大家都知道，钢结构所使用的钢材（结构钢）包含 Q235、Q345、Q390、Q420 等牌号。每个牌号又有 A、B、C、D 和 E 这些质量等级，不过 Q235 没有 E 等级。对于厚板而言，有《厚度方向性能钢板》（GB/T5313-2010）规定了 Z15、Z25、Z35 的断面收缩率要求。还有一种钢材是《建筑结构用钢板》（GB/T19879-2005）所属的 GJ 系列钢材。
结构工程师在施工图中应明确表示这些涉及钢材的要求。钢材牌号的选择主要涉及强度问题，一般工程师会从受力角度出发，进行经济合理的选择。对于其余的质量等级、Z 向性能、GJ 钢材钢结构房屋划分为几个抗震等级，规范的要求是什么以及如何合理进行选择，本文将进行专题讨论。
一、钢材质量等级是个啥？如何划分？
结构钢的不同强度等级都有 A 到 D 或者 E 这样的质量等级。从力学性质方面来看，质量等级实际上主要体现的是材料在不同温度下的冲击韧性要求。因为一些规范直接提出了冲击韧性的要求，所以有必要先弄清楚钢材质量等级是怎样划分的，以及它与冲击韧性之间的关系是什么。
按照《碳素结构钢》（GB/T700-2006）和《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）的标准规定，Q235、Q345、Q390 和 Q420 这几种不同质量等级的化学成分以及力学性能情况如下表所示。不同牌号的钢材能够通过对 C、S、P 含量进行调整，从而在不同温度下展现出冲击韧性性能，并且达到了不同的质量等级。
碳素结构钢：
低合金高强度结构钢：
二、钢材质量等级如何选择？
1《钢结构设计标准》（GB50017-2017）的规定
GB50017 标准的第 4.3.3 条依据钢材在不同工作温度下的冲击韧性要求，并且结合上面的表格，将与之对应的钢材质量明确地规定了出来（只是给出了等级，而非冲击韧性要求，实际上和 03 版规范的要求是一样的）。
需验算疲劳的焊接结构用钢材应符合规定：若工作温度高于 0℃，其质量等级不应低于 B 级；若工作温度不高于 0℃但高于 -20℃，Q235 和 Q345 钢的质量等级不应低于 C 级，Q390、Q420 及 Q460 钢的质量等级不应低于 D 级；若工作温度不高于 -20℃，Q235 和 Q345 钢的质量等级不应低于 D 级，Q390、Q420 及 Q460 钢应选用 E 级。
需要验算疲劳的非焊接结构，其钢材质量等级要求可以比上述焊接结构低一级。同时，还应注意，这种降低后的质量等级不应低于 B 级。
吊车起重量不小于 50t 的中级工作制吊车梁，有这样的要求：其质量等级要求应和需要验算疲劳的构件保持相同。
（需特别注意，此为 GB50017 标准的新要求）。
第4.3.3条的条文说明将上述要求归纳成下表。
GB50017 标准的第 17 章涉及钢结构抗震性能化设计。该章新增了钢材质量等级要求。如果按照此章进行抗震设计，就需要遵守材料的规定。
《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015）有相关规定。
JGJ99 规程对于钢材的质量等级存在一定的要求，需要遵照以下规定：
第 4.1.2 条规定，承重构件所使用钢材的质量等级最好不要低于 B 级；对于抗震等级为二级及以上的高层民用建筑钢结构来说，其框架梁、柱以及抗侧力支撑等主要抗侧力构件所用钢材的质量等级最好不要低于 C 级；在承重构件中，当厚度不小于 40mm 的受拉板件工作温度低于-20℃时，最好适当提高其所使用钢材的质量等级。
抗震等级为三级及以上的高层民用建筑钢结构，其主要抗侧力构件所用钢材需有与其工作温度相应的冲击韧性合格保证。当工作温度高于 0℃时，应采用 B 级钢；若工作温度不高于 0℃但高于 -20℃，则采用 C 级钢；要是工作温度不高于 -20℃，就采用 D 级钢。
3哪些是需要验算疲劳的结构？
GB50017 标准的第 16.1.1 条有规定，对于直接承受动力荷载且重复作用的钢结构构件及其连接，要是应力变化的循环次数 n 达到或者超过 5×10^4 次，就应当进行疲劳计算。
GB50017 标准第 16.2.4 条规定，在结构设计中经常涉及的疲劳对象吊车梁方面，重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的变幅疲劳，可将应力循环中最大应力幅按下列公式计算。实际上是通过以统计得到的欠载效应等效系数，折算到 200 万次疲劳强度的基准，从而对变幅疲劳问题进行简化计算。条文说明中表示，多年来使用的情况和设计经验表明，轻级工作制吊车梁和吊车桁架以及大多数中级工作制吊车梁可不进行疲劳计算。所以，对于吊车梁系统来说，需要验算疲劳的结构是重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架，不包括轻级工作制吊车梁和吊车桁架以及中级工作制吊车梁。
考虑到第 4.3.3 条选材时的注释，其中规定起重量不小于 50t 的中级工作制吊车梁应考虑冲击韧性要求。同时，在 11.1.6 条吊车梁焊接中，也对 50t 以上的中级工作制吊车梁提出了要求。基于习惯性偏于安全的考虑，有时会把 50t 以上的中级工作制吊车梁纳入需要验算疲劳的结构，例如万能的 PKPM。
4结构工作温度如何确定？
03 版的 GB50017 规范在条文说明方面建议，将《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19 - 87（2001 年版）中所列出的“最低日平均温度”当作结构工作温度，如下表所示，此表摘自该规范的附录二。
事实上，03 版《钢结构设计规范》编制后，GBJ19 - 87 规范升版为《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019 - 2003），此规范未纳入气象参数。规范之后又部分升版为《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736 - 2012），该规范虽有气象数据，但没有“最低日平均温度”这一项。
GB50017 规范在修订时察觉到了这一问题，直接将那些数据提取出来并制成表格，放置在了条文说明中，具体见表 4。
另外，对于在室内工作的结构而言，由于采暖等原因会使室内外温度存在差异。在这种情况下，结构构件的温度显然不可能是室外的“最冷日平均温度”。那么，该如何处理呢？
03 版的 GB50017 规范没有进行说明，然而在崔佳等编著的规范理解参考书《钢结构设计规范理解与应用》里，有一个解释。
对于采暖房屋内的结构，能够提高 10℃来进行采用。
GB50017 规范明确意识到了此问题，并给出说法：室内工作的构件，若能确保始终处于某一温度之上，便可将其当作工作温度，例如采暖房间的工作环境温度可被视为 0℃以上；倘若不能确保，则可按照表 4 中的最低日气温增加 5℃来采用。
三、GJ钢在何时选用？
我国的《建筑结构用钢板》（GB/T19879-2015）是以日本的 SN 钢材标准为参考来制定的。它在原钢材牌号后面加上 GJ 来表示，例如 Q345GJ，通常被称为“GJ 钢”，这种钢是专门为高层民用建筑钢结构生产的高性能钢板。GJ 钢对钢的纯净性有着严格的要求，并且大幅降低了有害元素 P 和 S 的含量。实现了以下方面的优点：强度厚度效应小，即随厚度增加钢材强度降低的程度小；屈服点有上下限，能够实现抗震既定的塑性耗能区；保证了碳当量和 Z 向性能，包括 Z15、Z25、Z35 等。
03 版的 GB50017 规范未对此作出规定。GB50017 标准的第 4.3.4 条规定，对于重要承重结构的受拉板材，宜满足《建筑结构用钢板》GB/T19879 的要求。此规定并非强制，并且对于什么是“重要”的承重结构也未进行定义，仅可视为一种倾向性的建议。
目前相关规范对 GJ 钢提出要求的主要有：《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015），其中第 4.1.2 条规定，主要承重构件所用较厚的板材宜选用高性能建筑用 GJ 钢板；第 4.1.4 条规定，在高层民用建筑中，按抗震设计的框架梁、柱和抗侧力支撑等主要抗侧力构件，钢材屈服强度波动范围不应大于 120N/mm²。第 4.1.2 条推荐高层钢结构使用 GJ 钢。第 4.1.4 条对于屈服强度波动范围有规定，此规定使得最好采用 GJ 钢，不然性能很难达到要求。
我国目前总体上没有像日本那样强制要求抗震的建筑钢结构采用 GJ 钢。不过可以估计，这会是一个逐渐普及的过程，且是一种大的趋势。
四、Z向性能如何要求？
Z 向性能要求在厚板受拉的情况下始终存在，然而具体的条文却并不清晰明确。
《建筑抗震设计规范》（GB500011-2010）第 3.9.5 条规定：对于采用焊接连接的钢结构，若接头的焊接拘束度较大，同时钢板厚度不小于 40mm 且承受沿板厚方向的拉力，那么钢板厚度方向截面收缩率应不小于国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313 中 Z15 级规定的容许值。
《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-2015）第 4.1.5 条规定：对于焊接节点区 T 形或十字形焊接接头中的钢板，若板厚不小于 40mm 且沿板厚方向承受较大拉力作用，包括较高焊接约束拉应力作用，那么该部分钢板应具备厚度方向抗撕裂性能（Z 向性能）且有合格保证。其沿板厚方向的断面收缩率需满足要求，这个要求是不应小于现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T5313所规定的 Z15 级允许的限值。
上述规范规定，当板厚超过一定厚度且厚度方向受拉时，需要考虑 Z 向性能。然而，这些规范并未给出在何种情况下应选用 Z15、Z25 还是 Z35。
新出的GB50017标准在第4.3.5条规定：
条文说明简单定性给出了选用 Z15 和 Z25 的条件，并且对厚度不小于 25mm 的情况补充了含硫量的要求。
可是对于条文中所提及的 Z 向性能等级，需要根据节点形式、板厚、熔深或焊缝尺寸、焊接时节点的拘束度以及预热、后热情况来进行综合确定。然而，具体应该如何进行这种综合确定，却没有给出明确的说明。
也就是说，新出的 GB50017 标准给了一个简单的 Z15、Z25 选用定性说明。除此之外钢结构房屋划分为几个抗震等级，其余的标准均未给出 Z15、Z25 和 Z35 的量化选择方法。笔者找到的唯一能定量确定 Z 向性能的方法，在崔佳等编著的前一版《钢结构设计规范》的参考书《钢结构设计规范理解与应用》里，给出了一个断面收缩率的计算确定方式，即把 5 个因素所需的断面收缩率进行叠加，然后依据数值来确定 Z 向性能要求。
这部分内容实际上源自欧洲规范 Eurocode3 的 Part1 - 10 中关于 Z 向性能的确定方法。有兴趣的话可以去看一看。说不定下次编写规范的时候，就会引进这部分内容呢。
