高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼研究現(xiàn)狀及其在抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)用問題

曾 凡 碩

(黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)點(diǎn)

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在工程建設(shè)中的應(yīng)用不僅能夠有效的節(jié)約成本，還能夠?yàn)榇笮偷膹?fù)雜結(jié)構(gòu)提供合理的解決方案，從而確保工程建設(shè)的順利進(jìn)行。具體來說，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。與普通的鋼材相比，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼能夠在同一受力條件下采用更小的截面尺寸，從而減少鋼材的使用量。此外，當(dāng)恒荷載中結(jié)構(gòu)自重所占比例較大時(shí)，也可以采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來減少用鋼量，從而有效的降低建設(shè)成本。2)可以有效的解決大型構(gòu)件運(yùn)輸與吊裝等問題。對于受力加大的構(gòu)件而言，其在運(yùn)輸和吊裝的過程中可能會出現(xiàn)一些困難，而要想解決這一困難，我們可以通過采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來減小構(gòu)件的截面，這樣構(gòu)件的質(zhì)量也就在一定程度上減輕了，從而輕松的解決了大構(gòu)件的運(yùn)輸和吊裝問題。此外，在遇到構(gòu)件厚板焊接難題的時(shí)候，也可以采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這樣也能夠減少焊接的工作量，從而提高工作效率。3)能夠增加高層建筑的使用面積。在高層或者超高層的建筑工作中，可以利用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來減小柱的截面尺寸，這樣就能夠有效的增加高層建筑物的有效使用面積。此外，這一方法還可以用在結(jié)構(gòu)底層以及地下停車庫的建筑中去，從而有效的增加其使用面積。4)能夠有效的減小結(jié)構(gòu)的地震作用。在建筑施工中采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼能夠降低結(jié)構(gòu)的自重，這樣就能夠減少上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的作用力，從而降低基礎(chǔ)造價(jià)。除此以外，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼還能夠應(yīng)用于抗震設(shè)防區(qū)結(jié)構(gòu)中去，從而減小結(jié)構(gòu)的地震作用，這樣的抗震結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)有效。

2 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的研究現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段雖然高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼建筑已經(jīng)開始應(yīng)用于我國的建筑行業(yè)中，但是受技術(shù)、材料等方面因素的制約，其應(yīng)用還不夠廣泛。對此，我國也逐漸認(rèn)識到高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼對建筑業(yè)發(fā)展的促進(jìn)作用，并對建筑工程中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的梁與柱的設(shè)計(jì)模式、數(shù)據(jù)計(jì)算公式以及鋼材料的整體穩(wěn)定性等加強(qiáng)了相關(guān)的研究力度，并制定出了相應(yīng)的計(jì)算方法和公式。目前來說，我國許多的企業(yè)也通過相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，開發(fā)出了符合我國建筑行業(yè)所需的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，并將其投入到相應(yīng)的建筑工程施工項(xiàng)目中去，但是由于我國對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的研究起步較之于發(fā)達(dá)國家來說比較晚，所以還存在著許多的問題，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)種類少。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的種類少是現(xiàn)階段我國面臨的主要問題，由于我國的生產(chǎn)模式缺乏系統(tǒng)性，這樣就使鋼結(jié)構(gòu)工程在選擇的過程中沒有過多的選擇余地，現(xiàn)階段我國較多使用的是Q235和Q345這兩種普通的鋼材，對強(qiáng)度高于420 MPa的鋼材生產(chǎn)較少，這很難滿足工程建筑的施工要求。

2)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量評價(jià)體系不完善。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量評價(jià)體系不僅是評判生產(chǎn)廠家高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是確保我國高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。但是在現(xiàn)階段，我國還沒有建立完善的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的質(zhì)量評價(jià)體系，這樣就導(dǎo)致生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)的過程中，受設(shè)備以及技術(shù)等的影響而生產(chǎn)出質(zhì)量參差不齊的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這些材料一旦在工程施工中使用，就會對整個(gè)工程的質(zhì)量造成威脅。

3)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)不明確。在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)過程中，由于缺少對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的抗力分項(xiàng)系數(shù)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，就會使得工程設(shè)計(jì)受到嚴(yán)重的影響，從而影響高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在工程建筑施工中的應(yīng)用。

4)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼連接技術(shù)不完善。當(dāng)前在我國的建筑工程施工中所使用到的連接技術(shù)主要為焊接和螺栓連接這兩種，但是在生產(chǎn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的過程中，許多生產(chǎn)廠家沒有考慮到這一點(diǎn)，從而使其所生產(chǎn)出來的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼不能與這兩種技術(shù)進(jìn)行良好的結(jié)合。此外，在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)中，由于材料中碳元素的含量比較少，這就使得高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼有較好的韌性和焊接性能，但是由于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中所含的合金成分是不同的，其在焊接的過程中所使用的材料也要不同，若在焊接的過程中，不能注意到這一點(diǎn)，就會嚴(yán)重的影響到工程建筑的施工質(zhì)量。

5)國家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范較少。由于我國對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的研究還處于起步階段，在研究的過程中還沒有對其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行完善，導(dǎo)致高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在生產(chǎn)和使用的過程中進(jìn)行不斷的研究和分析后才可以投入使用。這樣一來不僅耗費(fèi)了較多的時(shí)間，其可靠性也不高，從而限制了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在我國建筑行業(yè)的使用。

3 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用

在現(xiàn)階段的建筑施工中，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)勢逐漸的凸顯出來，其在抗震方面的優(yōu)勢與鋼筋混凝土相比占有絕對的優(yōu)勢，其能夠有效的降低地震對建筑物所造成的傷害。但是如果在建筑的過程中不能合理的使用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，則同樣也會出現(xiàn)倒塌的現(xiàn)象，為了減少因建筑物倒塌而對人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成的嚴(yán)重后果，我們要加強(qiáng)對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼抗震性能以及抗震設(shè)計(jì)方法的研究，并在設(shè)計(jì)中對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的使用方法做出詳細(xì)的規(guī)定，從而使其更好的應(yīng)用于建筑工程施工中去。而高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用則主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 抗震設(shè)防區(qū)對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的要求

在研究中我們首先對抗震設(shè)防區(qū)對結(jié)構(gòu)用鋼的要求進(jìn)行了簡單的研究，通過對比不同牌號的鋼材力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，隨著鋼材屈服強(qiáng)度的不斷提高，鋼材的屈強(qiáng)比就會增大，這樣鋼材的極限應(yīng)變就會減少(如圖1所示)。所以，為了更好的確?？拐鹪O(shè)防區(qū)鋼結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件具有足夠的塑變性能和耗能能力，主要通過了GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對結(jié)構(gòu)用鋼的材料屈強(qiáng)比、斷后伸長率等力學(xué)性能進(jìn)行了嚴(yán)格的要求。

但是隨著鋼材生產(chǎn)工藝的不斷提高，出現(xiàn)了以熱機(jī)械控制軋制工藝，這一工藝交貨狀態(tài)提高了鋼材的強(qiáng)度，且其碳含量低，具有良好的可焊性。所以，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的屈強(qiáng)比在一定程度上體現(xiàn)了鋼材的強(qiáng)度儲備，同時(shí)也對構(gòu)件的變形能力產(chǎn)生了影響。此外，其斷后伸長率也能夠體現(xiàn)材料的延性性能，這也是影響構(gòu)件與結(jié)構(gòu)延性的重要因素?？偠灾?，結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的延性對其抗震性能在一定程度上起著重要的作用。

3.2 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在地震設(shè)防區(qū)的設(shè)計(jì)思路

建筑抗震設(shè)計(jì)中較多采用的是“三水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)”。這一設(shè)計(jì)方式主要分為兩個(gè)階段，第一階段的設(shè)計(jì)多為地震作用下對結(jié)構(gòu)的承載能力、彈性變形等進(jìn)行驗(yàn)算，其目的主要是為了減少地震對建筑物的損害。第二階段的設(shè)計(jì)則主要是為罕見大地震作用下對結(jié)構(gòu)薄弱部位彈塑性變形進(jìn)行計(jì)算，從而有效的預(yù)防大地震對建筑物的損害。除此以外，還應(yīng)該使結(jié)構(gòu)具備足夠的延性，使其滿足大震作用下的變形與耗能要求。

首先，我們應(yīng)該提高延性較差的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的地震作用(如圖2所示)。對于那些延性較好的結(jié)構(gòu)，可以用塑性變形耗能以及耗散地震作用能量的方式來防止建筑物發(fā)生坍塌，其結(jié)構(gòu)的承載力可以稍微設(shè)計(jì)的低一些；而對于那些延性不好的結(jié)構(gòu)，其承載力應(yīng)該設(shè)計(jì)的高一些，這樣在設(shè)計(jì)地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性需求就可以相對的降低一些。

其次，要限制高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件使其達(dá)到屈服。也就是說要合理的控制高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的塑性鉸出現(xiàn)的位置和順序，并通過延性構(gòu)件屈服后的耗能來確保非延性構(gòu)件能夠在大地震的作用下處于彈性階段，這樣才能夠使建筑物在大地震的作用下不會發(fā)生坍塌的現(xiàn)象。對此，在設(shè)計(jì)的過程中，我們應(yīng)該要求結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力和耗能能力，并采用半剛性框架結(jié)構(gòu)。此外，為了確保高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼具備一定的能力來抵抗地震作用以及在地震作用下有足夠的耗能能力，還可以設(shè)置抗側(cè)力耗能構(gòu)件，并根據(jù)不同的抗側(cè)力體系來選擇低屈服點(diǎn)。