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2005年第2期
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建筑工程
·
但泽义
(中冶赛迪公司建工分院, 重庆 400013)
[摘 要]
介绍了国产厚度方向性能钢板及牌号，并重点阐述了钢材中化学成分及轧制对厚板性能的影响和如何确定厚
板的断面收缩率 值以及防止层状撕裂的措施。可供设计者参考。
[关键词]
钢材牌号 Z向性能 断面收缩率 层状撕裂
近20年年来，我国高层建筑钢结构、海上采
油平台以及类似的重要建(构)筑物钢结构得到了
蓬勃的发展。在这类建(构)筑物中因结构承载力的
需要，常常采用厚板焊接结构，厚板结构在制造焊
接中，由于钢材质量和焊接构造等原因，厚板容易
出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是
很不利的。厚度方向性能良好的钢板，我国在上世
纪80～90年代尚不能完全生产，需要进口一批厚
板来满足国内建筑市场日益增长的需要，近几年经
广大科技工作者共同努力奋斗，我国厚度方向性能
钢板的产量和质量已基本能满足市场的需求，并制
定了自己的《厚度方向性能钢板》、《高层建筑结
构用钢板》国家标准和行业标准。我国生产的Z向
钢板的标志是在母级钢钢号后面加Z向钢标志Z15、
Z25、Z35。高层建筑结构用钢板的牌号是在屈服点
数值后面加上代表高层建筑的汉语拼音字母(GJ)
接着是质量等级符号(C、D、E)如Q345GJC；对厚度
方向性能钢板，是在质量等级符号前还要加上厚度
方向性能级别，例如Q345GJZ25C。
钢板在轧制过程中，随着板厚的增加，厚度方
向压缩比相对减小，钢板在三个方向的机械性能是
有差别的：沿轧制方向性能最好；垂直于轧制方向
的性能稍差：沿厚度方向性能则又次之。用一般质
量的钢轧制的钢材，尤其是厚钢板，局部性的分层
现象往往难于避免。分层主要来源于钢中的硫、磷
偏析和非金属夹杂等缺陷，这些缺陷将影响钢的力
学性能。
Z向性能钢板的技术要求及工艺措施为：
1 化学成分
影响钢材性能的因素有：化学成分、熔炼与浇
铸、轧制以及热处理等，而以化学成分为主。其中
硫、磷含量直接影响钢板厚度方向的性能。硫、磷
是建筑钢材中的主要杂质，硫能产生易于熔化的硫
化铁，当热加工或焊接的温度达到800℃～1200℃
时，可能出现热裂纹，硫化铁又能形成夹杂物，不
仅促使钢材起层，还会引起应力集中，降低钢材的
塑性和冲击韧性。硫又是钢中偏析最严重的杂质之
一，偏析程度越大对厚度方向的性能越不利。磷是
以固溶体的形式溶
解于铁素体中，这种固溶体很
脆，加以磷的偏析比硫更严重，形成的富磷区促使
钢变脆，降低钢的塑性、韧性及可焊性。因此Z向
性能的钢板对硫、磷的含量均应有合格保证，其中
对硫的含量控制较严。
超高层建筑钢结构或类似结构的梁柱翼缘板
厚一般都选用大于40 mm的低合金高强度结构钢，
连接节点都是采用V型或 U型坡口的焊接连接，在
低合金高强度结构钢的焊接接头中，热影响区因急
冷而产生淬硬倾向，热影响区淬硬倾向大的钢易产
生焊接裂纹，接头的塑性恶化，可靠性降低，甚至
存在很大的隐患。因此为保证结构的承载力和安全
可靠，应对钢材可焊性(工艺可焊性和使用可焊性)
进行评定，决定钢材可焊性通常控制低合金钢的碳
当量(Ceq)或焊接裂纹敏感性指数(Pcm)。Ceq或Pcm
是根据化学成分对钢材焊接热影响区淬硬性的影
响程度，粗略地评价焊接时产生裂纹倾向及脆化倾
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向的一种估算方法，其计算公式如下：
Ceq(％)＝C＋Mn/6＋Si/24
＋Ni/40＋Cr/5 （1）
＋Mo/4＋V/14
Pcm(％)＝C＋Si/30＋Mn/20＋Cu/20
＋Ni/60＋Cr/20＋Mo/15 （2）
＋V/10＋5B
用于建造高层建筑结构和其他类似重要建筑
结构厚度≤100 mm钢板的化学成分和碳当量(Ceq)
或焊接裂纹敏感性指数 (Pcm)见表1、表2、表3。
表1 高层建筑结构用钢板的化学成分
化学成分(％)
钢的
牌号
质量
等级
厚度
(mm)
C Si Mn P S V Nb Ti A1s
C ≤0.20
D
Q235GJ
E
6～100
≤0.18
≤0.35 0.6～1.2≤0.025≤0.015 ≥0.015
C ≤0.20
D
Q345GJ
E
6～100
≤0.18
≤0.55 ≤1 60 ≤0.025≤0.0150.20～0.150.015～O.060 0.01～0.10≥0.015
C ≤0.20
D
Q235GJZ
E
＞16～100
≤0.18
≤0.35 0.6～1.2≤0.020见表2 ≥0.015
C ≤0.20
D
Q345GJZ
E
＞16～100
≤0.18
≤0.55 ≤1.60 ＜0.020见表20.02～0.150.015～O.060 0.0l～0.10≥0.015
注：Z为厚度方向性能级别Z15、Z25、Z35的缩写，具体在牌号中注明。有关厚度方向性能的其它要求见相关标准(GB/T5313)。
表3 高层建筑结构用钢板的碳当量和焊接裂纹敏感性指数限值
碳当量（Ceq） 焊接裂纹敏感性指数（Pcm）
牌 号 交货状态
≤50 mm ＞50～100 mm ≤50 mm ＞50～100 mm
Q235GJ Q235GJZ 热轧或正火 ≤0．36 ≤0．36 ≤0．26
Q345GJ 热轧或正火 ≤0．42 ≤0．44 ≤0．29
Q345GJZ TMCP ≤0．38 ≤0．40 ≤0．24 ≤0．26
注：TMCP表示温度―变形控制轧制。交货状态应在合同中注明，否则将由供方选择。
表2 厚度方向性能
钢板的硫含量限值
厚度方向性能级别 硫含量(％)不大于
Z15 0．010
Z25 0．007
Z35 0．005
各牌号所有质量等级钢板的碳当量(Ceq)或
焊接裂纹敏感性指数(Pcm)应符合表3的相应规
定。采用熔分析值并根据式(1)或式(2)计算Ceq
或Pcm。一般以计算Ceq交货，除非有协议规定。
2 力学性能
钢锭经热轧后，钢铸锭时形成的气泡、裂纹和
疏松等缺陷，可在高温和压力作用下焊合，并细化
钢材的晶粒使组织密实，力学性能得到改善。这种
改善主要体现在沿轧制方向上，钢材在三个方向不
再是各向同性体，钢材内部的非金属夹杂物 (主要
是硫化物、硅酸盐及氧化物等)被压成薄片或条状，
出现分层(夹层)现象。分层使钢材沿厚度方向受拉
的性能大大恶化，并有可能在焊缝收缩时出现层间
撕裂。高层建筑框架梁柱刚性节点中，柱的翼缘板
受有厚度方向的拉力以及内外焊缝的收缩应力，当
柱的翼缘板较厚时，层间撕裂的可能性和危险性就
比较大。为解决这个问题，应采用Z向性能钢板。
我国制订的适用于高层钢结构或其它重要建 (构)
筑物用的《高层建筑结构用钢板》 (YB4104—2000)
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行业标准，其性能与日本《建筑结构用钢材》
(JISG3136—1994)相近而且在质量上有下列改进：
1)降低了硫、磷含量和焊接碳当量;
2)提高了屈服点并缩小其波动范围：
3)提高了冲击功值；
4)增加弯曲试验；
5)厚度方向的性能可以保证到Z35级别。
力学性能见表4。
表4 力学性能
屈服点
σ
s
(MPa) 180
°
弯曲试验
钢板厚度(mm)
伸长度
δ
s
(％)
冲击功A
kv
纵向
钢板厚度(mm)
屈强比
σ
s
/
σ
b
牌 号
质量
等级
6～16 ＞16～35＞35～50 ＞50～100
抗拉
强度
σ
b
(MPa)
不小于温度(℃)不小于≤16 ＞16～100不大于
C 0
D -20
Q235GJ
E
≥235 235～345225～335 215～325400～51023
-40
34 2a 3a 0.80
C 0
D -20
Q345GJ
E
≥345 345～455335～445 325～435490～61022
-40
34 2a 3a 0.80
C 0
D -20
Q235GJZ
E
- 235～345225～335 215～325400～51023
-40
34 2a 3a 0.80
C 0
D -20
Q345GJZ
E
- 345～455335～445 325～435490～61022
-40
34 2a 3a 0.80
注：若供方能保证弯曲试验结果符合表4规定，可不作弯曲试验。若需方要求作弯曲试验，应在合同中注明。
3 断面收缩率
为了防止结构在受力和焊接中层状撕裂的产
生，当采用厚度t≥40 mm的钢材时，钢材厚度方
向应具有必需的断面收缩率ψ，断面收缩率ψ可由
下式求得：
E
D
C
B
A
E
A
n
n
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
[
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
+
+
+
+
∑
=
=
=
各影响因素所需的断面收缩率[ψ]n的参数见
表5。表中列出的断面收缩率[ψ]n为参考值，当
[ψ]n为负值时表示该影响因素有利于抗层状撕
裂。对D项进行分析时要根据结构的具体情况慎重
处理。示例见表6。
4 防止层状撕裂工艺措施
在厚板焊接结构中，厚度方向焊接十字接头、
T形接头和斜接头，构件上始终承受因收缩产生的
焊接应力。母材内微小的层状偏折，在受垂直板面
的拉应力作用时，易产生层状撕裂。为避免构造不
当产生层状撕裂，设计人员在节点构造设计时，可
考虑以下措施：
1)尽量避免垂直钢板表面受力，当构件不可避
免在板厚度方向承受外加荷载时，应尽可能使受力
面积扩大，以降低板厚方向的外加应力峰值。
2)焊缝设计时，在满足结构承载力和构造要求
等的前提下，宜选用比母材强度稍微低一些或者塑
性好变形能力大的焊接材料焊接，使焊缝在内外应
力作用下，增加缓冲层先行塑性变形，以达到应力
重分布的目的。
3)合理选择焊接接头及施焊工艺，如在对接与
角接组合的T形接头中，可以采用增大焊缝与板面
的接触面积；选择适宜的坡口角度，减少空腔体积；
对称焊缝，焊道采用对称焊接的次序等措施。
4)钢材预热可以减少层状撕裂，预热可使溶敷
金属冷却速度慢，收缩的范围增大，降低焊接接头
的淬硬倾向。预热温度与钢材碳当量Ceq有关，碳
当量愈高，预热温度也愈高，当预热温度在200℃
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表5 各影响因素所需的断面收缩率[
Ψ
]n
影 响 因 素 [ψ]n
A
焊脚尺寸
h
f
当h
f
≤50 mm时
[ψ]
A
＝0.3 h
f
由此得出如：
h10 mm
h20 mm
h30 mm
h40 mm
h50 mm
?
?
?
?
?
?
?
?
?
15
12
9
6
3
②
-25
-10
-5
0
3
5
B
焊缝型式和
焊缝位置
8
C
在钢板厚度方向
焊接的刚性焊缝
当钢板厚度t≤60 mm时 t≤20 mm;
适用，[ψ]c＝0.2t② t＝40 mm;
例如就下列值得出： t＝60 mm
?
?
?
?
?
12
8
4
②
D 结构刚度
刚度低：能自由收缩，如T型接头。
刚度中等：在一定条件下可收缩。如箱形梁的横板。
刚度高：收缩受阻。如交叉的周围焊透的梁。
0
3
5
E 焊接工艺
不预热。
预热温度100℃以上。
0
-8
注：①如在板件厚度方向受压而且主要是受静载的压力（如支架的柱脚底板），表中②所注的[ψ]n值减半。②因统计数据不足，表中数
值仅适用于板厚t≤60 m
m时。
（转第34页）
t
改善焊道次序
较大
较小
t
t
0.7
t
0.5t
t
焊接变形大的材料(缓冲层)
t
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2
G
S
＝0.19456
误差平方和：
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
G
Cs
Yu
C
T
E
S
S
S
S
S
S
S
S
?
?
?
?
?
?
=
θ
?
=0.19442
列出方差分析表(见表7)。
查数理统计书籍中的F分布表得：F
0.05
(6，42)
＝2.331，F
0.0l
(6，42)＝3.273。由表7可知，除F
cs
大于F
0.05
(6，42)而小于F
0.01
(6，42)外，其他参数
的F值均大于F
0.01
(6，42)。所以除参数Cs对边坡
稳定性的影响是显著的(表7中示以*)之外，其他
参数对边坡稳定性的影响都是高度显著的(表7中
示以**)。表7中“显著性”一栏内（
·
）内的数
字表示敏感性排序号，除最后两个参数(
?
1
和Cs)
外，其他同用极差分析方法求得的排序结果是一致
的。
参考文献
1 孙玉科等著 .中国露天矿边坡稳定性研究[M].北京：
中国科学技术出版社,1999年4月
2 赵选民等编 .概率论与数理统计典型题分析解集(第
2版)[M].西安：西北工业大学出版社,2001年3月
3 季夜眉等编著 .概率与数理统计[M].北京：电子工业
出版社,2001年9月
(收稿日期：2004-03-15)
～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～
（接第29页）
表6 计算必需的断面收缩率ψ示例
[ψ]n影响因数
构 件
ABCDE
ψ＝∑[ψ]n
质量
等级
1)T形焊件
t1
15
20
30
50
3
3
3
3
0
0
0
0
4
4
6
10
0
0
0
0
0
0
0
0
7
7
9
13
－
－
－
Z15
2)交叉件
t1
15
20
30
50
3
3
3
3
0
0
0
0
4
4
6
10
3
3
3
3
0
0
0
0
10
10
12
16
－
－
Z15
Z15
3)焊入的加强件
6
6
不需
5
预
5
预热
6
热
6
5
5
0
-8
22
14
Z25
Z15
～300℃范围内时，反而会降低钢材的延伸率，因
此预热温度宜控制在100℃～150℃。最好还是由工
艺试验确定，一般可参考经验公式
T°(C)＝Ceq×300℃来确定预热温度。
（收稿日期：2004-03-15）
6
t
1
12
t
2
5
t
1
6
t
2
=12
t
1
=t
2
=30
t
1
h
f
=20
t
2