1概 述

国内钢结构工程中应用的钢材主要有国家标准GB/T 700—2006《碳素结构钢》中的Q235钢，GB/T 1591—2018中的Q355、Q390、Q420和Q460钢，GB/T 19879—2015《建筑结构用钢板》中的Q345GJ～Q460GJ系列钢材。

GB/T 700于1965 年 1 月首次发布，经过3次修订，现行版本是2006版，该标准规定了Q195、Q215、Q235和Q275四种牌号碳素结构钢的尺寸、外形、质量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志和质量证明书等内容。GB/T 1591《低合金高强度结构钢》于1979年1月首次发布，经过4次修订，现行版本是2018版。该标准规定了Q345～Q690的低合金高强度钢牌号的性能及相关内容。参考日本工业标准JISG 3136—1994《建筑结构用轧制钢材》，中国于2005年首次发布国标GB/T 19879—2005《建筑结构用钢板》，并于2015年发布了现行的修订版，该标准规定了Q235GJ～Q690GJ系列钢，GJ钢适用于高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。与GB/T 1591比较，GJ钢的强度随厚度加大的衰减小，还规定了屈强比、屈服强度波动范围、碳当量(CE) 和焊接裂纹敏感性系数(Pcm) ，降低了硫、磷含量，是高性能结构钢。

ANSI/AISC 360-10《美国建筑钢结构设计规范》规定的可用钢材品种较多，实际应用较广泛的钢材主要有ASTM A36和ASTM A572标准中的钢材。ASTM A36/A36M是美国《碳素结构钢标准》，于1960年首次发布，现行最新版本于2014年发布，其规定了用于建筑和桥梁结构用碳素结构钢的通用交货要求、对承压板的要求、化学成分、拉伸试验等。该标准中，钢材的屈服强度只有36 ksi(250 MPa)一种等级，适用于全部板厚(不大于200 mm)；其断后伸长率按照试样标距长度200 mm和50 mm给出，而且对型钢的拉伸性能指标要求比钢板稍低一些；其化学成分随着板厚的增加有所变化。

ASTM A572/A572M是美国《高强度低合金铌钒结构钢标准》，于1966年首次发布，现行最新版本于2012年发布，其规定了用于桥梁和其他结构用高强度低合金铌钒结构钢的通用交货要求、产品厚度和尺寸、化学成分、力学性能等。该标准中，钢材的屈服强度级别有GR42[290]、GR50[345]、GR55[380]、GR60[415]、GR65[450]五个牌号，适用于全部板厚(32～150 mm，且最大板厚与牌号及产品形式有关)；其断后伸长率按照试样标距长度200 mm和50 mm给出；其化学成分随着板厚的增加有所变化。需要注意的是，其冲击韧性不是产品的常规必须要求，工程需要时必须另行提出。

国标GB/T 700、GB/T 1591、GB/T 19879中根据钢材的屈服强度确定钢材牌号，按照不同温度下的冲击韧性要求划分质量等级(A～E),并考虑不同的交货状态。美标 ASTM A36/A36M、A572/A572M等标准中的钢材也是按照屈服强度分级(GR)，并根据钢制品的形式(钢板或者钢棒、型钢)进行划分，但是钢材的冲击韧性不是产品的常规要求，工程需要时必须另行签订协议。此外，中美耐候结构钢和铸钢也有相对应的相关标准，详见表1。总体上，中国钢材标准归类综合性较强，而美标细分较多，一项国标内容可能对应多个美标。

表1 中美钢材标准对照

2常用钢材的化学成分对比

建筑钢结构工程常用钢材是屈服强度为235～460 MPa的碳素结构钢或低合金高强度结构钢，其中235～355 MPa级钢用量占钢结构总用量的90%以上。国标Q235、Q355级钢材中对焊接质量有不利影响的S、P等有害元素的控制略严于美标 ASTM A36/A36M 和 ASTM A572/A572M Gr50[345]级钢材(表2); 对C元素的控制，国标Q235、 Q345钢也严于美标；国标对焊接质量有利元素Si、Mn含量要求高于美标。综上分析，国标Q235，Q355钢材在可焊性方面优于美标，特别是对C、S、P等元素含量的控制。在钢材的化学成分方面，国标GB/T 700—2006中Q235 C、D级钢材均可以替换美标ASTM A36/A36M标准钢材; 国标GB/T 1591—2018中Q355级钢材可以替换美标ASTM A572/A572M GR50[345]钢材，但需要注意对Si、Mn元素含量限值的控制。国标Q235GJ钢、Q345GJ钢的各项化学成分指标均分别优于相应强度等级的美标A36和A572 GR50钢材。

表2 Q235、Q355钢与ASTM A36和A572 GR50钢材化学成分对比 %

3常用钢材力学性能对比

钢结构工程中常用的钢材力学性能包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、冲击功和冷弯性能。中美钢材标准对拉伸试样的取样方向规定是相同的，即当板宽度大于600 mm时，沿“横向”(垂直于钢材轧制方向)取样，否则沿“纵向”(平行于钢材轧制方向)取样。

钢材的屈服强度是衡量钢结构的承载能力和确定强度设计值的重要指标，是材料力学性能中不可缺少的重要指标，也是金属材料发生屈服现象时的屈服极限。钢材是一种延性材料，其拉伸试验曲线会出现波动的屈服平台，该屈服平台中的强度最大值称为上屈服强度(ReH), 该屈服平台中的强度最小值称为下屈服强度(ReL), 美标和欧标中一般取ReH作为屈服强度，国标GB/T 700—2006和GB/T 1591—2018也取ReH作为屈服强度，但国标GB/T 19879—2015取ReL作为屈服强度。抗拉强度Rm是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，直接反映钢材内部组织的优劣。

钢材的断后伸长率是衡量钢材塑性的性能指标，承重结构采用的钢材除了应具有较高的强度外，尚应具有足够的断后伸长率。断后伸长率与拉伸试件的标距长度有关，美标一般采用标距为200 mm和50 mm的定尺标距试样，国标一般采用标准试样标距其中S0为试样的横截面积),相同的钢材不同的标距试样得出的断后延伸率是不同的。

冷弯性能是钢材的塑性指标之一，同时也是衡量钢材质量的一个综合性指标。通过冷弯性能，可以检验钢材晶粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷，在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。

钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能力，是衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载作用等所导致的脆性断裂能力的性能指标。在美标ASTM A36和A572中，冲击韧性不作为必须满足的指标；但是在中国标准中，冲击韧性是作为区分钢材性能等级(A～F)的一项重要指标。

3.1 国标Q235、Q235GJ与美标 A36钢比较

国标Q235、Q235GJ钢材屈服强度都随着钢板厚度的增加而降低(表3)，但美标ASTM A36钢材的屈服强度在板厚不大于200 mm范围内不受钢板厚度影响，且屈服强度高于国标Q235钢材6%以上。美标ASTM A36钢材的抗拉强度与国标Q235GJ钢相近，大于国标Q235钢材8%以上。

表3 Q235、Q235GJ钢与ASTM A36钢材力学性能对比

注：板厚单位为mm，下同。

国标Q235 钢材的断后伸长率随厚度的增加而降低(AS=26%～22%)，美标ASTM A36钢材的断后伸长率在厚度增加时保持不变(A200=20%,A50=23%)。

国标 Q235钢材的冷弯性能依照钢材的厚度而变化，美标钢材A36 钢材的冷弯性能不随厚度变化(表4)。通过对比可知，当板厚度t≤60 mm时，国标Q235钢材对冷弯性能要求严于美标钢材；当板厚度t>60 mm时，国标钢材对冷弯性能要求低于美标钢材。

表4 Q235、Q235GJ钢与ASTM A36钢材冷弯性能对比

3.2 国标Q355、Q345GJ与美标 GR50[345] 钢比较

美标 ASTM A572 GR50级钢材抗拉强度不受厚度的影响，在钢板厚度不大于100 mm 范围内均相同。国标Q345与Q345GJ钢，当厚度不大于40 mm时，其屈服强度与美标相等；当厚度大于40 mm时，其屈服强度比美标小。国标Q345与Q345GJ钢的抗拉强度比美标GR50钢略高，见表5。

表5 Q355、Q345GJ钢与ASTM A572 GR50钢材力学性能对比

国标Q355 钢材的伸长率随厚度的增加延伸率降低(AS=20%～17%)，国标Q345GJ 钢材的伸长率不随厚度变化(AS=22%)，美标ASTM A572 GR50级钢材的伸长率在厚度增加时保持不变(A200=18%,A50=21%)。

国标 Q355、Q345GJ钢材及美标ASTM A572 GR50级钢材的冷弯性能均依照钢材的厚度而变化(表6)。通过对比可知，美标钢材对冷弯性能要求严于国标。

表6 Q355、Q345GJ钢与ASTM A572 GR50钢材冷弯性能对比

3.3 国标Q390～Q460(GJ)与美标 A572 GR55[380]～GR65[450] 钢比较

美标 ASTM A572 GR55[380]、GR60[415]和GR65[450]级钢材的强度分别与中国标准的Q390、Q420和Q460对应，但其最大钢板厚度分别限制在50，32，32 mm。美标钢材的抗拉强度不受厚度的影响，在其相应的最大厚度范围内均相同(表7)。国标Q390钢当厚度不大于40 mm时，其屈服强度与美标相等，国标Q390GJ钢的屈服强度在厚度不大于100 mm时均大于美标。国标Q390与Q390GJ钢的抗拉强度比美标GR50钢略高(表8)。

表7 Q390钢与ASTM A572 GR55钢材力学性能对比

表8 Q420钢与ASTM A572 GR60钢材力学性能对比

国标Q355 钢材的断后伸长率随钢板厚度的增加而降低(AS=20%～17%)，国标Q345GJ 钢材的断后伸长率不随厚度变化(AS=22%)，美标ASTM A572 GR50级钢材的断后伸长率在厚度增加时保持不变(A200=18%,A50=21%)。

从表8和表9可以看出，国标Q420、Q460钢所有厚度的屈服强度、抗拉强度均等于或略大于相对应强度级别的GR60、GR65级钢，国标的GJ钢则更胜一筹。

表9 Q460钢与ASTM A572 GR65钢材力学性能对比

4耐候钢比较分析

耐候钢是通过添加少量的合金元素(如Cu、P、Cr、Ni等)，使其在金属表面形成保护层，以提高耐大气腐蚀性能的钢。美国是最早开发应用耐候钢的国家，耐候钢通常分成两类，焊接要求不高的耐候钢：以Cu、P(0.07%～0.15%)系为主，屈服强度一般在345 MPa以下，板厚一般不超过16 mm，如美国的ASTM A242系列；焊接结构用耐候钢：以Cr-Ni系为主，含P量在0.04%以下，如美国的ASTM A588和A514系列。现行的中国标准GB/T 4171—2008《耐侯结构钢》中包括了高耐候钢(GNH)和焊接耐候钢(NH)二大类共11种牌号(表10)，屈服强度区间为235～550 MPa；美标耐候钢分别在ASTM A242、A606、ASTM A588和ASTM A871等标准中，屈服强度区间为310～450 MPa。在ASTM A588中只有一种强度牌号，按照化学成分的不同分为A、B、K三种等级；在ASTM A606中的强度分为热轧GR50和冷轧GR45二种牌号，又按照化学成分中含Cu量的控制不同分为二种型号(Type2、Type4)。

钢材的耐大气腐蚀性能一般用耐候指数I为指标，I越大，耐候性能越好。耐候指数由Legault和Leckie提出，利用钢材的化学成分按照下式计算：

(1)

在ASTM相关标准中，对耐候钢的化学成分的规定比较宽泛，但要求耐候指数应不小于6.0。国标对耐候钢化学成分的规定更详细，虽然未对耐候指数作明确的规定，但是按照化学成分规定表计算出的钢材耐候指数均大于6.0。

对比中美耐候钢标准(表10)，国标的耐候钢牌号更多，强度级别的覆盖范围更大。国标耐候钢的屈服强度随着钢板厚度的增加而减小，美标耐候钢中有些牌号(ASTM A242、A588)的屈服强度也随着钢板厚度的增加而减小，但另一些牌号(ASTM A871、A606)美标耐候钢的屈服强度在厚度不大于100 mm时保持不变。在钢板厚度不大于40 mm时，国标耐候钢的力学性能不低于相应牌号的美标耐候钢。

表10 中美耐候钢力学性能对比

5铸钢性能比较分析

中国的铸钢标准分为GB/T 11352—2009《一般工程用铸造碳钢件》和GB/T 7659—2010《焊接结构用铸钢件》二类，美国的铸钢标准同样也分为ASTM A27/A27M《一般用途碳钢铸件标准》和ASTM A216/A216M《可熔焊高温用碳钢铸件标准》二类。国标GB/T 11352—2009中一般用途碳钢铸件按照铸钢件的屈服强度分为5个牌号(屈服强度200、230、270、310、340 MPa)，美标ASTM A27也分为5个牌号(U-60-30、60-30、65-35、70-36、70-40)，但相互并不完全对应。国标GB/T 7659—2010中的焊接用铸钢件按照铸钢件的屈服强度分为5个牌号(屈服强度200、230、270、300、340 MPa)，美标ASTM A216按照强度不同分为WCA、WCB和WCC(屈服强度分别为205、250、275 MPa)三个牌号。美标中铸钢最大屈服强度275 MPa，国标铸钢最大屈服强度达到340 MPa。

中美一般用途铸钢件的化学成分比较见表11，可知，两者含P、S等有害成分的比例完全相同，国标的铸钢含Si稍低。铸钢材料中C、Mn的含量均随强度的增加而增加。美标对冲击韧性没有要求，这一点与国标不同。由于中美拉伸试样的标距不同，伸长率和断面收缩率数据无法直接比较，但是国标中随着铸钢强度级别的升高，伸长率和断面收缩率的下降程度更加明显。

表11 一般用途铸钢件化学成分和力学性能对比

注：ZG为国标铸钢件；U、GR为美标铸钢件。

中美可焊接铸钢的化学成分比较见表12，可知：国标含P、S等有害成分的比例均比美标低，含碳量也较低，因此，国标焊接铸钢的碳当量较低，可焊性较好。美标对冲击韧性没有要求，这一点与国标不同。

表12 可焊接铸钢件化学成分和力学性能对比

通过对中美铸钢标准比较分析可知：

1)对于焊接铸钢，中国标准有5种牌号，而美标仅3种；一般用途铸钢中、美标准均有6种牌号，但强度级别并不重合；美标没有屈服强度大于275 MPa的一般用途铸钢和焊接铸钢。

2)对于焊接铸钢的抗拉强度，国标规定最小值，而美标则规定了强度区间。

3)国标对铸钢件有冲击功的要求(欧标和ISO 标准均要求)，但美标中没有冲击功的要求。

4)中美标准对于断后伸长率的试件要求不同，美标规定采用标距2 in(50 mm)试件，国标一般采用标准试样标距

5)铸钢试件的力学性能均采用基尔试块，但是试块大小不同。美标根据ASTM A1067《铸钢件用样棒的标准》，采用4柱或2柱试块(图1)，标准试块尺寸与铸钢件的最大厚度有关，约为125 mm×215 mm；国标是根据GB/T 11352—2009的规定，采用固定尺寸的三种标准试块，其最大厚度50～110 mm。因此两者试验结果不能直接进行比较。

a—国标GB/T 11352规定的试块；b—美标ASTM A1067规定的试块。图1 铸钢力学性能用单铸试块

6)当需方有要求时，国标还对焊接铸钢的碳当量(CE)作出了规定。

7)其他性能指标要求相同或相近。

6钢材代换

国外许多钢结构工程采用欧、美标准，欧、美标准在很多地方有互换和互代性。中国是世界最大的产钢大国，国产钢材的质量逐年提高，钢材的国家标准也逐渐向国际化发展改进。由于工期和成本原因，常需要进行钢材代换。钢构件代换有等强度代换和等刚度代换两种方式，当代换前后钢材强度为同一级别时，等强度即为等面积代换。对于有抗震要求的钢材，还要满足设计对钢材的屈强比和延伸率的要求。对处于低温工作环境的钢材，还应满足设计对钢材韧性的要求。

通过综合对比分析，国标Q235钢材的屈服强度均小于美标ASTM A36/A36M钢材 ，且Q235钢材的抗拉强度的最小值也小于美标ASTM A36/A36M钢材，如必须替换，建议采用国标Q235GJ级钢材代替美标ASTM A36/A36M钢材。但由于国产钢材屈服强度低，所以需要分析替换后对构件强度的影响。当板厚度不大于40 mm时，国标Q355钢材的屈服点、抗拉强度、伸长率控制指标与美标A572 GR50[345]钢材相当，可以替换。当板厚度不大于50 mm时，国标Q345GJ钢材的屈服点、抗拉强度、伸长率控制指标均优于美标A572 GR50[345]钢材，可以替换。

国标耐候钢的牌号比美标更多，从力学性能方面都基本相同，耐候指数也都大于6.0。但是由于钢材的耐候性能与其化学成分及使用环境关系密切，相互的替代需要更深入的研究。

美标的铸钢产品中没有屈服强度大于275 MPa的铸钢，对于冲击韧性也没有指标要求，而国标铸钢屈服强度可达340 MPa，国标铸钢的牌号也更多。虽然国标与美标对铸钢性能指标要求相同或相近，但是由于铸钢试件的力学性能采样标准试块不同(美标的标准试块厚度更大)，其性能指标不能直接代换。

7结束语

通过对中美建筑钢结构标准中常用的碳素结构钢、低合金高强度结构钢、耐候钢、铸钢的化学成分和力学性能的详尽对比和分析，总结如下：

1)对于建筑钢结构用钢材的各种类和牌号，中美都有相对应的标准，其性能和等级相近但不相同。美标钢材的强度一般不随钢板厚度的增加而减小；钢材拉伸试样的截取方向和标距不同，美标的断后伸长率按照定尺标距长度200 mm和50 mm给出，而国标采用标准标距；此外，冲击韧性不是美标钢材的常规必须要求，工程需要时必须另行签订协议。

2)国标Q235、Q235GJ和Q355级钢材中对焊接质量有不利影响的S、P等有害元素的控制略严于美标相应的A36和A572 GR50钢材; 对C、Si、Mn元素的控制，国标Q235、Q235GJ和Q345钢要严于对应强度的美标钢材。因此，国标Q235、235GJ和Q355钢材在可焊性方面要优于美标。

3)国标Q235、Q235GJ钢的强度指标比美标A36钢材低6%以上，且板厚度越大，差值越大。当板厚度不大于40 mm时，国标Q355钢材的力学性能指标与美标A572 GR50钢材相当，可以替换。当板厚度不大于50 mm时，国标Q345GJ钢材的力学性能指标均优于美标A572 GR50钢材，可以替换。

4)当国标Q390钢厚度不大于40 mm、国标Q390GJ钢厚度不大于100 mm时，力学性能均不低于美标A572 GR55钢，且国标钢材的抗拉强度比美标略高。国标Q420、Q460钢所有厚度的力学性能均等于或略大于相对应强度级别的A572 GR60、A572 GR65级钢，国标的Q420GJ、Q460GJ钢则性能更佳。

5)国标耐候钢的牌号比美标更多，从力学性能方面都基本相同，耐候指数也都大于6.0。但是由于钢材的耐候性能与其化学成分及使用环境关系密切，相互的替代需要更深入的研究。

6)关于铸钢标准，国标的铸钢牌号更多，强度级别的覆盖范围更大；铸钢试件的力学性能采样标准试块不同，美标的标准试块厚度更大。其他性能指标要求相同或相近。

中英文全文下载链接

1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS20052508（注册登录免费获取） 2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG

3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202009004?db=STMJTEMP

作者简介

吴耀华

中冶建筑研究总院有限公司 副总工程师

现任中冶建筑研究总院有限公司副总工程师；中国钢结构协会专家委员会副主任；全国钢标准化技术委员会委员；中国钢结构协会围护系统分会理事长；全国工程建设标准设计专家委员会委员。

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融媒体编辑：张白雪

责任编编：乔亚玲

关于期刊

中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。

期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。

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