建筑新型鋼鐵材料研究

唐吉雨 張 俊 成佳俊

三江學(xué)院主校區(qū)

建筑新型鋼鐵材料研究

唐吉雨 張 俊 成佳俊

三江學(xué)院主校區(qū)

近年來(lái)，隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為求保證建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)于空間的充分利用以及建筑外觀的造型要求，建筑業(yè)對(duì)于新型鋼結(jié)構(gòu)的性能需求也變得多樣化。鋼鐵產(chǎn)業(yè)為此投入了大量的人力物力，用于研發(fā)高性能結(jié)構(gòu)用鋼，并為這類鋼材附加了很多規(guī)格外的性能保障。反觀國(guó)外發(fā)達(dá)地區(qū)與國(guó)家，建筑業(yè)將會(huì)是鋼材使用的重要市場(chǎng)之一，為更好的服務(wù)建筑市場(chǎng)，推動(dòng)建筑行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，鋼材加工業(yè)也需要與時(shí)俱進(jìn)，研發(fā)新型高性能鋼材。建筑以及冶金業(yè)兩個(gè)行業(yè)間需要相輔相成，共同進(jìn)步，推動(dòng)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為提高鋼結(jié)構(gòu)的耐震性能，低屈服比的結(jié)構(gòu)用鋼也應(yīng)運(yùn)而生。下文就低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼進(jìn)行分析研究。

建筑；鋼材；強(qiáng)度

1 引言

我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展計(jì)劃已流入“十五”計(jì)劃并計(jì)入2010年發(fā)展規(guī)劃綱要，文件中訂立了鋼結(jié)構(gòu)用鋼達(dá)占全國(guó)鋼材總產(chǎn)量的4%～6%這一目標(biāo)，時(shí)至今日已經(jīng)達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)曾經(jīng)在建筑相關(guān)政策中規(guī)定嚴(yán)格的限制建筑中鋼結(jié)構(gòu)的使用，為實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，這一政策業(yè)已取消。不僅如此，明確提出在高層建筑、高聳型結(jié)構(gòu)建設(shè)、重型工業(yè)廠房的建設(shè)、大型建筑物以及大型設(shè)備的架構(gòu)中多加應(yīng)用，這一推廣政策不僅帶動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)加工行業(yè)以及安裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑行業(yè)的技術(shù)升級(jí)實(shí)現(xiàn)了建筑的大跨度結(jié)構(gòu)、高層超高層結(jié)構(gòu)，而建筑用鋼材也逐漸進(jìn)入了新的階段，鋼材的高強(qiáng)化、低屈服點(diǎn)、低屈服比以及板厚化、鋼材專用化方向發(fā)展著。本文就建筑用鋼的強(qiáng)度硬度熱處理展開(kāi)研究。

2 鋼結(jié)構(gòu)中鋼材的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為求保證建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)于空間的充分利用以及建筑外觀的造型要求，建筑業(yè)對(duì)于新型鋼結(jié)構(gòu)的性能需求也變得多樣化。鋼鐵產(chǎn)業(yè)為此投入了大量的人力物力，用于研發(fā)高性能結(jié)構(gòu)用鋼，并為這類鋼材附加了很多規(guī)格外的性能保障。鋼結(jié)構(gòu)耐火性能一直是結(jié)構(gòu)可靠性的重要因素，而傳統(tǒng)常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)耐火性能都比較差，一般是采用耐火涂料來(lái)加強(qiáng)鋼材的耐火性，但耐火被覆的成本過(guò)高。為減少耐火等級(jí)提升成本，研發(fā)了耐火鋼。為提高鋼結(jié)構(gòu)的耐震性能，低屈服比的結(jié)構(gòu)用鋼也應(yīng)運(yùn)而生。下文就低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼進(jìn)行分析研究。

3 低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼

鋼材的屈服比是鋼材屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的比值，鋼材屈服比的大小能夠反映鋼材在進(jìn)行塑性形變時(shí)應(yīng)變不會(huì)過(guò)于集中的性能。結(jié)構(gòu)用鋼其本身的屈服比YR、屈服點(diǎn)拉伸EL、均勻伸縮率Eu以及產(chǎn)生應(yīng)變的硬化指數(shù)n這四項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如下：

以上兩式中可見(jiàn)鋼材的屈服比越低，鋼材的均勻伸長(zhǎng)率也就越高，均勻伸長(zhǎng)率的提升直接導(dǎo)致了材料在受到破壞前的穩(wěn)定塑形能力的提高。這樣縱然是結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生失穩(wěn)等狀況時(shí)，也不會(huì)發(fā)生突發(fā)情況最后導(dǎo)致倒塌或斷裂。

而通過(guò)對(duì)于結(jié)構(gòu)的分析，假設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的梁在受到地震作用下所產(chǎn)生的等梯度力矩M，那么梁在收到破壞之前能夠擴(kuò)散的塑形應(yīng)變范圍為：

從上式中可以發(fā)現(xiàn)，鋼材的屈服比越低，鋼材的塑性變形分配的就越是均勻，這樣就能夠避免結(jié)構(gòu)受集中力作用產(chǎn)生突發(fā)變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性破壞。

4 控溫控軋技術(shù)（TMCP）

控溫控軋技術(shù)的出現(xiàn)是鋼材性能升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠通過(guò)控溫設(shè)備并且能夠在性能需求下控制鋼材的加熱溫度，并且在軋制過(guò)程中也能夠控制溫度。軋制結(jié)束后對(duì)于鋼材的冷卻溫度變化也能夠進(jìn)行控制，這樣的加工工序能夠制造出多種含有多種化學(xué)成分的鋼材，并且能為鋼材賦予適用多種條件下建筑的性能。

曾有研究提出，鋼材的屈服比密切的與鋼材本身強(qiáng)度等級(jí)以及生產(chǎn)制備過(guò)程相關(guān)。以50kg等級(jí)的鋼材為例，此等級(jí)的鋼材屈服強(qiáng)度介于300～400MPa?？刂栖堁踊蚴沁M(jìn)行控溫軋制（TMCP）生產(chǎn)出的鋼材能夠?qū)⑶葒?yán)格控制在0.8之下。也有例外，一但需要將鋼材的強(qiáng)度等級(jí)提升至55kg時(shí)，此時(shí)的屈服強(qiáng)度應(yīng)為400～480MPa時(shí)，僅能夠利用控溫軋制來(lái)保證。因?yàn)殇摪逶谲堉浦?，晶粒?xì)化的時(shí)候們同樣會(huì)使得變韌鐵以及麻田散鐵等高韌性的鋼材成分產(chǎn)生，這樣能夠提高鋼材的抗拉強(qiáng)度，從而保證鋼材屈服比低于0.8。當(dāng)前我國(guó)結(jié)構(gòu)用鋼板主要是50kg級(jí)的鋼材，雖然這類鋼材的屈服比能夠保證低于0.8，但建筑鋼結(jié)構(gòu)的高度仍在不斷攀升。在建筑領(lǐng)域，55kg以及60kg強(qiáng)度的鋼材需求已經(jīng)遠(yuǎn)高于產(chǎn)量，利用控溫控軋技術(shù)生產(chǎn)的鋼材，能夠在冷卻制程不過(guò)冷且保障強(qiáng)度的提高，屈服強(qiáng)度還能夠維持在0.8以內(nèi)。今后在低屈服比架構(gòu)用鋼的研發(fā)中，應(yīng)當(dāng)重視60kg強(qiáng)度等級(jí)以上的產(chǎn)品。

5 總結(jié)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科研水平的發(fā)展，我國(guó)重工業(yè)正在逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、高新化。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程也很快。不僅是重工業(yè)，建筑業(yè)的發(fā)展也極快，形態(tài)各異的建筑以及超高層建筑也出現(xiàn)在了城市之中。為提高建筑物的安全性、抗震性、美觀度，建筑鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)融入了城市的角角落落。鋼結(jié)構(gòu)本身的輕質(zhì)高強(qiáng)、低成本、短工期等特性也為建筑行業(yè)帶來(lái)了新的活力，我國(guó)不管是政策推廣還是業(yè)內(nèi)的重視都與日俱增。反觀國(guó)外發(fā)達(dá)地區(qū)與國(guó)家，建筑業(yè)將會(huì)是鋼材使用的重要市場(chǎng)之一，建筑中不論是高層結(jié)構(gòu)中對(duì)于鋼材的應(yīng)用，還是在混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的使用都在不斷的增加。為更好的服務(wù)建筑市場(chǎng)，推動(dòng)建筑行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，鋼材加工業(yè)也需要與時(shí)俱進(jìn)，研發(fā)新型高性能鋼材。建筑以及冶金業(yè)兩個(gè)行業(yè)間需要相輔相成，共同進(jìn)步，推動(dòng)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

[1]錢百年,國(guó)旭明,李晶麗,于少飛.新型鋼鐵材料焊接研究進(jìn)展[A].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).第十次全國(guó)焊接會(huì)議論文集(第1冊(cè))[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì),2001(6).

[2]韓志勇,張明達(dá),徐海峰,董瀚,曹文全.高性能汽車鋼組織性能特點(diǎn)及未來(lái)研發(fā)方向[J].鋼鐵,2016(2):1～9.

[3]曹文全,徐海峰,張明達(dá),董瀚,翁宇慶.新型低密度高強(qiáng)高韌熱軋層狀鋼研發(fā)[J].鋼鐵,2016(9):1～10.