超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用分析

韓振華 黃雙喜

摘 要：對我國鋼結(jié)構(gòu)工程中超高強度鋼材應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析，從超高強度鋼材的種類、化學(xué)成分及力學(xué)性能等方面進(jìn)行介紹，分析超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面應(yīng)力及初始缺陷對整體受壓穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示，與普通鋼材相比，超高強度鋼材軸心受壓鋼柱的整體穩(wěn)定性更高，承載力更強，強度優(yōu)勢非常明顯。在實際應(yīng)用中，結(jié)合國內(nèi)外多項建筑結(jié)構(gòu)及超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，分析我國工程中對超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超高強度鋼材；鋼結(jié)構(gòu)；工程；應(yīng)用

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0168-02

Abstract： This paper analyzes the feasibility of the application of ultra-high strength steel in steel structure engineering in China， and introduces the types， chemical composition and mechanical properties of ultra-high strength steel. The influence of section stress and initial imperfection on the compressive stability of ultra-high strength steel structure members is analyzed. The results show that， compared with ordinary steel， ultra-high strength steel axial compression steel column overall stability is higher， bearing capacity is stronger， the strength advantage is very obvious. In practical application， based on the advantages of many building structures and ultra-high strength steel structures at home and abroad， the application prospects of ultra-high strength steel structures in domestic engineering are analyzed.

Keywords： ultrahigh strength steel； steel structure； engineering； application

自鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以來，其發(fā)展與生產(chǎn)工藝、材料性能有直接關(guān)系，在應(yīng)用中也不斷改善，使鋼結(jié)構(gòu)的使用性能、承載力及經(jīng)濟性能得到提升，促使鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展。近年來，隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，鋼材的加工性能及強度都極大提升，所匹配的超高強度鋼材在韌性、延性及強度等方面的焊接技術(shù)、焊縫金屬材料也日漸成熟，滿足加工制作需求，使得鋼結(jié)構(gòu)施工中對超高強度鋼材的應(yīng)用效果得到不斷提升。

1 超高強度鋼材材料性能

上世紀(jì)40年代中期，超高強度鋼材出現(xiàn)，由淬火與低溫回火技術(shù)生產(chǎn)而來的高強度鋼材，抗拉強度達(dá)到1900MPa，且隨著技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到提升[1]。上世紀(jì)50年代，我國超高強度鋼材出現(xiàn)。根據(jù)沖擊韌性的不同，將超高強度鋼材可分為三個級別：Q、QL、QL1，詳見表1：

從超高強度鋼材的化學(xué)成分來看，不同級別鋼材，在硅、碳、錳、硼、氮、鎳等成分含量上無較大差異，而在硫和磷的含量上，差異性較大。隨著沖擊韌性的增強，磷的含量逐漸降低，而硫的含量逐漸升高。在低溫環(huán)境下，超高強度鋼材仍然可抵御一定的沖擊，從相關(guān)試驗結(jié)果來看，在0℃環(huán)境下，Q級超高強度鋼材最小沖擊功為30J，QL級為35J，QL1級為40J。而不同級別鋼材在保持性能一樣時的最低溫度極限也不同，Q級為-20℃、QL基為-40℃、QL1級為-60℃。

2 超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

研究顯示，軸心受壓條件相同時，超高強度鋼材鋼柱的整體極限承載達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，其穩(wěn)定性系數(shù)（極限應(yīng)力與屈服強度比值）比普通強度鋼材鋼柱同等截面與長度下要高出很多，主要是由于構(gòu)件的初始缺陷對超高強度鋼材鋼柱的影響非常小[2]。關(guān)于初始缺陷的影響，相關(guān)研究顯示，在幾何初始缺陷相同的條件下，計算與對比235MPa和690MPa兩種H型截面軸心受壓鋼柱的整體穩(wěn)定承載力，顯示690MPa超高強度鋼材的整體穩(wěn)定系數(shù)更大，即強度更高[3]?？梢?，與普通鋼材相比，超高強度鋼材的優(yōu)勢更加明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 經(jīng)濟性

超高強度鋼材的應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)重量減輕、構(gòu)件尺寸減小，相應(yīng)的焊接材料及焊接工作量降低，防火、防銹涂層材料用量減少，工作量降低，施工安裝更簡單，鋼結(jié)構(gòu)加工、運輸及安裝的成本均得到有效降低[4]。同時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的減少，可使建筑室內(nèi)凈空間增大，鋼板厚度的縮小使焊縫厚度及焊縫質(zhì)量更容易控制，可有效延長構(gòu)件的使用壽命，提高工程的綜合效益。

2.2 符合可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)要求

超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的使用，使鋼材的用量減少，從而使原礦石材料的消耗量也相應(yīng)的減少。此外，在防火、防銹及焊接等方面，以往的消耗量較大，此類材料均由不可再生的礦物材料制成，用量的減少也會使此類不可再生資源消耗量降低，進(jìn)一步使資源開采量下降，對環(huán)境保護(hù)有重要作用，符合我國當(dāng)前工業(yè)發(fā)展從傳統(tǒng)高能源消耗發(fā)展模式向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、效益優(yōu)先型的發(fā)展模式過渡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[5]。

2.3 有利于國民生產(chǎn)總值的增加

在我國能源消耗結(jié)構(gòu)中，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的消耗量非常大，一定程度上促進(jìn)了我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，但背后所出現(xiàn)的環(huán)境污染問題、能源消耗嚴(yán)重的問題也不容忽視，此類問題的存在對鋼鐵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的增長有阻礙的作用[6]。而隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展，超高強度鋼材的出現(xiàn)，極大地減低了因冶煉造成的環(huán)境破壞程度，同時也降低了能源消耗，應(yīng)用前景也變得廣闊，為國民生產(chǎn)總值的提升提供了有利條件。

3 超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

3.1 國內(nèi)應(yīng)用

北京2008年奧運會主場館鳥巢設(shè)計采用超高強度鋼材，由我國建筑設(shè)計師李興剛及國外知名建筑設(shè)計師德梅隆、雅克赫爾佐格共同設(shè)計，總造價達(dá)到22億多元。鳥巢結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在建設(shè)中，大量的Q460超高強度鋼材在鋼結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用。該類型鋼材屬于一種低合金高強度鋼，制造難度非常大。在鳥巢施工中，我國首次對Q460超高強度鋼材進(jìn)行應(yīng)用，使鳥巢鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了極大的提升。

3.2 國外應(yīng)用

（1）德國。德國的機械制造業(yè)、建筑業(yè)及汽車行業(yè)非常發(fā)達(dá)，建筑行業(yè)的快速發(fā)展使得鋼結(jié)構(gòu)建筑類型在諸多知名建筑中被應(yīng)用，也因此使高強度鋼材的應(yīng)用范圍非常廣泛。索尼中心大廈位于柏林，以鋼結(jié)構(gòu)建筑為主，屬于典型的鋼結(jié)構(gòu)建筑代表，大廈結(jié)構(gòu)比較特殊，部分樓層直接懸掛于屋頂上[7]。這就對屋頂桁架的強度提出了更高的要求，在鋼材選擇上，該工程選擇了S460與S690超高強度鋼材，前者強度為460MPa，后者強度為690MPa，兩種鋼材在屋頂桁架施工中的應(yīng)用，不但縮小了構(gòu)件的尺寸，使橫截面面積大大縮小，而且在低溫狀態(tài)下，屋頂桁架的性能能夠最大限度的發(fā)揮出來。

（2）日本。日本屬于島國，地處環(huán)太平洋地震帶上，所以該國地震災(zāi)害非常高發(fā)，對建筑的穩(wěn)定性提出了極高的要求。因此，日本諸多高層建筑中，鋼結(jié)構(gòu)施工中對超高強度鋼材的應(yīng)用非常普遍，其中以400～490MPa超高強度鋼材的使用比較多。施工中，超高強度鋼材的應(yīng)用可以使截面鋼板的厚度減小，進(jìn)而使焊縫縮小，焊接更容易控制質(zhì)量。同時結(jié)合日本地區(qū)針對地震頻發(fā)的問題，對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整，對建筑鋼結(jié)構(gòu)自振頻率進(jìn)行改變，防止在地震發(fā)生時，鋼結(jié)構(gòu)共振引起結(jié)構(gòu)性破壞。

4 結(jié)束語

與普通鋼材相比，超高強度鋼材的韌性、強度等性能更加出色，制造難度也相對較大。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，越來越注重能源的節(jié)約，與可持續(xù)發(fā)展的要求相符，超高強度鋼材在建筑工程中的應(yīng)用也越來越多。對于我國建筑行業(yè)而言，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，在實際工程中，應(yīng)借鑒其它國家先進(jìn)的施工經(jīng)驗，不斷提升自身技術(shù)水平，促使超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在我國更好的發(fā)展與應(yīng)用，提高建筑施工的綜合效益。

參考文獻(xiàn)：

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[6]陳冒權(quán)，柳文.高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的受力性能及民用工程應(yīng)用[J].上海建設(shè)科技，2015（04）：60-62.

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