高性能結(jié)構(gòu)鋼材與鋼結(jié)構(gòu)體系研究與應(yīng)用*

石永久，余香林，班慧勇，彭耀光

(1 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；2 百安力鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用科技有限公司，珠海 519040)

0 前言

《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出,“十四五”期間我國的城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)要大力推廣綠色建材，發(fā)展裝配式建筑和鋼結(jié)構(gòu)住宅，建設(shè)低碳城市。“十三五”期間”我國通過“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”重點(diǎn)研發(fā)計劃，研發(fā)了高性能交通與建筑用鋼(包括建筑結(jié)構(gòu)用抗震耐蝕耐火鋼、高性能橋梁用鋼等)，顯著提升了結(jié)構(gòu)鋼材的性能[1]。2020年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等九部委聯(lián)合頒布了“關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見”，提出了加大熱軋H型鋼、耐候鋼和耐火鋼等高性能結(jié)構(gòu)鋼材(HPS)應(yīng)用的發(fā)展方向。

冶金行業(yè)經(jīng)過長期的研究和開發(fā)，高性能結(jié)構(gòu)鋼材的生產(chǎn)技術(shù)已步入成熟，產(chǎn)品性能逐漸穩(wěn)定，亟待在城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)開展高性能鋼材應(yīng)用技術(shù)研究，以充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)鋼材自身的高強(qiáng)、抗災(zāi)、環(huán)保等優(yōu)勢，進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)體系的腐蝕耐久性、耐高溫和抗火能力。目前高性能結(jié)構(gòu)鋼材的發(fā)展趨勢是：1)提高材料強(qiáng)度，大量應(yīng)用屈服強(qiáng)度fy達(dá)到或超過460MPa的結(jié)構(gòu)鋼材；2)提高型鋼截面效率，采用大尺寸熱軋H型鋼或大尺寸厚壁管材，減少鋼結(jié)構(gòu)加工的焊接工作量，更多采用螺栓連接；3)提高材料的綜合性能，推廣具有耐高溫、耐腐蝕、高延伸率、低屈強(qiáng)比、強(qiáng)度波動小、更好可焊性、抗沖擊能力的結(jié)構(gòu)鋼材。

1 高性能結(jié)構(gòu)鋼材的基本特征

1.1 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材

在城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域中，鋼材的屈服強(qiáng)度fy達(dá)到或超過460MPa時稱為高強(qiáng)鋼材，更高強(qiáng)度鋼材的fy可達(dá)到960MPa。隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高，鋼材的伸長率下降，一般會低于20%，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不再有明顯的屈服平臺，且材料的屈強(qiáng)比fy/fu大于0.85。因此，需要從發(fā)揮強(qiáng)度高的優(yōu)勢、避免塑性低的劣勢角度，研究和應(yīng)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材。

2008年北京奧運(yùn)會的體育場館工程建設(shè)開啟了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材在建筑工程中推廣應(yīng)用的時代[2]。目前采用屈服強(qiáng)度460MPa鋼材的鋼結(jié)構(gòu)工程日漸增多，并開始推薦使用屈服強(qiáng)度500，590，620，690MPa等更高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼材，我國已修訂和編制了應(yīng)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，隨著冶金和煉鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的成本不斷降低，高強(qiáng)度鋼材大量用于建筑結(jié)構(gòu)工程的時機(jī)已經(jīng)來臨。

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材在大幅度提高材料強(qiáng)度的同時，可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)體系綜合性能的提高，例如，可顯著減小鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)重量，相應(yīng)地減少焊接工作量和焊接材料用量，減少各種涂層(防銹、防火等)的用量及其施工工作量，同時降低了鋼結(jié)構(gòu)的加工制作、運(yùn)輸和施工安裝成本，減少碳排放。在建筑物使用方面，減小構(gòu)件尺寸能夠帶來更大的使用空間。

1.2 耐候鋼

在結(jié)構(gòu)鋼材中加入適量的Cr，Ni，Cu等元素后，鋼材在大氣環(huán)境下發(fā)生銹蝕時可在鋼材表面形成密實(shí)的銹層，阻礙銹蝕向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散和發(fā)展，可大幅度減緩鋼材的銹蝕速度，從而提高鋼材的腐蝕耐久性，這種鋼材稱為耐候鋼或耐蝕鋼。

耐候鋼的抗大氣腐蝕能力比普通鋼材可提高2～8倍，大幅度提高結(jié)構(gòu)的耐久性，減少或免除防銹蝕涂裝，采用耐候鋼的鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)維成本也會大幅度降低。國內(nèi)外一般采用耐大氣腐蝕性耐候指數(shù)Ⅰ評價結(jié)構(gòu)鋼材的耐候性，耐候指數(shù)Ⅰ與化學(xué)成分含量有關(guān)，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM G101建議按下式計算：

Ⅰ=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)-17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-3.9(%Cu)2

一般認(rèn)為耐候鋼的耐腐蝕性指數(shù)Ⅰ應(yīng)不小于6.0。

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《耐候結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 4171—2008)規(guī)定了Q235NH～Q550NH耐候鋼的材性要求?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 714—2015)規(guī)定了Q345qNH～Q550qNH橋梁耐候鋼的材性要求。正在編制的CECS標(biāo)準(zhǔn)《建筑用耐蝕鋼》，按照耐一般大氣、耐海洋大氣、耐特殊海洋大氣的耐腐蝕要求，把鋼材的耐腐蝕等級分為C1～CX級，規(guī)定了Q235NHX～Q550NHT的鋼材強(qiáng)度等級。

1.3 耐火鋼

普通結(jié)構(gòu)鋼材在200℃以上溫度環(huán)境中強(qiáng)度和彈性模量迅速降低。無防火保護(hù)鋼材的耐火極限僅為15min，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面溫度處于150℃以上時，必須采取隔熱和防火措施。如果在鋼材中添加適量Cr，Mo和Nb等合金元素，可以顯著提高鋼材的高溫強(qiáng)度。國際上一般認(rèn)為，當(dāng)鋼材受600℃高溫作用時，如果剩余屈服強(qiáng)度不低于常溫屈服強(qiáng)度的2/3，且鋼材可以承受更高溫度作用，稱之為耐火鋼。采用耐火鋼的鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)大幅度提高了結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全性，可減少或免除防火涂裝?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《耐火結(jié)構(gòu)用鋼板及鋼帶》(GB/T 28415—2012)規(guī)定了Q235FR～Q460FR耐火鋼的材性要求。

1.4 抗震耐蝕耐火鋼

“十三五”期間，我國通過“重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化”重點(diǎn)研發(fā)計劃，研發(fā)了新型建筑結(jié)構(gòu)用抗震耐蝕耐火鋼[1]，這種鋼材具有優(yōu)越的抗災(zāi)性能，其綜合性能指標(biāo)包括：常溫屈服強(qiáng)度fy20℃≥460MPa，600℃高溫屈服強(qiáng)度fy600℃≥(2/3)fy20℃，耐候指數(shù)Ⅰ>6，鋼材屈強(qiáng)比fy/fu≤0.85，斷后伸長率δ≥18%。同時研發(fā)了配套的焊材和螺栓連接材料。抗震耐蝕耐火鋼通過發(fā)揮材料的抗災(zāi)優(yōu)勢，為建筑鋼結(jié)構(gòu)的全生命周期抗震、抗火、耐腐蝕提供了可靠的解決方案。

高性能結(jié)構(gòu)鋼材的批量生產(chǎn)和應(yīng)用使建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)設(shè)計理念發(fā)生了根本性變革，需要提出發(fā)揮材料高性能優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計、施工技術(shù)，需要研究高性能材料本身的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，需要研究基本構(gòu)件及其連接的力學(xué)性能和抗災(zāi)性能，需要研究結(jié)構(gòu)體系的抗災(zāi)性能、耐久性、全生命周期性能，需要建立高性能結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計、制作、施工應(yīng)用技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 高性能結(jié)構(gòu)鋼材的基本力學(xué)特性

我國對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已有多年的歷史，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591—2018)規(guī)定了Q355～Q690等八個強(qiáng)度級別的高強(qiáng)度低合金鋼，覆蓋了屈服強(qiáng)度fy=355～690MPa的性能指標(biāo)?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》(GB/T 19879—2015)，規(guī)定了具有高強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度波動小、良好延性與焊接性能，并且厚度效應(yīng)低的綜合優(yōu)越性能鋼材，也稱為GJ鋼，包括了Q235GJ～Q690GJ九個強(qiáng)度等級建筑結(jié)構(gòu)用鋼板的性能。

在深入研究和應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材的基礎(chǔ)上，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)規(guī)定了Q460及以下強(qiáng)度等級的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，現(xiàn)行工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 483—2020)規(guī)定了應(yīng)用Q460～Q690高強(qiáng)度鋼材的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

美國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程AISC 360推薦了屈服強(qiáng)度等級為450，480，485，550，620，690MPa的高強(qiáng)度鋼材，歐洲的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3已將S460～S690級高強(qiáng)度鋼材列入，澳大利亞在高層和大跨度建筑中成功應(yīng)用屈服強(qiáng)度690MPa級高強(qiáng)度鋼材，開始研究采用690MPa級高強(qiáng)度鋼材的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，顯著降低了結(jié)構(gòu)的用鋼量和自重，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。日本目前正在開始研究將抗拉強(qiáng)度600～1 000MPa鋼材應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)抵抗地震破壞作用的能力[2]。當(dāng)前高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的應(yīng)用技術(shù)研究的重點(diǎn)是拓寬高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用范圍，在建筑或橋梁工程中采用Q500以及更高強(qiáng)度等級的鋼材[3]。

根據(jù)城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施綠色發(fā)展的理念要求，在2022年北京冬季奧運(yùn)會場館和配套設(shè)施建設(shè)中，開始推薦采用耐火鋼和耐候鋼等更加生態(tài)友好、低碳環(huán)保的高性能結(jié)構(gòu)鋼材[4]。目前國內(nèi)外對耐火鋼、耐候鋼等高性能鋼材及其配套連接材料的基本性能尚缺乏基礎(chǔ)性研究。本節(jié)以首都鋼鐵集團(tuán)和武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的新型耐火耐候鋼材和耐火螺栓材料為研究對象，采用試驗(yàn)和數(shù)值方法分析研究了耐火耐候鋼的常溫和高溫基本力學(xué)性能，初步揭示了耐火耐候鋼的抗火承載性能。

2.1 耐火耐候鋼材的高溫力學(xué)性能

石永久和班慧勇等[5-7]采用試驗(yàn)方法研究了首都鋼鐵集團(tuán)和武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的高性能鋼材常溫和高溫基本力學(xué)性能。

耐火耐候鋼的常溫和高溫拉伸試驗(yàn)分別按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：常溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)和《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.2—2015)執(zhí)行，拉伸試驗(yàn)采用先升溫后加載的方式，實(shí)測了耐火耐候鋼從20℃到900℃高溫范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣取自武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的10mm厚和1.2mm厚WGJ耐火耐候鋼板，以及首都鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的1.0mm厚SGJ耐火耐候鋼板。不同溫度下鋼材拉伸試驗(yàn)結(jié)果(圖1～3)表明，所測試的耐火耐候鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的非線性特征，在常溫和高溫狀態(tài)下均沒有明顯的屈服平臺。建議耐火耐候鋼的常溫和高溫屈服強(qiáng)度fy按0.2%殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力值f0.2確定。

圖1 WGJ耐火耐候鋼板(10mm厚)實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]

圖2 WGJ耐火耐候鋼板(1.2mm厚)實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線[6]

圖3 SGJ耐火耐候鋼板(1.0mm厚)實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線

耐火耐候鋼的彈性模量E和屈服強(qiáng)度fy隨溫度升高而逐步下降，但是在不高于300℃時屈服強(qiáng)度和彈性模量下降很少，說明耐火耐候鋼具有良好的耐熱和耐高溫性能。當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到600℃時，剩余屈服強(qiáng)度和彈性模量均超過常溫的60%。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到了武漢鋼鐵集團(tuán)WGJ耐火耐候鋼板(10mm厚)和首都鋼鐵集團(tuán)SGJ耐火耐候鋼板(1.0mm厚)在不同溫度下屈服強(qiáng)度f0.2,T和彈性模量ET的近似計算表達(dá)式[5-6]：

武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的WGJ耐火耐候鋼板(10mm厚)：

(1)

(2)

首都鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的SGJ耐火耐候鋼板(1.0mm厚)：

(3)

(4)

鑒于耐火耐候鋼的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，建議采用Ramberg-Osgood模型表征耐火耐候鋼在不同環(huán)境溫度T條件下的應(yīng)力σT-應(yīng)變εT關(guān)系(圖4和圖5)：

圖4 WGJ耐火耐候鋼板(10mm厚)計算應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]

圖5 SGJ薄板計算應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(5)

式中：ET，f0.2,T分別為環(huán)境溫度T時的耐火耐候鋼的彈性模量和名義屈服強(qiáng)度，按式(1)～ (4)計算；β，n為計算參數(shù)，通過非線性回歸方法求出。

2.2 耐火高強(qiáng)度螺栓的高溫力學(xué)性能

孟令野等[8]從首都鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的BFRW10耐火螺栓取樣制備材料拉伸試件，進(jìn)行常溫和不同高溫條件下的材料拉伸試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果(圖6)與普通高強(qiáng)度螺栓的材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。試驗(yàn)表明，耐火螺栓同樣具有良好的耐高溫性能，普通高強(qiáng)度螺栓在溫度600℃下材料的剩余屈服強(qiáng)度不到常溫強(qiáng)度下的20%，而耐火螺栓600℃下剩余屈服強(qiáng)度超過了常溫強(qiáng)度下的40%。此外，班慧勇等[9]對首都鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的10.9級耐火耐候高強(qiáng)螺栓的高溫力學(xué)性能及其本構(gòu)模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。

圖6 耐火螺栓材料實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線[8]

3 高性能鋼材基本構(gòu)件及其連接的高溫承載力

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)的基本規(guī)定，高性能鋼材結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接在高溫下進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，可采用耐火極限法、承載力法或臨界溫度法。

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)的耐火極限法要求，在設(shè)計荷載和火災(zāi)作用下鋼構(gòu)件及其連接的實(shí)際耐火極限td不應(yīng)小于設(shè)計耐火極限tm，即td≥tm。構(gòu)件設(shè)計耐火極限tm應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防火設(shè)計規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018年版)規(guī)定的建筑物分類和耐火等級確定，例如耐火等級為一級的建筑，要求柱、梁、樓板的耐火極限分別為3,2,1.5h。

構(gòu)件的實(shí)際耐火極限td可根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第1部分：通用要求》(GB/T 9978.1—2008)，通過試驗(yàn)方法實(shí)際測定。試驗(yàn)的升溫過程T一般采用國際通用的ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線：

T=T0+345lg(8t+1)

(6)

當(dāng)采用承載力法時，規(guī)定在設(shè)計耐火極限時間內(nèi)構(gòu)件及其連接的承載力設(shè)計值RdT不小于最不利荷載組合效應(yīng)Sm，即RdT≥Sm。《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)給出了荷載效應(yīng)組合Sm的計算方法，其計算結(jié)果近似于常溫狀態(tài)下正常使用極限設(shè)計的荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)組合。

如用臨界溫度法設(shè)計，《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)要求在設(shè)計耐火極限時間內(nèi)構(gòu)件及其連接的最高溫度Tm不應(yīng)高于臨界溫度Td，即Td≥Tm。對于采用高性能耐火耐候鋼設(shè)計的構(gòu)件或連接，三種方法均可用于評價無防火涂裝或少防火涂裝構(gòu)件或其連接的抗火性能。

3.1 耐火耐候鋼螺栓連接的高溫抗剪承載性能

孟令野等[8]對采用耐火耐候鋼和耐火鋼高強(qiáng)度螺栓的抗剪連接進(jìn)行了數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，采用先升溫后加載的方式進(jìn)行螺栓連接接頭的抗剪穩(wěn)態(tài)溫度試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。試驗(yàn)結(jié)果表明，不論是承壓型連接還是摩擦型連接，其抗剪承載都會隨著溫度的升高而下降，采用耐火鋼螺栓連接比普通高強(qiáng)度螺栓連接具有更高的抗高溫承載力，高溫狀態(tài)下具有較高的剩余強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到600℃時，承壓型連接的剩余抗剪承載力不低于常溫承載力的50%。圖8給出了螺栓連接在不同溫度T下的抗剪承載力折減系數(shù)kM[8]。

圖7 螺栓接頭抗剪試驗(yàn)曲線[8]

圖8 螺栓連接高溫抗剪承載力折減[8]

所以，高強(qiáng)度螺栓承壓型連接在高溫T下的抗剪承載力可按下式計算：

Rd T=kMRd

(7)

式中Rd為螺栓連接的常溫抗剪承載力，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)方法計算。

3.2 耐火耐候鋼受壓構(gòu)件的高溫承載性能

石永久等[5]對無防護(hù)涂裝耐火耐候鋼焊接工形截面軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。采用武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的WGJ耐火耐候鋼加工受壓構(gòu)件，進(jìn)行火災(zāi)爐高溫加載試驗(yàn)。采用先加軸向荷載后升溫的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第7部分：柱的特殊要求》(GB/T 9978.7—2008)的規(guī)定執(zhí)行。

以常溫受壓構(gòu)件的承載力為基礎(chǔ)，試驗(yàn)的初始軸力荷載比取R=0.2～0.8，試驗(yàn)爐內(nèi)采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加熱至受壓構(gòu)件失穩(wěn)，得到了受壓構(gòu)件的臨界溫度Td與軸向荷載比R關(guān)系(圖9)，以及高溫環(huán)境下軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φT(圖10)的計算公式[5]。

圖9 軸心受壓柱臨界溫度[5]

圖10 軸心受壓柱穩(wěn)定系數(shù)[5]

R=N/φ0Af

(8)

(9)

式中：R為受壓構(gòu)件的常溫軸向荷載比，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)方法計算；參數(shù)γ1～γ4為試驗(yàn)回歸系數(shù)。

研究表明，當(dāng)工作溫度不超過400℃時，采用耐火耐候鋼的軸心受壓構(gòu)件可按常溫進(jìn)行設(shè)計。

所以，利用《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)給出的公式(式(10))可以進(jìn)行火災(zāi)下軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性計算：

(10)

3.3 耐火耐候鋼組合樓板的高溫承載性能

與純鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有更大的結(jié)構(gòu)剛度和更好的抗火性能，石永久等[10]充分發(fā)揮耐火耐候鋼和組合結(jié)構(gòu)的雙重抗火優(yōu)勢，構(gòu)建了耐火耐候鋼閉口壓型鋼板組合樓板(圖11)。通過試驗(yàn)比較了無防火涂裝壓型鋼板對組合樓板抗火性能的影響?；馂?zāi)試驗(yàn)過程按照《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第5部分：承重水平分隔構(gòu)件的特殊要求》(GB/T 9978.5—2008)的要求進(jìn)行。

圖11 閉口壓型鋼板組合樓板

試驗(yàn)和數(shù)值分析表明，對于采用開口壓型鋼板的組合樓板，裸露的壓型鋼板在火災(zāi)升溫過程中的溫度基本與爐溫同步，30min就超過了800℃(圖12)，壓型鋼板本身基本失去了承載能力。當(dāng)采用閉口壓型鋼板時，由于壓型鋼板肋包裹在了混凝土樓板內(nèi)，在提高壓型鋼板與混凝土樓板之間粘結(jié)強(qiáng)度的同時，延緩了火災(zāi)下壓型鋼板的升溫幅度，90min時壓型鋼板肋頂處的最大溫升一般不超過400℃(圖13)，壓型鋼板本身仍具有較大的剩余承載力，使得無防火涂裝的組合樓板在火災(zāi)作用下的承載力大幅度提高。

圖12 組合樓板溫度分布示意[9]

圖13 壓型鋼板升溫過程[10]

閉口壓型鋼板組合樓板抗火試驗(yàn)結(jié)果[11] 表1

余香林等[11-12]采用武漢鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的耐火耐候鋼輥壓成型的壓型鋼板，進(jìn)行了無防護(hù)涂裝的組合樓板常溫和高溫承載性能試驗(yàn)研究，部分試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，包裹在混凝土內(nèi)的壓型鋼板肋頂升溫緩慢，未配置受力鋼筋的組合樓板耐火極限可達(dá)到1.5h以上[11]，且試驗(yàn)后殘余變形小，剩余承載力高[12]。因此，采用耐火耐候鋼閉口壓型板的組合樓蓋受到火災(zāi)作用時仍具有較高的承載力，保證了疏散和消防救援人員的安全，且火災(zāi)后無需拆除，簡單維修后即可恢復(fù)正常使用。

試驗(yàn)研究表明，采用耐火耐候鋼閉口壓型板的組合樓蓋可同時滿足常溫承載和高溫承載的抗災(zāi)安全設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了無需防護(hù)涂裝的高效能組合結(jié)構(gòu)。

4 高性能鋼材的應(yīng)用研究和工程展望

高強(qiáng)度、高性能鋼材已經(jīng)在國內(nèi)外多個建筑工程項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，證明了高性能鋼材的優(yōu)越力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用高強(qiáng)度、高性能鋼材，發(fā)展高性能鋼結(jié)構(gòu)體系提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

2022年北京冬奧會體育場館建設(shè)開啟了建筑用耐火耐候結(jié)構(gòu)鋼材的時代。例如，延慶賽區(qū)高山滑雪場、雪橇中心采用了Q355NHD建筑用耐候鋼[4]，首鋼滑雪大跳臺裁判塔采用SQ345FRW耐火耐候鋼[13]，大幅減少了防腐和防火涂裝以及后期的維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保和降低碳排放的高質(zhì)量發(fā)展理念。

閉口壓型鋼板組合樓板火災(zāi)后剩余承載力試驗(yàn)結(jié)果[12] 表2

美國在公路橋梁中大量應(yīng)用高性能鋼材為建造免涂裝，輕維護(hù)鋼橋提供了有益借鑒。我國在拉薩至林芝鐵路線上的藏木雅江特大橋采用Q345qENH和Q420qENH耐候橋梁鋼，北京-張家口高速公路上的官廳水庫特大橋采用了Q345qENH鋼板[3]，大規(guī)模建造免防腐涂裝鋼橋的時代已經(jīng)來臨[14]。

目前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)正在大規(guī)模編制各類鋼結(jié)構(gòu)的材料、連接、設(shè)計和施工的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該盡快將高性能鋼材的內(nèi)容逐步納入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程中，以便規(guī)范和指導(dǎo)工程應(yīng)用，促進(jìn)高強(qiáng)度和高性能建筑鋼結(jié)構(gòu)的健康發(fā)展，目前研究工作基礎(chǔ)還很薄弱，對高性能鋼材的基本理論和設(shè)計方法缺乏系統(tǒng)研究，對采用高強(qiáng)耐候耐火鋼的結(jié)構(gòu)體系，需要做更多的研究和示范應(yīng)用工作，高性能鋼-混凝土組合和混合結(jié)構(gòu)體系的研究尚處于起步階段。此外，基于復(fù)合型高性能鋼材(集高強(qiáng)度、高延性、耐蝕性和耐火性于一體)的構(gòu)件整體穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)抗震性能研究亦處于試驗(yàn)和理論分析階段[15-16]，待時機(jī)成熟，可用于替換傳統(tǒng)鋼構(gòu)件，以發(fā)揮其巨大優(yōu)越性。

5 結(jié)語

高性能鋼材已在建筑和橋梁工程中推廣采用，使鋼結(jié)構(gòu)工程行業(yè)充分認(rèn)識到了高強(qiáng)度和高性能鋼材的優(yōu)越性能和潛在發(fā)展前景，基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼材建立的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法難以適用于高性能鋼材結(jié)構(gòu)體系，需要研究高性能鋼材的基本力學(xué)性能，建立其結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)展體現(xiàn)高性能鋼材優(yōu)勢的新型結(jié)構(gòu)體系。本文在總結(jié)高性能鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出如下建議：

(1)新型鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和高性能鋼材產(chǎn)品的增加，對優(yōu)材優(yōu)用、合理選材提出了新的要求，現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對高強(qiáng)度和高性能鋼材的合理應(yīng)用缺乏必要規(guī)定，高性能鋼材如耐候鋼、耐火鋼在國內(nèi)難以有效推廣應(yīng)用，高性能鋼材及其連接的強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)等重要參數(shù)更需要長期統(tǒng)計分析和研究。

(2)國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀表明，需要大力發(fā)展新型高性能鋼結(jié)構(gòu)和高性能組合結(jié)構(gòu)體系，發(fā)展高性能鋼材與普通鋼材的混合結(jié)構(gòu)體系，發(fā)展新的制作加工工藝和焊接材料以體現(xiàn)高性能鋼材的優(yōu)勢。

(3)采用熱軋型鋼構(gòu)件和高強(qiáng)度螺栓連接是適應(yīng)建筑工業(yè)化發(fā)展的有效途徑，符合節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展原則。目前國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接以采用8.8級和10.9級螺栓為主，螺栓直徑在30mm或以下，美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程已開始采用12.9級高強(qiáng)度螺栓，需要研究10.9級以上和大直徑螺栓在高強(qiáng)鋼材連接中的應(yīng)用技術(shù)和設(shè)計方法，以簡化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，方便施工。

致謝：武漢鋼鐵集團(tuán)和首都鋼鐵集團(tuán)提供了試驗(yàn)研究所采用的高強(qiáng)耐火耐候鋼，一并表示感謝。