高強(qiáng)度鋼材的發(fā)展與應(yīng)用

王朝玉

（1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)延安分公司，陜西 西安 710075；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

隨著人們對(duì)高強(qiáng)度鋼材材性和加工技術(shù)研究的日益成熟，我國(guó)鋼材產(chǎn)量的逐年提高，社會(huì)工業(yè)化信息化進(jìn)程的逐步深入，人們對(duì)高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣?，F(xiàn)階段，人們選用高強(qiáng)度鋼材主要基于兩方面考慮：首先是高強(qiáng)度鋼材能有效減輕結(jié)構(gòu)自重，同樣的荷載需求用較輕的結(jié)構(gòu)材料就可以滿足，這就使得高強(qiáng)鋼在承重要求較高的結(jié)構(gòu)形式上有很大的應(yīng)用前景。其次是高強(qiáng)度鋼材可有效降低截面尺寸，可以在確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間利用的最優(yōu)化。一系列的優(yōu)勢(shì)更增加了人們對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[1-3]。

1 高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

1.1 高強(qiáng)鋼的研究現(xiàn)狀

高強(qiáng)度鋼材作為一種尚處于深化研究階段的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，目前對(duì)其的研究主要分為材性研究和力學(xué)性能研究。材料性能方面，人們通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼中所包含元素的分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼材主要由鐵、碳等元素組成，當(dāng)在高強(qiáng)度鋼材中添加其他金屬元素時(shí)，可有效地提升高強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)度、抗斷裂性、耐腐蝕性、環(huán)境溫度耐受性（高溫、低溫）等性質(zhì)。在生產(chǎn)方式上，鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的磚、瓦、混凝土不同，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體較少，回收再利用方面也比傳統(tǒng)材料便捷許多。在生產(chǎn)內(nèi)容上，鋼結(jié)構(gòu)可以大批量流水線的生產(chǎn)制作，同時(shí)，使用鋼結(jié)構(gòu)的建筑在施工時(shí)所耗時(shí)較短，可以有效的保證工程的進(jìn)度。在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，選用熱處理工藝生產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)往往比冷軋結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和耐受性。與此同時(shí)，在較低溫度下（低于結(jié)晶溫度）生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材，使用冷作硬化處理能明顯提高高強(qiáng)度鋼材的硬度。

1.2 高強(qiáng)度鋼與普通強(qiáng)度鋼的差異

第一、顧名思義，高強(qiáng)度鋼材相較于普通強(qiáng)度鋼材，有著更高的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，也就是說(shuō)相同尺寸的高強(qiáng)度鋼材與普通強(qiáng)度鋼材相比，擁有更強(qiáng)的持力性能。當(dāng)選用與普通鋼材承載力相同的高強(qiáng)度鋼材時(shí)，可以有效地降低高強(qiáng)度鋼材的截面尺寸，在大跨度建筑中得以減少用鋼量。

第二、由于高強(qiáng)度鋼材僅需較小的截面即可滿足承載力要求，因此，在減小截面的同時(shí)也就減小了構(gòu)件的質(zhì)量。在工程中，減小一個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量，意味著可以減少一連串從運(yùn)輸?shù)桨惭b的技術(shù)問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。也直接的減輕了施工安裝的難度，更便于構(gòu)件焊接工作的開(kāi)展。

第三、現(xiàn)代社會(huì)民用建筑物的高度逐漸增加，近些年來(lái)，人們提出了超高層建筑的概念，即建筑高度在一百米以上，層高在四十層以上的建筑。對(duì)于這種高層及超高層建筑，建筑內(nèi)部的使用空間十分珍貴。選用高強(qiáng)度鋼材作為基本構(gòu)件，可以有效地降低截面尺寸，這也就意味著在每一層可以節(jié)省出相當(dāng)可觀的空間作為使用面積，這種變化直接影響了人們對(duì)接建筑物內(nèi)部的使用功能安排和裝修布局，以及諸如地下室、停車(chē)場(chǎng)這種使用空間十分緊張的建筑部分。

第四、使用高強(qiáng)度鋼材可以有效地降低構(gòu)件的截面積，也就意味著可以降低構(gòu)件的質(zhì)量，這就使得使用高強(qiáng)度鋼材可以降低結(jié)構(gòu)的自重，保證結(jié)構(gòu)的自重在合理范圍內(nèi)。這使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)時(shí)能充分發(fā)揮建筑材料的特點(diǎn)，降低建筑的建設(shè)成本，使結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗震有著十分深遠(yuǎn)的意義[4,5]。

第五、使用高強(qiáng)度鋼材可以有效地減少建筑物中耗材的截面面積和質(zhì)量，同樣一座建筑物，使用高強(qiáng)度鋼材建設(shè)和選用普通強(qiáng)度鋼材建設(shè)，所花費(fèi)的資源和資金都相差較大。使用高強(qiáng)度鋼材可以充分發(fā)揮構(gòu)件的特點(diǎn)，減少鋼材浪費(fèi)，增加能源使用率，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)基礎(chǔ)和根本保證。

2 高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

2.1 高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用實(shí)例

隨著高強(qiáng)度鋼材的發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已充分認(rèn)識(shí)到高強(qiáng)鋼的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域增加高強(qiáng)鋼的應(yīng)用。從整體上來(lái)看，大部分使用高強(qiáng)度鋼材的建筑為高層異形結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁及廠房結(jié)構(gòu)、高低壓輸電鐵塔等。

截止2019年，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)拔地而起。如德國(guó)柏林的索尼中心，在屋頂桁架部分使用S460和S690高強(qiáng)鋼，使用高強(qiáng)度鋼材有效地降低了構(gòu)件的自重；澳大利亞悉尼的格洛弗納廣場(chǎng)，在底層柱部位使用690MPa的高強(qiáng)度鋼材，使用高強(qiáng)度鋼材減小截面面積，節(jié)約了底層停車(chē)場(chǎng)的空間；大利亞悉尼的Latitude大廈，使用高強(qiáng)度鋼作為轉(zhuǎn)換桁架，減輕了結(jié)構(gòu)自重；日本橫濱的地標(biāo)大廈，選用600MPa的高強(qiáng)度H形鋼柱，在保證結(jié)構(gòu)承載力的同時(shí)減小了截面面積；美國(guó)休斯頓的瑞蘭特體育場(chǎng)，選用450MPa的高強(qiáng)鋼，實(shí)現(xiàn)了可滿足開(kāi)啟屋頂要求的大型豎向桁架支撐結(jié)構(gòu)；中國(guó)北京的國(guó)家游泳中心選用Q460的鋼材，用于桁架柱內(nèi)柱部分，減小了截面尺寸，使得焊接工作得以更好的開(kāi)展。

2.2 高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計(jì)方法

和普通強(qiáng)度的鋼材相比，高強(qiáng)度鋼材有著更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)內(nèi)容。除了與普通強(qiáng)度鋼材相同的彈塑性分析，還要更多地考慮高強(qiáng)度鋼材的抗震性能。這是由于高強(qiáng)度鋼材中碳元素的含量較低，使得高強(qiáng)度鋼材在提供高強(qiáng)的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件屈強(qiáng)比的升高和材料塑性變形能力的下降。這就使得高強(qiáng)鋼的伸長(zhǎng)率難以滿足我國(guó)的《建筑抗震規(guī)范》中的要求設(shè)計(jì)值。因此，在我國(guó)的抗震設(shè)防地區(qū)，建筑物使用的鋼材強(qiáng)度通常都小于345MPa，這也就限制了高強(qiáng)度鋼材的實(shí)際應(yīng)用。具體設(shè)計(jì)原則如下：

第一、彈性設(shè)計(jì)階段。該階段主要考慮高強(qiáng)度鋼材在承受彈性力時(shí)所發(fā)生的荷載位移變化。通常根據(jù)高強(qiáng)度鋼材在彈性階段的受壓受彎以及抗剪強(qiáng)度分析其極限承載力。再根據(jù)其極限承載力進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算。

第二、塑性設(shè)計(jì)階段。該階段只要是分析高強(qiáng)度鋼材發(fā)生塑性變形時(shí)的結(jié)構(gòu)承載力與位移的變化曲線。通過(guò)分析高強(qiáng)度鋼材在達(dá)到極限承載力后發(fā)生破壞屈曲的形式，得出高強(qiáng)度鋼材失穩(wěn)的極限荷載，進(jìn)而選用多種組合結(jié)構(gòu)形式，以期通過(guò)塑性發(fā)展較好的構(gòu)件與高強(qiáng)鋼構(gòu)件相結(jié)合，使各部分材料分別發(fā)揮自身特點(diǎn)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)在彈性及塑性狀態(tài)下均保持較好的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。

第三、抗震設(shè)計(jì)階段。通過(guò)分析高強(qiáng)度鋼材在地震荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析高強(qiáng)度鋼材的震后變形失穩(wěn)情況。在抗震設(shè)計(jì)中，通常選用大震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析。這就使得結(jié)構(gòu)除了要滿足承載力要求以外，還要滿足結(jié)構(gòu)變形要求。保證結(jié)構(gòu)在震中受到地震荷載后發(fā)生的變形在要求的范圍內(nèi)，發(fā)生變形部位的構(gòu)件需要有足夠的塑性變形能力及塑性狀態(tài)發(fā)展能力，再加之對(duì)結(jié)構(gòu)形式的合理調(diào)整，使結(jié)構(gòu)在面對(duì)大震荷載時(shí)，能夠有效地消耗地震能量，保持結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定[6]。

2.3 高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的一般連接方式

高強(qiáng)度鋼材的連接方式主要有高強(qiáng)螺栓連接、焊接連接、端板節(jié)點(diǎn)連接等形式。下面對(duì)各個(gè)連接方法做簡(jiǎn)單介紹。

第一、高強(qiáng)螺栓連接。在高強(qiáng)度鋼材需要連接處提前設(shè)置螺栓孔道，使用高強(qiáng)度螺栓對(duì)需要連接的構(gòu)件進(jìn)行連接。這種連接方式最早在美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中被正式確認(rèn)。和普通強(qiáng)度鋼材不同，在計(jì)算高強(qiáng)度鋼材的連接的承載力時(shí)，通常采用保守的孔邊緣距離進(jìn)行核算。在高強(qiáng)度鋼材承受荷載發(fā)生變形，屈強(qiáng)比發(fā)生變化時(shí)，高強(qiáng)度螺栓的材質(zhì)會(huì)對(duì)連接效果有一定的影響，與高強(qiáng)度鋼材材質(zhì)不同的高強(qiáng)螺栓會(huì)對(duì)高強(qiáng)度鋼材的承載力有一定程度的削弱，在連接處產(chǎn)生應(yīng)力重分布的現(xiàn)象。使得構(gòu)件整體性較差。

第二、焊接連接。國(guó)外學(xué)者對(duì)高強(qiáng)度鋼材的焊接連接研究十分深入。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)高強(qiáng)度鋼材的極限抗拉強(qiáng)度大于600MPa時(shí)，對(duì)高強(qiáng)度鋼構(gòu)件進(jìn)行焊接，必定會(huì)使高強(qiáng)度鋼材局部進(jìn)入塑性，嚴(yán)重影響其變形能力。而在焊接的過(guò)程中，如果要將兩種不同材質(zhì)的鋼材焊接在一起，則形成合金鋼焊縫的斷裂韌性較差，容易在局部形成應(yīng)力集中，進(jìn)而發(fā)生破壞。而當(dāng)焊接鋼材的極限抗拉強(qiáng)度小于600MPa時(shí)，高強(qiáng)度鋼材的焊接有較好的抗疲勞性能，該能力與普通強(qiáng)度鋼材焊接形成焊縫的抗疲勞性相比，還要優(yōu)越一些[7]。

第三、端板節(jié)點(diǎn)連接。這種連接是指使用高強(qiáng)端板作為連接中間件，使用不同的節(jié)點(diǎn)連接形式將高強(qiáng)鋼構(gòu)件連接在一起。這種連接的有點(diǎn)是可以將不同強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼相互連接。但在局部的連接節(jié)點(diǎn)處，構(gòu)件腹板的承載能力會(huì)發(fā)生顯著下降。

2.4 高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的問(wèn)題

相比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高強(qiáng)鋼的深入研究，我國(guó)對(duì)高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用研究還存在明顯差距，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一、國(guó)際上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家使用的高強(qiáng)度鋼材最大強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到780MPa，其他的諸如460、490、550、590MPa強(qiáng)度的鋼材應(yīng)用以較為成熟，配套的規(guī)范及材性確定都在推廣過(guò)程中。而國(guó)內(nèi)的高強(qiáng)度鋼材應(yīng)用較為緩慢，目前應(yīng)用較多的是Q235和Q345的普通強(qiáng)度鋼材，對(duì)于高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用及研究相對(duì)較少，缺乏工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也沒(méi)有配套的生產(chǎn)強(qiáng)度足夠的高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線。

第二、相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的鋼材年產(chǎn)量并不落后，但在工程建筑中使用的比例卻十分有限。美、日等國(guó)家鋼產(chǎn)量的百分之三十用于鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)，而我國(guó)這個(gè)數(shù)字還不到百分百之十，與此相對(duì)應(yīng)的是我國(guó)缺少推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)使用的相關(guān)政策及設(shè)計(jì)指標(biāo)。2008年以來(lái)，我國(guó)建設(shè)的大型工程逐漸增多，如鳥(niǎo)巢、央視大樓等建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)，這些鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，為未來(lái)我國(guó)發(fā)展成為鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)國(guó)提供了契機(jī)。近些年來(lái)，我國(guó)參照歐美各國(guó)規(guī)范，在對(duì)材料構(gòu)件研究的基礎(chǔ)上，逐漸形成了基本的設(shè)計(jì)方法，但仍缺乏具體性能指標(biāo)，如抗力分項(xiàng)系數(shù)等工程設(shè)計(jì)中的必要指標(biāo)，這使得高強(qiáng)度鋼材在我國(guó)的應(yīng)用收到了不小的阻礙。

第三、由于我國(guó)對(duì)高強(qiáng)度鋼材研究的起步較晚，在生產(chǎn)端難以形成高質(zhì)量的生產(chǎn)體系，這使得各個(gè)廠家生產(chǎn)的同等強(qiáng)度的鋼材質(zhì)量差異較大，為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。目前，我國(guó)正在針對(duì)高強(qiáng)度鋼材出臺(tái)統(tǒng)一的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，相信在不久的將來(lái)，這一問(wèn)題將得到妥善的解決。

第四、高強(qiáng)度鋼材不同于普通鋼，碳元素的含量較少，脆性較低，因此不適于傳統(tǒng)的螺栓連接方式，對(duì)螺栓母材的要求較高。因此，研究高強(qiáng)度鋼材的連接方式，首先要研究不同合金種類(lèi)的高強(qiáng)度螺栓性能，及其連接、焊接工藝。

第五、高強(qiáng)度鋼材與混凝土結(jié)構(gòu)的組合形式有待深入研究。在工程建設(shè)中，考慮到結(jié)構(gòu)抗震性，人們往往將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從而發(fā)揮各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，以期達(dá)到承載力使用要求。但我國(guó)對(duì)高強(qiáng)度鋼材與混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究較少，沒(méi)有形成具體詳實(shí)的應(yīng)用規(guī)范。在一定程度上，這也限制了高強(qiáng)度鋼材的實(shí)際應(yīng)用[8]。

第六、高強(qiáng)度鋼材在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用限制。由于高強(qiáng)度鋼材的屈強(qiáng)比伸長(zhǎng)率特點(diǎn)，使得高強(qiáng)度鋼材在抗震設(shè)防中很難單獨(dú)使用。現(xiàn)階段，主要有兩種解決思路，其一是通過(guò)限制高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的延性發(fā)展，提高其在大震下的延性性能，通過(guò)地震荷載選出能夠滿足延性發(fā)展要求的特制構(gòu)件，滿足震害對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。另一種思路是為結(jié)構(gòu)設(shè)置可更換的耗能裝置，選用能夠充分發(fā)揮塑性性能的構(gòu)件，將其設(shè)置在塑性發(fā)展區(qū)，使該部分構(gòu)件在地震來(lái)臨時(shí)首先發(fā)生塑性變形，通過(guò)這種塑性變形為整體結(jié)構(gòu)耗散大部分地震力，以此避免高強(qiáng)度鋼材在震時(shí)整體進(jìn)入塑性發(fā)展階段，保證結(jié)構(gòu)主體在地震中保持安全穩(wěn)定[9]。