钢材中的"S"
施工中最常用的钢材为 S235、S275、S355 和 S460。这些均为热机械轧制钢材，其中"S"代表"结构钢"，数字表示屈服强度（MPa）。例如，S355 的屈服强度为 355 MPa，比 S235 高 50%。尽管强度不同，S235 和 S355 的化学成分几乎相同。差异主要体现在轧制和冷却工艺上，这些工艺影响屈服强度和抗拉强度等力学性能。
S355 有时被认为是高强钢，因为 S235 长期以来一直是标准钢材。然而，这种称谓并不准确。只有从 S690 起才被视为高强钢，主要用于起重机制造和海洋工程等行业。这些钢材通过提高碳含量获得高强度，从而具有不同的材料成分、生产工艺和更严格的焊接要求。本文不再进一步讨论其他钢材，而专注于 S235 与 S355 或 S460 之间的比较。图 1 为不同钢材等级的应力-应变图及力学性能示意图。可以看出，钢材等级越高，抗拉强度越大，而断裂伸长率越小。弹性模量所决定的刚度保持不变。
图 1：不同钢材等级的应力-应变图及力学性能。
S235 作为施工标准已经过时
以 S235 作为施工标准限制了 S355 或 S460 的潜力。值得注意的是，S235、S275、S355 和 S460 每千克的成本和能耗几乎相同，而 S355 和 S460 可提供显著更优的性能。
以 S355 作为标准，可以实现更可持续的结构。这因此是合乎逻辑的一步，类似于钢筋的演变。过去使用 QR/FeB 220，如今 FeB 500 已成为标准。现在没有人会在新混凝土结构中使用 FeB 220。
"混凝土领域是否比钢结构领域更具创新性？"
优势与顾虑
使用更高等级钢材的主要优势在于，我们可以通过减小截面尺寸和降低板厚，在相同强度下优化材料用量。材料用量减少意味着用钢量减少，从而降低经济成本。此外，这不仅带来欧元层面的成本节约，还减少了 CO2 排放，对气候目标产生积极贡献，因为钢铁生产在排放中占有重要地位。
这一优势不仅体现在钢结构本身，还体现在运输、安装以及可能更轻的基础设计上，同样带来材料、成本和能源的节约。此外，更纤细的截面有助于节点的设计，可实现更小的焊接量。
另一方面，使用更高强度钢材时当然也有一些顾虑需要考虑。当使用更纤细的钢截面或更薄的板件时，发生局部屈曲（折叠）的可能性更大。此外，使用更高强度的钢材并不直接影响刚度，这可能导致例如梁截面纤细化时产生更大的挠度。最后，焊接更高强度钢材也有更具体的要求，但这主要适用于 S460 及以上的钢材。
使用更高强度钢材还会影响IDEA 构造规范校核中的最小焊缝厚度，依据 FprEN 1993-1-8:2023 第 6.9(4) 条。下表显示了最小焊缝厚度如何随钢材强度的提高而增大。
| 钢材等级 | 1.1 ∙ fy,plate/fu,plate | 最小焊缝厚度 | ||
| S235 | 0,72 | a ≥ 0,33 ∙ t | ||
| S275 | 0,70 | a ≥ 0,34 ∙ t | ||
| S355 | 0,80 | a ≥ 0,46 ∙ t |
这有时需要使用更厚的焊缝。然而，由于采用更轻的截面或更薄的板件可以减少焊接量，这一影响得到了补偿。
计算您的优势——在 IDEA StatiCa Connection 中比较 S235 与 S355
在以下示例中，我们对采用 S235 和 S355 的节点进行比较，以研究使用 S355 是否能够实现材料节约。
我们分析一个带端板的柱-梁节点，该节点可视为半刚性（柔性）节点。使用 IDEA StatiCa 对不同工况进行了刚度分析，以研究对弯矩-转角图、抗弯承载力和破坏机制的影响。原始节点完全采用 S235，由六个 M16 8.8 螺栓、厚度为 10 mm 的端板以及翼缘双角焊缝（厚度 5 mm）和腹板双角焊缝（厚度 3 mm）组成。柱截面为 HEA200，梁截面为 IPE220。图 2 展示了节点及不同工况的计算结果。
图 2：节点概览及计算结果。
对每种工况均使用 IDEA StatiCa Connection 进行了刚度分析，结果叠加于图 3 的弯矩-转角图中。下面对每种工况进行详细说明。我们从采用 S235 和 S355 的节点开始，然后探讨是否可以对节点进行优化，以减少材料和焊接量从而节约成本。
图 3：不同计算工况的弯矩-转角图。
- S235：
采用 S235 的节点抗弯承载力约为 Mj,Rd = 45 kNm。由于破坏机制由柱腹板的塑性应变控制，节点具有合理的变形能力。
- S355
对于采用 S355 的相同节点，初始转动刚度保持不变（见图 3）。由于弹性模量和几何尺寸不变，刚度不发生变化。然而，节点的抗弯承载力有所提高，S355 的 Mj,Rd 比 S235 约高 30%。尽管强度提高，但随着破坏机制的转变，变形能力有所降低。在 S235 中，柱腹板达到 5% 的塑性应变；而在 S355 中，端板上的焊缝达到最大允许应力，导致破坏机制延性较差。
为使 S355 节点获得与 S235 相同的抗弯承载力，可对节点进行优化以节约材料。这可以通过减薄端板、使用更小螺栓或减小柱和梁的截面来实现。
- S355 更小螺栓
当使用 M14 或 M12 8.8 螺栓代替 M16 时，Mj,Rd 有所降低，但如图 3 所示，变形能力也显著下降。减小螺栓尺寸可保持节点的初始刚度，但由于破坏机制转移至螺栓，变形能力和强度均有所牺牲。基于此观察，且由于节省的材料量可忽略不计，减小螺栓尺寸并不具有优势。这在预期之中，因为螺栓本身的质量等级并未提高。
- S355 更薄端板
减小端板厚度会牺牲强度和刚度，但由于端板将发生屈服流动，变形能力得以保留。当端板厚度 t = 6 mm 时，刚度和抗弯承载力显著降低。然而，当 t = 8 mm 时，所达到的 Mj,Rd 与 S235 大致相同，但板厚有所减小。这在对节点刚度和强度无显著负面影响的情况下节约了材料。
- S355 更纤细截面
当端板厚度保持 10 mm 不变，但柱和梁的截面减小至 Mj,Rd 约为 45 kNm 时，可获得相同的抗弯承载力和合理的变形能力，同时减少材料用量。在此情况下，截面分别从 HEA200 和 IPE220 缩减为 HEA160 和 IPE200。
结论
通过提高钢材强度，可以通过修改节点板或截面来节约材料。减小截面最为有效且经济，因为它能最大程度地降低重量、成本和 CO₂ 排放。与此同时，节点的强度和刚度得以保持，提供了一种可持续的解决方案。
然而，应当注意，截面面积的减小会直接影响构件的挠度，这需要在更广泛的设计中加以分析。此外，钢材强度的提高可能导致破坏机制的改变，增加脆性破坏的风险，例如螺栓破坏或焊缝应力过高。这并不总是理想的，因为它会降低节点的变形能力。
然而，如果在节点构造设计中考虑到这一点，且焊缝厚度符合 IDEA StatiCa Connection 中的构造规范校核要求——该要求遵循板件应先于焊缝发生脆性破坏前屈服流动的原则——那么提高钢材等级并优化节点是一种经过深思熟虑且有效的选择。
最后，需要强调的是，本次比较专门针对该节点进行，结论和参数因节点而异。然而，为获得整体认识，我们必须将整个结构纳入研究范围。只有这样，才能全面评估刚度和强度对节点及构件的实际影响。或许这将在后续文章中进一步探讨。
参考文献
- Li, Y., Lee, C.-C., & Cai, Y. (2023). Recent research advances in high-performance steel tubular members: Material properties, stub columns, and beams. Buildings, 13(11), 2713. https://doi.org/10.3390/buildings13112713
- Greven, S. X. (2013, October). Why S235 is obsolete. Building with Steel, 235. https://www.duurzaaminstaal.nl/upload/File/BMS_235_S235.pdf
- Romeijn, E., & Luijendijk, T. (2009). Construction high-strength steel makes different demands on welding. Metal magazine, 9, 30-32.