高強(qiáng)鋼材的應(yīng)用和發(fā)展前景綜述

許兆輝 盧秋霞 王 斌

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

伴隨經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，我國(guó)處于基本建設(shè)的高潮期，建筑業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，與此同時(shí)帶來(lái)的是我國(guó)建筑用材的大量消耗。據(jù)預(yù)計(jì)，2012年我國(guó)建筑業(yè)用鋼量為3.5億t。建筑業(yè)作為資源消耗量較大行業(yè)之一，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須調(diào)整建筑材料消耗結(jié)構(gòu)，大力推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋和高性能混凝土，走節(jié)約型發(fā)展道路。因此必須逐步采用高強(qiáng)鋼筋，它可以節(jié)省大量鋼材，既環(huán)保，又節(jié)能，是環(huán)保型的綠色鋼材。

1 目前國(guó)內(nèi)及全球鋼材的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

所謂高強(qiáng)鋼筋，是指抗拉屈服強(qiáng)度達(dá)到400 MPa及以上的螺紋鋼。近年來(lái)，高強(qiáng)鋼筋在國(guó)內(nèi)占比逐步提高。2000年我國(guó)高強(qiáng)鋼筋的占比僅為0.93%;2008年國(guó)內(nèi)鋼筋總產(chǎn)量為9 574萬(wàn)t，其中高強(qiáng)鋼筋占比為27.6%;2009年國(guó)內(nèi)鋼筋總產(chǎn)量為1.2億t，其中高強(qiáng)鋼筋占比為31.8%;2010年，我國(guó)鋼筋產(chǎn)量約為1.41億t，其中高強(qiáng)鋼筋產(chǎn)量為5 707萬(wàn)t，占鋼筋總產(chǎn)量的40.5%，較2008年上升了12.9%;2011年，我國(guó)鋼筋產(chǎn)量約為1.51億t，其中高強(qiáng)鋼筋的比例約為45%。國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼筋普及率逐年提高固然可喜，但與發(fā)達(dá)國(guó)家高強(qiáng)鋼筋普及率相比，差距不可同日而語(yǔ)，眼前還有漫長(zhǎng)的追趕之路。據(jù)了解，英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)家400 MPa左右的鋼筋采用率達(dá)到80%～90%。以日本為例，日本是地震多發(fā)國(guó)家，在建筑領(lǐng)域普遍采用400 MPa(三級(jí))及以上鋼筋，并采用微合金化工藝提高鋼材的強(qiáng)屈比、均勻伸長(zhǎng)率等指標(biāo)，并且每一次地震后都會(huì)提出修改意見。

2 高強(qiáng)鋼材的優(yōu)勢(shì)

高強(qiáng)度鋼材的優(yōu)點(diǎn)有很多，研究結(jié)果表明，在同樣的軸心受壓條件下，采用高強(qiáng)度鋼材的鋼柱，在整體穩(wěn)定方面，極限應(yīng)力δu與屈服強(qiáng)度f(wàn)y的比值δu/fy(即整體穩(wěn)定系數(shù)φ)，要比普通強(qiáng)度鋼材鋼柱高很多。相對(duì)于普通鋼材，鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼材具有以下優(yōu)勢(shì):能夠減小構(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，使得運(yùn)輸安裝更加容易，降低鋼結(jié)構(gòu)的加工制作、運(yùn)輸和安裝成本;在建筑物使用方面，減小構(gòu)件尺寸能夠創(chuàng)造更大的使用凈空間;特別是能夠減小所需板的厚度，從而相應(yīng)減小焊縫厚度，改善焊縫質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)疲勞使用壽命。高強(qiáng)度鋼材能夠降低鋼材用量，從而大大減少鐵礦石資源的消耗;焊接材料和各種涂層(防銹、防火等)用量的減少，也能夠大大減少不可再生資源的消耗，同時(shí)能夠減少因資源開采對(duì)環(huán)境的破壞。

3 目前高強(qiáng)鋼材在建筑中的應(yīng)用

歐美國(guó)家以及日本，對(duì)高強(qiáng)度鋼材的發(fā)展及應(yīng)用均十分重視，像歐洲的建筑用高強(qiáng)度鋼材規(guī)范EN10025－6，給出了高強(qiáng)度鋼材的力學(xué)性能等，從而保證鋼材具有良好的焊接性能。近些年來(lái)，我國(guó)也已在如央視新臺(tái)址主樓、國(guó)家體育場(chǎng)、深圳灣體育中心、鳳凰國(guó)際傳媒中心等多個(gè)建筑結(jié)構(gòu)工程中成功采用了高強(qiáng)度鋼材，舉例如下。

3.1 索尼中心(Sony Center)

德國(guó)柏林索尼中心大樓(Sony Center)為了保護(hù)已有的一個(gè)砌體結(jié)構(gòu)建筑物，將大樓的一部分樓層懸掛在屋頂桁架上。屋頂桁架桿件用600 mm×100 mm矩形實(shí)心截面，采用了S460和S690鋼材(強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值460 MPa和690 MPa)，以盡可能減小構(gòu)件截面。

3.2 Latitude大廈

Latitude大廈位于澳大利亞悉尼中心區(qū)的世界廣場(chǎng)(World Square)，2005年建成，55層。由于場(chǎng)地上已有一個(gè)部分完成的建筑物，出于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，為了盡快完工，結(jié)構(gòu)工程師在第16層采用7 m高的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層將荷載從新增結(jié)構(gòu)的柱子傳到既有建筑物上。在轉(zhuǎn)換層的鋼結(jié)構(gòu)中，采用了16 mm厚的Bisplate80(690 MPa)鋼板，以減小結(jié)構(gòu)重量。

3.3 央視新臺(tái)樓主址

CCTV主樓選用的鋼材規(guī)格品種多、用量大，凈重約12.6萬(wàn)t。主要鋼號(hào)有 Q235，Q345－B，Q345－C，Q345－GJC，Q390－D，Q420－D 和Q460－E等，其中以 Q390－D 和 Q345－GJC 兩種鋼材為主。鋼結(jié)構(gòu)截面形式復(fù)雜多樣，有單箱形、多箱形(目字形、日字形、西字形)、DBOX形等。其中Q345及以上的高強(qiáng)鋼材約11.33萬(wàn)t，約占用鋼總量89.92%。

4 高強(qiáng)鋼材的推廣意義

據(jù)測(cè)算，按照到“十二五”末，全國(guó)高強(qiáng)鋼筋使用比例達(dá)到建筑用鋼的80%計(jì)算，每年可在2010年已節(jié)材的基礎(chǔ)上，再減少鋼材消耗1 000萬(wàn)t左右，減少鐵礦石消耗1 600萬(wàn)t左右，減少能源消耗600萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放2 000萬(wàn)t左右。另外，在減少鋼筋用量的同時(shí)，還可減少混凝土結(jié)構(gòu)施工中鋼筋加工和連接工作量，改善混凝土結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)、基礎(chǔ)等部位鋼筋密集分布的現(xiàn)狀，利于混凝土澆筑，提高施工質(zhì)量。

5 國(guó)家“十二五”規(guī)劃對(duì)高強(qiáng)鋼材發(fā)展的態(tài)度

正是看到高強(qiáng)鋼筋所具有的種種優(yōu)勢(shì)，我國(guó)從2000年以后真正開始推廣使用高強(qiáng)度鋼筋。從目前情況來(lái)看，更大范圍地推廣使用高強(qiáng)度鋼筋在未來(lái)仍將是政府工作的重點(diǎn)。2011年，在工信部印發(fā)的《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提到，“十二五”期間的重點(diǎn)任務(wù)包括:在全國(guó)大中城市全面推廣使用400 MPa，500 MPa高強(qiáng)度螺紋鋼筋，促進(jìn)建筑鋼材升級(jí)換代和減量應(yīng)用。

今年以來(lái)，短短不到兩個(gè)月的時(shí)間，針對(duì)加快高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用推廣問(wèn)題，國(guó)家兩部委連續(xù)召開了兩次會(huì)議。1月19日，住建部和工信部?jī)刹块T聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于加快應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋的指導(dǎo)意見》，意見要求在建筑工程中加速淘汰335 MPa級(jí)鋼筋，優(yōu)先使用400 MPa級(jí)鋼筋，積極推廣500 MPa級(jí)鋼筋。2月27日，住建部再次會(huì)同工信部就此聯(lián)合召開高強(qiáng)鋼筋推廣應(yīng)用協(xié)調(diào)組第二次會(huì)議。業(yè)內(nèi)人士表示，建筑業(yè)“十二五”規(guī)劃明確指出，要鼓勵(lì)采用先進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)和材料，逐步提高高強(qiáng)度、高性能建材的使用比例。

6 影響高強(qiáng)鋼材推廣的因素

總體而言，在目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，除少數(shù)地區(qū)外，普通鋼筋和高強(qiáng)鋼筋占比一般不相上下，各為一半，且高強(qiáng)鋼筋中一般以三級(jí)鋼和抗震鋼居多。目前國(guó)內(nèi)推廣高強(qiáng)鋼筋面臨的阻礙仍不少，目前來(lái)看主要包括三方面:首先，對(duì)于設(shè)計(jì)部門，一方面幾十年的設(shè)計(jì)習(xí)慣難以改變;另一方面，若全面推翻之前的設(shè)計(jì)理念，需巨大的人力、精力和財(cái)力。其次，對(duì)于中小鋼廠而言，生產(chǎn)高強(qiáng)鋼筋意味著要將一筆不菲的費(fèi)用用于改進(jìn)生產(chǎn)工藝和設(shè)備上。最后，對(duì)于下游使用方而言，普及高強(qiáng)鋼筋之后，意味著其鋼筋加工設(shè)備必須進(jìn)行升級(jí)換代，這也是一筆費(fèi)用。

雖然面臨多重阻礙，但是普及高強(qiáng)鋼筋仍是未來(lái)中國(guó)的必然趨勢(shì)，目前看只是時(shí)間問(wèn)題，經(jīng)銷商對(duì)此并不否認(rèn)。但是目前看來(lái)，市場(chǎng)仍需要時(shí)間來(lái)適應(yīng)，比如鋼廠設(shè)備的升級(jí)，市場(chǎng)普通鋼筋的去庫(kù)存化都需要時(shí)間。同時(shí)，目前公司已經(jīng)開始重視高強(qiáng)鋼筋這個(gè)新品種，準(zhǔn)備嘗試起來(lái)。上海碧海物資有限公司銷售經(jīng)理劉朝釧則表示，目前公司配送的工地中二級(jí)鋼越來(lái)越少，三級(jí)鋼則越來(lái)越多，現(xiàn)在的比例大概是三七開，相信以后三級(jí)鋼的比例將會(huì)繼續(xù)增大。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)消耗鋼材的特點(diǎn)，大力推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼材不僅可以節(jié)約材耗，降低成本，同時(shí)也能大幅度減少所耗費(fèi)的水、煤、電、礦石、焦炭等能源和資源，有利于建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)。盡管當(dāng)前國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼筋的推廣過(guò)程中面臨多重阻礙，但是在推廣高強(qiáng)鋼筋所帶來(lái)的顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益面前，再加上在相關(guān)部門的強(qiáng)力政策支持下，相信今后國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼筋的普及率必將逐步提高，高強(qiáng)鋼筋必將成為建筑用鋼的大趨勢(shì)。

注:指導(dǎo)老師:胡白香。

[1] 施 剛，班慧勇，石永久，等.高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2012，42(1):1－7.

[2] 陳振明，張耀林，彭明祥，等.國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼及厚板在央視新臺(tái)址主樓建筑中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(2):34－38.

[3] 中國(guó)投資咨詢網(wǎng).2006年中國(guó)鋼材市場(chǎng)分析及投資咨詢報(bào)告[R].2008.