众所周知，钢结构用的钢材（结构钢），有Q235、Q345、Q390、Q420等牌号，每个牌号，有A、B、C、D和E（Q235无此等级）的质量等级。对于厚板，有《厚度方向性能钢板》（GB/T 5313-2010）规定的Z15、Z25、Z35的断面收缩率要求。另外，还有一个 《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2005）的GJ系列钢材。

这些涉及钢材的要求，结构工程师在施工图中应明确表示。钢材牌号的选择，主要是强度问题，一般工程师都会从受力的角度，经济合理地进行选择。其余的质量等级、Z向性能、GJ钢材，规范的要求是什么？如何合理地进行选择？本文专题讨论。

一、结构钢的质量等级如何选择？

1 质量等级如何确定？

结构钢不同强度等级都有A~D或者E的质量等级，质量等级实际上主要代表的是材料在不同温度下的冲击韧性要求。

根据材料的标准《碳素结构钢》（GB/T 700-2006）以及《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2008）的规定，Q235、Q345、Q390和Q420不同质量等级的化学成分以及力学性能如下表。可以看出，不同牌号的钢材通过调整C、S、P的含量，实现了不同温度下的冲击韧性性能，达到了不同的质量等级。

《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）第3.3.4条对钢材的冲击韧性作出了要求。结合上表的冲击韧性，将对应的钢材质量等级纳入，归纳如下：

1）对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材

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℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证（Q235C、Q345C）；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证（Q390D、Q420D）；

c.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（Q235D、Q345D）；对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证（Q390E、Q420E）。

2）对于需要验算疲劳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，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证（Q235C、Q345C）；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证（Q390D、Q420D）。

同时规范3.3.4条注明，吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。

《钢结构设计规范》（GB 50017-201x，报批稿）在这一基础上，增加了一些要求，可作参考：

第4.3.1条，工作环境温度不高于-20℃的受拉构件及承重构件的受拉板材，应符合下列要求：所用钢材厚度或直径不宜大于40mm，质量等级不宜低于C级；当钢材厚度或直径不小于40mm时，其质量等级不宜低于D级；重要承重结构的受拉板材宜满足《建筑结构用钢板》GB/T 19879的要求。

《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）对钢材的质量等级也有一定的要求，应遵照下列规定：

第4.1.2条，承重构件所用钢材的质量等级不宜低于B级；抗震等级为二级及以上的高层民用建筑钢结构，其框架梁、柱和抗侧力支撑等主要抗侧力构件钢材的质量等级不宜低于C级；承重构件中厚度不小于40mm的受拉板件，当其工作温度低于-20℃时，宜适当提高其所用钢材的质量等级。

第4.1.4条，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应具有与其工作温度相应的冲击韧性合格保证。即，工作温度高于0℃时，采用B级钢；工作温度不高于0℃但高于-20℃时，采用C级；工作温度不高于-20℃时，采用D级。

2 哪些是需要验算疲劳的焊接结构？

《钢结构设计规范》第6.1.1条规定，直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于5×104次时，应进行疲劳计算。

第6.2.3条规定，“重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳可作为常幅疲劳计算”。同时在条文说明中说明，“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，根据多年来使用的情况和设计经验，可不进行疲劳计算”。因此，对于吊车梁和吊车桁架而言，可以认为需要验算疲劳的结构为：重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架，不含轻级工作制吊车梁和吊车桁架以及中级工作制吊车梁。

但考虑到第3.3.4条选材时的注释（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）以及在7.1.1条吊车梁焊接要求同样对50t以上中级工作制吊车梁提出要求，习惯性地，也把50t以上中级工作制吊车梁纳入了需要验算疲劳的结构。

3 结构工作温度如何确定？

《钢结构设计规范》在条文说明中建议，采用《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ 19-87（2001年版）中所列的“最低日平均温度”作为结构工作温度，见下表，摘自该规范的附录二。

事实上，GBJ 19-87规范在03版《钢结构设计规范》编制后，已经升版为《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003），其中未纳入气象参数。规范后又部分升版为《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012），虽有气象数据，但没有了“最低日平均温度”这一项。

靠别人靠不住啊，咋整？目前的做法只能是，去找旧版本的作废的规范。《钢结构设计规范》（GB 50017-201x，报批稿）修订时也意识到了这一问题，采取的解决办法是，干脆把那些数据拿出来做成表格放在了条文说明里（见下表）。

另外一个问题，对于室内工作的构件，因为采暖等原因导致室内外温度不同时，结构构件温度明显不可能是室外的“最冷日平均温度”，如何处理？

崔佳等编著的03版《钢结构设计规范》的参考书《钢结构设计规范理解与应用》中有个解释：

《机械工业厂房结构设计规范》（GB 50906-2013）第5.3.3条规定：“结构工作温度按《采暖通风与空气调节气象资料集》中所列的最低日平均温度确定，对采暖房屋内的结构，可提高10℃采用”。

《钢结构设计规范》（GB 50017-201x，报批稿）对这个问题有个说明：对于室内工作的构件，如能确保始终在某一温度以上，可将其作为工作环境温度，如采暖房间的工作环境温度可视为0℃以上；否则可按上表数值增加5℃采用。

二、GJ钢在何时选用？

我国的《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2015）参考日本的SN钢材标准制定，在原钢材牌号后加GJ表示，如Q345GJ，俗称“GJ钢”，是专为高层民用建筑钢结构生产的高性能钢板。GJ钢对钢的纯净性提出了严格的要求，大大降低了有害元素P、S元素的含量。从而实现了强度厚度效应小（随厚度钢材强度降低程度小）、屈服点有上下限（可实现抗震既定的塑性耗能区）、保证碳当量和Z向性能（Z15、Z25、Z35）等方面的优点。

我国目前并未像日本强制性要求抗震的建筑钢结构采用GJ钢。目前主要是《高层民用建筑钢结构技术规程》在提要求：第4.1.2条：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，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。

事实上第4.1.2条强烈推荐高层钢结构采用GJ钢，第4.1.4条从屈服强度波动范围的规定也导致最好采用GJ钢。

三、Z向性能如何要求？

《钢结构设计规范》未要求什么情况要求钢材的Z向性能，只是在第3.3.6条规定：当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313的规定。并在条文说明中表示，我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢板。

《建筑抗震设计规范》第3.9.5条：采用焊接连接的钢结构，当接头的焊接拘束度较大、钢板厚度不小于40mm且承受沿板厚方向的拉力时，钢板厚度方向截面收缩率不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313关于Z15级规定的容许值。

《高层民用建筑钢结构技术规程》第4.1.5条：焊接节点区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拉力作用（含较高焊接约束拉应力作用）时，该部分钢板应具有厚度方向抗撕裂性能（Z向性能）的合格保证。其沿板厚方向的断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。

上述规范均规定板厚超过40mm厚度方向受拉时，需要考虑Z向性能，但是，实际上并未给出啥时候需要Z15？啥时候需要Z25或者Z35呢？Z向性能的要求怎么量化选择？

很抱歉，暂时没找到关于这个问题的国内规范规定（您要是找到了，别忘了吱个声），基本只能靠经验。唯一能找到的Z向性能确定方法的依据，在崔佳等编著的《钢结构设计规范》的参考书《钢结构设计规范理解与应用》中，有个断面收缩率的计算确定方法（将各种因素所需的断面收缩率叠加后在表2.7中找到对应的构造的Z向性能要求）：

而这部分内容实际上来自于欧洲规范Eurocode 3, Part 1-10关于Z向性能的确定方法，有兴趣去看看吧，兴许下次编啥规范，就引进了呢。