建（构）筑物抗震结构对钢材性能要求的研究

吴耀华 岳清瑞 曾 滨

（中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

摘 要：分析了中国、美国和欧洲等国内外抗震设计规范对抗震结构中钢材断后伸长率的要求，指出了各国规范的要求基本相同，而中国的相关设计规范对钢材的断后伸长率值对应的试样种类和标距未予明确。钢材的断后伸长率有不同的种类，通过伸长率指标的换算，并结合实际工程中使用的国产钢材的的屈强比和伸长率工程调研和统计分析，由此得出结论：国产Q235—Q460级别的钢材性能可以满足抗震结构要求的屈强比、伸长率要求。

关键词：抗震结构；伸长率；屈强比；国产钢材；塑性性能

0 引 言

钢材的力学性能是满足结构功能要求的基础，主要性能包括材料的强度、塑性和韧性等几个方面。抗拉强度是实际上决定结构安全储备的关键，伸长率和屈强比反映钢材能承受残余变形量的程度及塑性变形能力，冲击韧性是抗震结构和抗低温冷脆的要求。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［1］和GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》［2］对抗震结构钢材的伸长率要求不小于20%。另一方面，GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》［3］和 GB/T 19879—2015《建筑结构用钢板》［4］中一些钢材（屈服强度大于345 MPa）的伸长率为14%～19%，从表面上看达不到GB 50011—2010的要求。本文通过对中、日、美、欧等相关标准的对比分析，理清抗震结构对钢材伸长率指标要求的来历、延伸率的分类和换算关系，以及国产钢材实际性能情况的统计分析结果，研究这些国产高强度钢材能否应用于抗震结构。

1 钢材伸长率的种类、影响因素及换算

钢材的塑性指标代表钢材塑性变形能力的大小。塑性指标包括伸长率、面积收缩率和屈强比，其中伸长率和面积收缩率都是在拉断后的试样上测得的。常用钢材的应力－应变曲线如图1所示。一般碳素结构钢、低合金高强度结构钢等均有明显的屈服台阶。屈服台阶和台阶后的上升段的长短，在一定程度上也反映了塑性变形能力。

图1 钢材应力－应变曲线

钢材的拉伸试验一般按照我国GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》［5］进行，该标准与国际标准ISO 6892∶1998等效。GB/T 228—2002关于断后伸长率有短标距伸长率A、长标距伸长率A11.3和非比例试样标距定标距的伸长率Axmm（例如A80mm表示原始标距L0＝80 mm）。断后伸长率A和A11.3分别对应比例试样原始标距 L0＝5.65 mm和L0＝11.3 mm（S0为试件平行长度段的原始横截面积）。

相同的材料采用不同的试样，或者同样的试样采用不同的原始标距，测出的断后伸长率是不同的。而这些结果之间是可以换算的。伸长率的测试结果与试件平行长度段的原始横截面积S0、原始标距的长度 L0有关。其关系可以按照国家标准 GB/T 17600.1—1998《钢的伸长率换算第1部分：碳素钢和低合金钢》［6］进行换算。伸长率的换算基本公式以Oliver公式为基础，见式（1）：式中：S0r、L0r、δr分别表示试样截面积、试样原始标距和对应的伸长率；S0、L0、δ则分别表示另一个试样截面积、试样原始标距和对应的伸长率；n为近似材料常数，在该标准适用范围内取n＝0.4。

如果已知标距为5.65 mm的比例试样的伸长率δ，需换算成其他定标距试样的伸长率δr，则：

令

称为换算因子β，则δr＝ β δ，即Axmm＝β A。

式（1）、式（2）的适用条件：适用于抗拉强度在300～700 MPa范围（相应的屈服强度约为195～460 MPa）的热轧、热轧加正火或退火状态、回火或无回火的碳素钢和低合金钢（不适用于冷轧状态钢、淬火回火钢和奥氏体钢）；适用厚度不小于4 mm；不适用于原始标距长度超过

或宽厚比超过20的试样。

2 中外抗震规范对钢材延伸率的要求

在强烈的交变地震作用下，承重钢结构的工作条件和实效模式与静载作用下的结构不同。结构具有高应变、低周疲劳工作的特点，并进入非弹性工作状态。因此要求结构钢材在有较高强度的同时，还应具有适应更大应变与塑性变形的延性和韧性性能，从而实现地震作用能量与结构变形能量的转换，有效地减小地震作用，达到结构罕遇地震作用不倒的设防目的。这一对钢材延性的要求，已经作为一个基本准则列入中国、美国、日本、欧洲等相关技术标准中。

GB 50191—2012及GB 50011—2010对抗震结构的钢材以强制条文规定，钢结构用钢材应符合下列规定：1）钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；2）钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%；3）钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性。

JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》［7］第4.1.4条规定，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构件的钢材性能应符合下列规定：1）钢材抗拉性能应有明显的屈服台阶，其断后伸长率A不应小于20%；2）钢材屈服强度波动范围不应大于120 MPa，钢材实物的实测屈强比不应大于0.85；3）抗震等级为三级及以上的高层钢结构，其主要抗侧力构件所用的钢材应具有与其工作温度相应的冲击韧性合格保证。

美国ANSI/AISC 341－10《钢结构抗震规范》［8］第A3章规定，抗震结构中允许采用的钢材的塑性性能和焊接性能，一般应满足以下要求：1）钢材应有明显的屈服台阶；2）良好的非弹性应变性能，例如，2英寸（50 mm）标距的伸长率不小于20%；3）良好的焊接性能。不满足上述要求的钢材不得采用。对于按照ASTM A992和ASTM A913标准的宽翼缘型钢，还应满足屈强比不大于0.85。

表1 国标钢材中对断后伸长率的规定 %

注：t为钢板厚度，mm。

中国标准 钢材牌号t≤40 40＜t≤63 63＜t≤100 100＜t≤150 GB/T 1591—2008 Q345 20～21 19～20 19～20 18～19 Q390 20 19 18 18 Q420 19 18 18 18 Q460 17 17 17 17 Q345GJ 22 22 22 22 GB/T 19879—2015Q390GJ 20 20 20 20 Q420GJ 20 20 20 20 Q460GJ 18 18 18 18

另一方面，根据现行的钢材国家标准 GB/T 1591—2008和GB/T 19879—2015，其中的一些钢材的断后伸长率为19% ～17%（表1），从表面上看达不到大于或等于20%的抗震要求。

对于断后伸长率未达到20%的钢材在美国ANSI/AISC 341－10中，明确了断后伸长率为50 mm标距试样的相应值，而我国 GB 50011—2010及JGJ 99—2015中并没有明确是哪种试样和标距。由于GB 50011—2010对于延长率的要求是借鉴美国的经验而来，因此可以理解为也是指50 mm标距试样。而钢材国标中的断后伸长率是比例试样短标距

的值。因此需要先把这二者按照式（2）进行换算。

钢厂做拉伸试验时，一般采用25 mm宽的板状拉伸试样，横截面积＝原始板厚×25 mm2。当板状试样厚度增加时，试样的横截面积也随之增加。按照式（2），可以得到从A换算成A50mm的换算因子β与钢板厚度的关系，详见表2。

表2 断后延长率换算因子β

板厚/mm β 板厚/mm β 4 1.051 50 1.741 10 1.262 60 1.806 20 1.450 80 1.913 30 1.572 100 2.000 40 1.665 150 2.169

从表1可以看出，Q460钢材的伸长率最小A＝17%，当板厚为10 mm时，其对应的50 mm标距延长率A50mm＝21%。板厚越大，A50mm越大，当板厚为100 mm时，对应的延长率A50mm＝34%。

GB/T 19879—2005版标准中的表4注3：“伸长率按有关标准进行换算时，表中伸长率A＝17%与A50mm＝20%相当”，这句话不确切。因为A与A50mm之间的比例因子β不是一个简单的常数，而与试样的横截面积相关。

总之，我国现行的GB 50011—2010、GB 50191—2012和JGJ 99—2015没有明确钢材的断后伸长率是哪种试样和标距。如果按照美国ANSI/AISC 341－10规定的50 mm标距的非比例试样，用通常的25 mm宽度的试样要求，则国标的Q235—Q460级别的钢材的延长率均满足抗震结构用材的要求。

表3 工程调研钢板断后伸长率统计分析

组号 钢板厚度t/mm 钢材牌号 数据个数 最大值/% 最小值/% 平均值/% 标准偏差/% 变异系数 标准值/% D1 6≤t≤16 Ly160 5 69.0 48.6 59.32 3.24 0.055 54.00 D1 16＜t≤40 Ly160 13 85.0 68.4 75.7 1.35 0.018 73.48 G-A1 t≤16 Q235 100 45.0 21.0 33.22 4.24 0.128 26.25 G-A2 16＜t≤40 Q235 96 40.0 24.0 31.37 3.68 0.117 25.31 G-B1 6≤t≤16 Q345 1240 38.5 20.0 28.40 2.93 0.103 23.59 G-B2 16＜t≤35 Q345 2 800 43.5 16.0 27.07 3.18 0.117 21.85 G-B3 35＜t≤50 Q345 978 37.5 17.0 28.46 3.70 0.130 22.37 G-B4 50＜t≤100 Q345 219 38.5 20.0 30.39 2.95 0.097 25.54 C1 6≤t≤16 Q390 31 30.0 20.0 25.02 2.86 0.114 20.31 C2 16＜t≤35 Q390 739 34.0 19.0 25.88 2.38 0.092 21.95 C3 35＜t≤50 Q390 193 34.0 21.0 29.11 2.64 0.091 24.76 C4 50＜t≤100 Q390 97 34.0 22.0 29.88 2.58 0.086 25.63 G-D1 6≤t≤16 Q420 — — — — — — —G-D2 16＜t≤35 Q420 16 28.0 21.0 24.72 1.93 0.078 21.54 G-D3 35＜t≤50 Q420 34 33.0 21.0 27.76 3.23 0.116 22.46 G-D4 50＜t≤100 Q420 249 36.0 20.0 27.91 2.88 0.103 23.18 G-E1 6≤t≤16 Q460 10 27 10.13 23.8 1.48 0.062 21.37 G-E2 16＜t≤35 Q460 21 31.8 23 26.44 0.45 0.017 25.70 G-E3 35＜t≤50 Q460 39 32.0 22.0 26.76 0.76 0.028 25.51 G-E4 50＜t≤100 Q460 271 32.0 19.0 26.30 2.32 0.088 22.47 G-F1 6≤t≤16 Q345GJ — — — — — — —G-F2 16＜t≤35 Q345GJ 142 33.0 22.0 26.23 2.36 0.090 22.34 G-F3 35＜t≤50 Q345GJ 2 007 40.5 21.5 30.26 3.63 0.120 24.28 G-F4 50＜t≤100 Q345GJ 4 733 40.0 20.0 30.50 2.58 0.085 26.25 B1 6≤t≤16 Q550 10 24.2 16.27 19.51 0.83 0.043 18.14 B2 16＜t≤35 Q550 8 27.5 16.3 19.48 1.12 0.057 17.64 B3 35＜t≤50 Q550 23 28.28 19.58 21.97 0.42 0.019 21.28 B1 6≤t≤16 Q690 9 24 11.57 15 1.18 0.079 13.06 B2 16＜t≤35 Q690 9 24 15.5 19.41 1.12 0.058 17.57 B3 35＜t≤50 Q690 9 21 18 19.16 0.27 0.014 18.72

3 国产钢材断后伸长率的统计分析

GB 50017—2003修订时，对国产钢材的性能进行了大量的调研，而且进行了独立试验［9－15］。对钢材进行伸长率的统计分析见表 3。结果表明，Q235—Q460级各牌号钢的实测伸长率标准值（具有97.5%保证概率）均大于结构设计规范的规定值。从Q235—Q460钢，随钢材屈服强度的升高，伸长率呈下降趋势，但Q460钢的伸长率仍在20%以上，满足塑性设计和抗震设计的要求。就现有数据而言，Q550钢的伸长率满足相关规范对于塑性设计的要求，但不满足抗震设计的要求；Q690钢的伸长率不满足相关规范对于塑性设计和抗震设计的要求。

4 结束语

相同的材料，采用不同的试样，或者同样的试样不同的原始标距，测出的断后伸长率是不同的，而这些结果之间是可以换算的。

中国GB 50011—2010对于抗震结构中钢材的要求与美国、日本、欧洲的要求基本相同。GB 50011—2010和JGJ 99—2015中没有明确钢材的断后延长率是哪种试样和标距。如果按照美国ANSI/AISC 341－10的50 mm标距的非比例试样考虑，用通常的25 mm宽度的试样要求，则钢材国标GB/T 1591—2008和 GB/T 19879—2015中的 Q235—Q460级别的钢材的延长率均满足抗震结构用材的要求。

国产建筑钢材（Q235—Q460）的实测塑性性能数据表明，其伸长率标准值（具有97.5%保证率）均大于15%，屈强比标准值（具有97.5%保证率）也都小于0.85，因此可以认定国产牌号Q235—Q460的钢材均可用于塑性设计和抗震设计。而Q550、Q690高强钢没有明显的屈服台阶，其塑性性能指标不满足GB 50017—2003和GB 50011—2010要求，不可用于塑性设计和抗震设计。

参考文献：

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［15］The Architectural Inst.of Japan.Design Standard for Steel Structures［S］.

RESEARCH ON THE REQUIREMENTS FOR STEEL TENSILE ELONGATION OF SEISMIC STRCTURES

Wu Yaohua Yue Qingrui Zengbin
（Central Research Institute of Building and Construction Co.Ltd，MCC group，Beijing 100088，China）

ABSTRACT：Based on the analysis of steel properties requirements on seismic structures of China，American and Europe design codes，this paper indicted that the requirements of these codes were similar.However，the steel tensile elongation after fracture and its corresponding specimens and gauge length are not determined in China's codes.Through the conversion of the tensile elongation indicators and combined with engineering investigation and statistical analysis of steel elongation and the yield ratio of tensile strength，the conclusion indicated that the plastic properties of domestic Q235—Q460 steel could meet the requirements of yield ratio and elongation of seismic structures.

KEY WORDS：seismic structures；tensile elongation；yield ratio；domestic steel；plastic properties

DOI：10.13206/j.gjg201701018

第一作者：吴耀华，男，1964年出生，教授级高级工程师。

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收稿日期：2016－09－30