5条规定，当采用本标准未列出的其他牌号钢材时，宜按照现行国家标准《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068进行统计分析，研究确定其设计指标和适用范围。
在第4.1.5条的解释中，对于已有国家材料标准，但尚未纳入钢结构设计标准的钢材，《钢材标准》规定了具体的统计分析方法、试验研究、专家论证等方法确定其设计指标。
对于从国外进口且符合国际材料标准的钢材：
1）若既有国外标准，又有相同或相近的中国标准时，应按照中国钢结构工程施工质量验收规范的要求进行验收，设计强度可按最接近、最低的中国标准取值，并用于具体工程；
这为我国工程企业沿着“一带一路”走出去、采用符合国外标准的钢材提供了法规依据。
下表为国内外常用钢种的大致比较。
2)若有国外标准而我国尚无类似标准可供参考，则应将材料质量证明文件和验收试验数据提供给国家《钢结构设计标准》标准管理组，经统计分析、专家咨询后，确定设计强度，并在具体工程中使用。
相关文章：
本文前半部分参考《钢结构的材料牌号，你知道该如何选择吗？（修订版）》，来自：公众号《从钢结构到装配式钢结构建筑》，作者：牛壁人；《钢结构设计》公众号，根据2017版《钢铁标准》修订后半部分撰写。
