1966年我国自行研发生产的16Mn钢(即Q345低合金高强度结构钢),填补了我国低合金结构钢生产的空白。经多年的应用和发展，1994年低合金结构钢已经系列化，可生产Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等5个牌号钢供工程应用。到2008年，因工程应用和国际接轨需要，又开发生产了Q500、Q550、Q620、Q690等更高强度级别牌号钢。50余年来，低合金高强度结构钢，特别是Q345钢在钢结构工程领域中得到了广泛的应用。中国钢结构协会的调研资料表明，近10余年来，我国钢结构工程中应用Q345等低合金高强度结构钢的比重已占到总用钢量的80%以上，Q345钢也成为GB 50017—2017《钢结构设计标准》中推荐首选的钢材牌号。同时，作为工程选用钢材性能依据的国家标准GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》，也继2008年修订后，又于2018年做了新的优化修订，对钢材牌号、质量等级、性能指标、交货状态等进行了多处重要修改与补充。为便于应用，本文针对GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》修订内容所引起的设计中应注意的问题，进行解读与介绍，供设计选材参考。

1)强化了合金化程度，优化了钢材的综合性能。

早期产品仅要求碳(C)、硫(S)、磷(P)、硅(Si)、锰(Mn)的限量保证，现还要求增加微量元素铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、钼(Mo)、氮(N)、铝(ALs)等合金元素的限值保证，以更益于细化晶粒，提高强度、韧性与抗蚀性、耐磨性和淬硬性。

2)增加了按轧制工艺分类的产品，并新规定了相应系列的钢材牌号级别与质量等级分类，更适用于工程用材优化细化的要求。

《标准》规定将钢材下屈服强度改为上屈服强度，提高了名义强度值；系列钢材牌号中以Q355钢替代了原Q345钢，取消了此处在产品轧制工艺类别的品种上只由单一的热轧状态(牌号为Q355、Q390、Q420、Q460共4种)交货，增加了正火与正火轧制钢(牌号为Q355N、Q390N、Q420N、Q460N共4种)、热机械轧制钢(牌号为Q355M、Q390M、Q420M、Q460M、Q500M、Q550M、Q620M、Q690M共8种)供工程应用。新增工艺类别的产品均具有更良好的综合性能，其交货状态定义如下：

a.正火——一种热处理工艺，即将钢材加热到临界温度以上(40～60 ℃)，保温一定时间，然后在空气中进行冷却。经此处理后可改善钢材组织和塑性，降低碳当量，并提高冲击韧性(-20 ℃时可保证冲击功值不小于40 J,比热轧状态钢提高15%以上)。《标准》中正火状态钢标记为后缀英文字母“N”,如Q355N。

b.正火轧制——亦名控制轧制，即将最终变形控制在一定温度范围内的轧制工艺。其钢材产品的性能也可达到相当于正火后的状态。本标准正火轧制状态亦标记为后缀英文字母“N”，如Q355N。

c.热机械轧制(TMCP)——在一定温度范围内，控制钢材轧制变形的轧制工艺。其钢材微观结构均匀，晶粒细化，具有优异的力学性能、防脆断性能和抗疲劳性能，以及良好的耐蚀性和焊接性能。本标准中热机械轧制状态标记为后缀英文字母“M”，如Q355M。

3)按不同轧制工艺和牌号，优化细化规定了相应的钢材强度等级和质量等级，同时取消了A级质量等级。

取消了各牌号A级钢，对正火、正火轧制钢和热机械轧制钢，增加了F级质量等级要求，其冲击功(纵向)可保证低温-60.℃条件下不低于27 J。

4)在保证基本性能条件下，大幅扩大了产品的厚度范围。

热轧钢材厚度较大时，由于轧制压缩比较小等原因，其强度与塑性性能均有所下降，故最早期16Mn钢的最大厚度仅限于35 mm。而现在保证基本性能条件下厚度可达200～250 mm，热机械轧制钢最大厚度也可达120 mm。这为大型工程与重型结构提供了充分的应用条件。

5)对伸长率和冲击功分别规定了纵向和横向的保证限值。

热轧钢材一般为纵向轧制，故其纵向性能要优于横向性能(如横向冲击功一般较纵向要降低20%以上)。以往钢材标准中一般只规定纵向冲击功限值，而《标准》分别规定了纵向和横向冲击功的保证限值，便于设计人员更为知情的合理选材。

6)按轧制工艺类别细化规定了焊接性能的量化指标——“碳当量”(CEV)与“焊接裂纹敏感指数”(Pcm)。

由于焊接结构的广泛应用，各工程领域都对钢材焊接性能的保证提出了要求。早期应用碳素结构钢的经验表明，化学成分碳可显著提高钢材的强度，但也明显降低其焊接性能，故焊接钢结构用低碳钢均限于含碳量低于0.25%。而对于低合金结构钢，其所含部分化学成分亦不同程度降低了钢材焊接性能的影响，故国际焊接学会提出了一个将此类元素含量等效折算为碳含量的计算方法，其总量即为碳当量(CEV),该指标也成为当今国际上公认的判定低合金结构钢焊接性能的量化指标。同时对含碳量较低(C≤0.12%)的低合金结构钢，还提出了一个更合适其焊接性能判定的指标，即焊接裂纹敏感指数(Pcm)。CEV与Pcm的量化计算公式可分别见式(1)与式(2)。

CEV=m(C)+m(Mn)/6[m(Cr)+m(Mo)+m(V)]/5+[m(Ni)+m(CU)]/15

(1)

Pcm=m(C)+m(Si)/30+m(Mn)/20+m(Cu)/20+m(Ni)/60+m(Cr)/20+m(Mo)/15+m(V)/10+5m(B)

(2)

《标准》按钢类与钢材厚度优化规定了各类钢应保证的CEV限值及热机械轧制钢应保证的Pcm限值。

7)与国际接轨，适应海外工程与国际交流的需要。

近年来，我国在建筑、造船、机械制造、交通运输等方面的涉外工程与国际交往日益增多，迫切要求我国工程用钢在质量与性能方面要与国外优质钢材相协调，产品标准也应接轨。为此国内许多钢厂已能按欧标(EN)、美标(ASTM)、日标(JIS)生产钢材供货，部分钢材标准也需等效或参照应用国外标准。新修订的《标准》中钢材牌号、交货状态与技术条件等也主要参照欧标EN10025《非合金钢化学成分及其性能》而制定。

为了解修订后的《标准》产品性能的优化情况，以Q355钢(16Mn钢、Q345钢)为例，各版本标准中产品性能指标的比较见表1。

表1 各版本标准中产品性能指标比较

注：YB 63—69中规定的冲击功单位为kg·m/cm2。

本《标准》中增加了正火和正火轧制钢与热机械轧制钢两类优质钢材，其综合性能更为良好，但价格也高于普通热轧钢(一般约高出15%)。设计选材时，应按结构承载条件的性能要求，考虑安全性、经济性和优材优用的原则，合理进行选材。

本《标准》钢材牌号的修改仅限于“低合金高强度结构钢”。设计选用本类结构钢时，不应再选用Q345钢，并在设计文件中对所选用的钢材应正确完整地注明其牌号，如Q355、Q355N或Q355M。但也应注意，若按国标GB/T 8162—2018《结构用无缝钢管》或GB/T 19879—2015《建筑结构用钢板》等钢材标准选用钢材时，仍应按《标准》所规定的钢材牌号选用，不应将其规定Q345钢改为Q355钢。

本标准对不同的钢材牌号规定了不同的质量等级，设计选材时，应按表2规定正确选用钢材质量等级，不应再选用A级钢，也不应选用各牌号钢中未规定的质量等级。

表2 各牌号钢材的质量等级

注：1)Q460C级钢仅适用于型材和棒材，不适应于板材；2)钢材牌号不带后缀者为热轧状态钢材，带后缀“N”、 “M”者分别为正火状态钢材和热机械轧制状态钢材。

GB 50017—2017规定了钢材的抗弯、抗压、抗拉强度设计值，应按钢材屈服强度(fy)除以抗力分项系数(γR)取值；而端面承压强度设计值，是以钢材的抗拉强度(fu)除以换算抗力分项系数1.175取值。此次本《标准》修改中将各类钢材屈服强度由原来的下屈服强度(Rel)取值改为上屈服强度(ReH)取值，故钢材屈服强度一般均提高了10 MPa(上、下屈服强度值是进行钢材拉伸试验时其屈服强度微小波动的上限值与下限值。在各钢材产品标准中屈服强度的取值并不统一，有取上限者，也有取下限者。此上限与下限的差值，一般为屈服强度值的2%～3%)；同时新规定的热机械轧制钢抗拉强度值，也均降低10～20 MPa。此两项强度值的修改引起GB 50017—2017强条中原定的设计指标必须作相应的修改。2019年底《钢结构设计标准》管理组已就此问题进行了研讨，并于2020年初提出了修订相应指标的文函通知，现正报住建部审定。现行JGJ 99—2015《民用建筑高层钢结构技术规程》也正进行相应的修改工作。故近期的工程设计应注意及时按相关标准通知的设计强度修改值进行设计。

本次修订中，对各牌号钢的冲击功和碳当量等指标均按工艺类别、质量等级与钢材厚度等作了细化的规定，设计选材时应严格按细化指标值进行选用。冲击功一般按纵向试样取值，必要时可以要求横向冲击功的附加保证。

以Q355为例，其冲击功和碳当量指标应分别按表3和表4的规定选用。

表3 Q355、Q355N、Q355M钢的冲击功保证值

注：1)当需方未指定试验温度时，正火、正火轧制和热机械轧制的C、D、E、F级钢材分别做0，-20，-40，-60 ℃冲击；2)冲击试样取纵向试样。经供需双方协议，也可取横向试样；表中上角a表示仅适用于厚度大于250 mm的Q355D钢板；b表示当需方指定时，D级钢可做-30 ℃冲击试验，冲击吸收能量纵向不小于27 J；c表示当需方指定时，E级钢可做-50 ℃冲击试验，冲击吸收能量纵向不小于27 J、横向不小于16 J。

表4 Q355、Q355N、Q355M钢的碳当量限值

十多年来，钢结构工程建设迅速发展，其工程应用技术水平得到显著提升，其中高性能钢材的发展应用占有了重要位置。工程建设经验表明，合理正确的选用钢材对保证钢结构工程质量和技术经济性能有重要意义。此外，钢材生产技术也同步迅速发展，多品种的高质量、高性能钢材，为钢结构工程钢材应用的需求提供了充分的保证条件，其中Q345低合金高强度结构钢一直是应用最多，也是设计规范推荐首选的结构用材。但其产品标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591历年来有过多次修订，而本次修订对许多重要内容均作了修改。本文的目的就是对这些修改为读者做一些解读和介绍，便于大家在设计中理解和应用。近年来设计规范的修订都把合理选材提高到重要的位置，除将“材料”列为专门一章之外，不少选材条文也被列为强制性条文，这意味着设计人员要以合理选材和优化选材作为基本功来作好工程选材工作。

来源：柴昶,刘迎春.关于新版国标GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》应用中的注意事项[J]. 钢结构(中英文）, 2020, 35(6): 50-54.

doi:10.13206/j.gjgS20042201