超高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

瞿書敏

摘 要： 超高強(qiáng)度鋼憑借著良好的拉伸性、成形性等優(yōu)勢(shì)在當(dāng)前的建筑工程中應(yīng)用比較廣泛，其使得鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量得到了明顯的提升，為建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展起到了推動(dòng)作用?；诖?，本文就超高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用展開(kāi)研究，首先對(duì)其性能進(jìn)行了分析，其次對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用展開(kāi)論述，希望能夠?yàn)槌邚?qiáng)度鋼材應(yīng)用提供參考，以增加經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞： 超強(qiáng)度鋼材;鋼結(jié)構(gòu);工程應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G322 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B ? ? 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）05-0128-02

鋼結(jié)構(gòu)作為建筑工程的一種常用結(jié)構(gòu)，其性能直接影響著建筑工程的質(zhì)量。近些年，技術(shù)進(jìn)步使得鋼材制造水平也得到了發(fā)展，鋼材性能越發(fā)完善，在實(shí)際的建筑施工中被廣泛應(yīng)用，為我國(guó)建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展起到了推動(dòng)作用?，F(xiàn)階段，在建筑工程中，超高強(qiáng)度鋼材是其主要構(gòu)件，這種鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅降低了建筑成本，保證了建筑安全，同時(shí)也節(jié)約率建筑材料，具有環(huán)保作用，符合現(xiàn)代化建筑的發(fā)展要求。

1 超高強(qiáng)度鋼材性能

超高鋼材源自于上世紀(jì)40年代，其通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度鋼材實(shí)行淬火以及低溫回火工序來(lái)制作的，得到的鋼材抗拉強(qiáng)度達(dá)到190kgf/mm2。而隨著技術(shù)的發(fā)展，超高強(qiáng)度鋼材本身的性能也在持續(xù)提升，我國(guó)從上世紀(jì)50年代開(kāi)始生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼材[1]。這種鋼材的應(yīng)用不僅能夠增加建筑領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能夠?yàn)閲?guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

超高強(qiáng)度鋼材根據(jù)沖擊韌性劃分分成三個(gè)類別，分別為Q、QL、QL1;根據(jù)化學(xué)成本含量，三種鋼材差異不大，其中的碳、氮、硅、鎳等含量基本一致，含量有所差異的主要為磷和硫這兩種元素，磷勻速含量減少，鋼材沖擊韌性增強(qiáng)，硫元素增加，沖擊韌性增強(qiáng)。低溫環(huán)境中，超高強(qiáng)度鋼材具有一定抗沖擊性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，在0℃狀態(tài)下，Q級(jí)鋼材能夠承受的沖擊功率最小為30J，QL級(jí)鋼材的沖擊功率最小為35J，QL1級(jí)沖擊功率最小為40J[2]。同時(shí)，在各級(jí)別超高強(qiáng)度鋼槽中，其性能保持的溫度最低限度各有差異，三個(gè)級(jí)別的鋼材性能保持溫度分別為-20℃、-40℃、-60℃。此外，超高強(qiáng)度鋼材本身的抗震性也比較好，通過(guò)對(duì)Q460鋼材的截面鋼柱進(jìn)行荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其滯回曲線十分飽滿，具有較好的抗震性能，無(wú)斷裂現(xiàn)象，鋼板的厚度和軸壓直接影響了其抗震性。

2 超高強(qiáng)度鋼材應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

超高強(qiáng)度鋼材在使用時(shí)相較于其他鋼材強(qiáng)度而言更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)，使用的鋼材數(shù)量也更少，能夠節(jié)約資金。超高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)了以下幾方面：

2.1 節(jié)省建筑資金。超高強(qiáng)度鋼材由于強(qiáng)度大，施工時(shí)所使用的數(shù)量會(huì)隨之減少，進(jìn)而節(jié)省了建筑資金。同一部位施工人員能夠減少鋼材尺寸，其不僅會(huì)減少焊接量，同時(shí)也能夠減少場(chǎng)地，并大大減輕鋼材重量，減少材料運(yùn)輸費(fèi)用，為整個(gè)建筑工程的資源都起到節(jié)約作用。同時(shí)，超高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用可以用少量的鋼材滿足建筑結(jié)構(gòu)整體力學(xué)要求，彌補(bǔ)建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的問(wèn)題，簡(jiǎn)化鋼材整體設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.2 推動(dòng)環(huán)境保護(hù)。全球生態(tài)環(huán)境日益惡化，環(huán)境問(wèn)題十分突出，為了響應(yīng)國(guó)家持續(xù)發(fā)展要求，建筑行業(yè)也提出了節(jié)能環(huán)保材料的應(yīng)用。對(duì)于鋼材應(yīng)用而言，傳統(tǒng)的鋼材由于煉制時(shí)會(huì)使用大量的能源和材料，導(dǎo)致環(huán)境污染，資源用量大，不符合現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展要求。而超高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，響應(yīng)環(huán)境保護(hù)號(hào)召，降低能耗，提高資源利用率。

2.3 增加經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，相較于普通鋼結(jié)構(gòu)使用量而言，超高強(qiáng)度鋼材在建筑中大規(guī)模應(yīng)用能夠使鋼材使用量減少10wt，投資節(jié)省超過(guò)10億元。由此可見(jiàn)，在工程中應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼材能夠降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

3 超高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

3.1 德國(guó)索尼中心

德國(guó)在建筑、機(jī)械制造以及汽車等領(lǐng)域發(fā)展比較好。德國(guó)在很多著名建筑中都應(yīng)用了鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)，使用的超高強(qiáng)度鋼材規(guī)模也比較大。例如德國(guó)索尼中心大廈，如圖1所示，該建筑分為8部分，占地面積達(dá)到2.64萬(wàn)平方米，容納游客達(dá)到800萬(wàn)。該建筑結(jié)構(gòu)比較特殊，其中一部分位于屋頂桁架上，并懸掛其上，主要是用于保護(hù)桁架下方建筑[3]。屋頂桁架采用的鋼材就是超高強(qiáng)度鋼材，型號(hào)為S460和690，其強(qiáng)度值分別為460MPa和690MPa，這兩種型號(hào)的鋼材應(yīng)用不僅能夠使屋頂桁架具備低溫保持性能，同時(shí)也能夠縮減尺寸，使橫截面積減少，提高建筑的精巧性。

3.2 澳大利亞星城飯店

星城飯店位于澳大利亞悉尼，如圖2，該建筑既具有娛樂(lè)功能，同時(shí)也兼具酒店以及劇院功能，整個(gè)建筑共13層，其在鋼材方面的要求較高，為了能夠保證地下停車位數(shù)量達(dá)到2500，需要保證地下停車場(chǎng)的柱子直徑不可過(guò)大，這就需要使用超高強(qiáng)度鋼材與混凝土結(jié)合制作組合柱，既能夠保證柱子的承重力，同時(shí)也能夠減小其占據(jù)面積，滿足地下停車場(chǎng)的建筑要求[4]。

3.3 中國(guó)鳥巢

鳥巢位于中國(guó)北京，如圖3，其為國(guó)家體育場(chǎng)，作為2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主要場(chǎng)所之一，是由國(guó)際知名建筑設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)建造的，造價(jià)超過(guò)22億元。該建筑的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中的鋼結(jié)構(gòu)大部分都是炒高強(qiáng)度鋼材，采用的型號(hào)為Q460強(qiáng)度的鋼材，這一鋼材為低合金高強(qiáng)度鋼，本身制造難度大，施工困難，但是，該鋼材的應(yīng)用也是的鳥巢的鋼結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，提高了建筑的整體質(zhì)量。

3.4 日本建筑

日本處于地震帶上，地震頻發(fā)，為應(yīng)對(duì)這一災(zāi)害，日本建筑在穩(wěn)定性上提出的要求很高，因此，日本很多建筑使用的鋼結(jié)構(gòu)都是超高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)。如圖4。日本建筑中應(yīng)用的鋼材強(qiáng)度一般處于400-490MPa之間，施工時(shí)，利用這種鋼材可以使鋼板截面厚度縮小，減少焊接縫，使鋼板整體承重力提升。同時(shí)，施工人員通過(guò)調(diào)整建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使鋼結(jié)構(gòu)自振頻率發(fā)生變化，這樣能夠避免地震發(fā)生時(shí)因?yàn)楣舱駥?dǎo)致建筑被破壞[5]。

3.5 法國(guó)米高大橋

法國(guó)米高大橋?qū)儆谛崩鐦?，如圖5所示，其高度為343米，橋面長(zhǎng)度為2460米，橋面分為6個(gè)主跨與2個(gè)輔跨結(jié)構(gòu)，橋面主梁以及連接構(gòu)件采用的鋼材是超高強(qiáng)度鋼材，其型號(hào)為S460，相較于普通鋼結(jié)構(gòu)而言，這種鋼材的鋼板截面以及焊縫尺寸等都有所縮小，同時(shí)，在整個(gè)橋梁重量固定的情況下，整體承受力有所提升，且結(jié)構(gòu)本身比較輕，承重力少，橋梁使用壽命大大延長(zhǎng)，同時(shí)也減少了焊接作業(yè)，提高了施工速度，降低了施工成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益作用。

3.6 高鐵道路

在高鐵道路中，超高強(qiáng)度鋼材也有所應(yīng)用，為了滿足高速運(yùn)行列車的運(yùn)行軌道前度要求，避免列車由于速度過(guò)快導(dǎo)致軌道變形，需要在鐵軌建設(shè)時(shí)應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼材，其不僅能夠保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也能夠憑借著良好的性能保證高鐵運(yùn)行穩(wěn)定、安全。如圖6.

4 超高強(qiáng)度鋼材工程應(yīng)用發(fā)展方向

超高強(qiáng)度鋼材在工程應(yīng)用中的效果比較好，但是由于這一技術(shù)仍然需要完善，在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)上存在不完善的地方，影響了鋼材的應(yīng)用。因此，在后續(xù)的推廣應(yīng)用中，其仍然需要進(jìn)一步完善，豐富鋼材種類，特別是強(qiáng)度超過(guò)420MPa的鋼結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化生產(chǎn)，使其能夠與工程建設(shè)需求相符，并為施工企業(yè)創(chuàng)造更多選擇。同時(shí)，還需要加大技術(shù)研究，建立健全質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，對(duì)超高強(qiáng)度鋼材質(zhì)量進(jìn)行全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，提高其質(zhì)量，為施工建設(shè)奠定基礎(chǔ)。此外，對(duì)鋼材性能指標(biāo)進(jìn)行完善，使其能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)，并創(chuàng)新鋼材連接技術(shù)，提高連接質(zhì)量，使超高強(qiáng)度鋼材更能夠符合工程建設(shè)實(shí)際應(yīng)用要求。

結(jié)束語(yǔ)：相較于普通鋼材而言，超高強(qiáng)度鋼材性能出色，能夠增加經(jīng)濟(jì)效益，且與我國(guó)的持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相符，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用，但是，這種鋼材的制造難度比較大，需要進(jìn)一步加大力度研究，使其能夠在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上提高制造效率，降低制造難度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用?，F(xiàn)階段，超高強(qiáng)度鋼材在國(guó)內(nèi)外建筑中都有所應(yīng)用，且應(yīng)用范圍比較廣，相關(guān)工藝和經(jīng)驗(yàn)也已經(jīng)逐漸成熟，我國(guó)可以積極借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家豐富的建筑經(jīng)驗(yàn)，提高建筑水平，為其在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

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