超高強度鋼材鋼結構的工程應用分析

韓振華 黃雙喜

摘 要：對我國鋼結構工程中超高強度鋼材應用的可行性進行分析，從超高強度鋼材的種類、化學成分及力學性能等方面進行介紹，分析超高強度鋼材鋼結構構件截面應力及初始缺陷對整體受壓穩定性的影響。結果顯示，與普通鋼材相比，超高強度鋼材軸心受壓鋼柱的整體穩定性更高，承載力更強，強度優勢非常明顯。在實際應用中，結合國內外多項建筑結構及超高強度鋼材鋼結構的優勢，分析我國工程中對超高強度鋼材鋼結構的應用前景。

關鍵詞：超高強度鋼材；鋼結構；工程；應用

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：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

自鋼結構出現以來，其發展與生產工藝、材料性能有直接關系，在應用中也不斷改善，使鋼結構的使用性能、承載力及經濟性能得到提升，促使鋼結構快速發展。近年來，隨著工藝技術的發展，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、焊縫金屬材料也日漸成熟，滿足加工制作需求，使得鋼結構施工中對超高強度鋼材的應用效果得到不斷提升。

1 超高強度鋼材材料性能

上世紀40年代中期，超高強度鋼材出現，由淬火與低溫回火技術生產而來的高強度鋼材，抗拉強度達到1900MPa，且隨著技術的發展，其性能不斷得到提升[1]。上世紀50年代，我國超高強度鋼材出現。根據沖擊韌性的不同，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。在低溫環境下，超高強度鋼材仍然可抵御一定的沖擊，從相關試驗結果來看，在0℃環境下，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 超高強度鋼材鋼結構的優勢

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到穩定狀態時，其穩定性系數（極限應力與屈服強度比值）比普通強度鋼材鋼柱同等截面與長度下要高出很多，主要是由于構件的初始缺陷對超高強度鋼材鋼柱的影響非常小[2]。關于初始缺陷的影響，相關研究顯示，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定承載力，顯示690MPa超高強度鋼材的整體穩定系數更大，即強度更高[3]。可見，與普通鋼材相比，超高強度鋼材的優勢更加明顯，主要表現在以下幾個方面：

2.1 經濟性

超高強度鋼材的應用，使結構重量減輕、構件尺寸減小，相應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，鋼結構加工、運輸及安裝的成本均得到有效降低[4]。同時，結構構件尺寸的減少，可使建筑室內凈空間增大，鋼板厚度的縮小使焊縫厚度及焊縫質量更容易控制，可有效延長構件的使用壽命，提高工程的綜合效益。

2.2 符合可持續發展與環境保護要求

超高強度鋼材鋼結構的使用，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，進一步使資源開采量下降，對環境保護有重要作用，符合我國當前工業發展從傳統高能源消耗發展模式向資源節約型、環境友好型、效益優先型的發展模式過渡的可持續發展戰略[5]。

2.3 有利于國民生產總值的增加

在我國能源消耗結構中，鋼鐵產業的消耗量非常大，一定程度上促進了我國經濟的快速發展，但背后所出現的環境污染問題、能源消耗嚴重的問題也不容忽視，此類問題的存在對鋼鐵產業產值的增長有阻礙的作用[6]。而隨著鋼鐵冶煉技術的發展，超高強度鋼材的出現，極大地減低了因冶煉造成的環境破壞程度，同時也降低了能源消耗，應用前景也變得廣闊，為國民生產總值的提升提供了有利條件。

3 超高強度鋼材鋼結構的工程應用

3.1 國內應用

北京2008年奧運會主場館鳥巢設計采用超高強度鋼材，由我國建筑設計師李興剛及國外知名建筑設計師德梅隆、雅克赫爾佐格共同設計，總造價達到22億多元。鳥巢結構非常復雜，在建設中，大量的Q460超高強度鋼材在鋼結構施工中應用。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超高強度鋼材進行應用，使鳥巢鋼結構的穩定性得到了極大的提升。

3.2 國外應用

（1）德國。德國的機械制造業、建筑業及汽車行業非常發達，建筑行業的快速發展使得鋼結構建筑類型在諸多知名建筑中被應用，也因此使高強度鋼材的應用范圍非常廣泛。索尼中心大廈位于柏林，以鋼結構建筑為主，屬于典型的鋼結構建筑代表，大廈結構比較特殊，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用，不但縮小了構件的尺寸，使橫截面面積大大縮小，而且在低溫狀態下，屋頂桁架的性能能夠最大限度的發揮出來。

（2）日本。日本屬于島國，地處環太平洋地震帶上，所以該國地震災害非常高發，對建筑的穩定性提出了極高的要求。因此，日本諸多高層建筑中，鋼結構施工中對超高強度鋼材的應用非常普遍，其中以400～490MPa超高強度鋼材的使用比較多。施工中，超高強度鋼材的應用可以使截面鋼板的厚度減小，進而使焊縫縮小，焊接更容易控制質量。同時結合日本地區針對地震頻發的問題，對建筑內部結構也相應的進行調整，對建筑鋼結構自振頻率進行改變，防止在地震發生時，鋼結構共振引起結構性破壞。

4 結束語

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。隨著建筑行業的發展，越來越注重能源的節約，與可持續發展的要求相符，超高強度鋼材在建筑工程中的應用也越來越多。對于我國建筑行業而言，隨著鋼結構建筑的增多，在實際工程中，應借鑒其它國家先進的施工經驗，不斷提升自身技術水平，促使超高強度鋼材鋼結構在我國更好的發展與應用，提高建筑施工的綜合效益。

參考文獻：

[1]左國稷，全財華，蒲萬麗，等.高強度鋼材鋼結構研究現狀[J].科技創新與應用，2017（20）：183+185.

[2]張立國.高層建筑鋼結構施工技術應用分析[J].中國新技術新產品，2015（19）：124.

[3]邱林波，劉毅，侯兆新，等.高強結構鋼在建筑中的應用研究現狀[J].工業建筑，2014，44（03）：1-5+47.

[4]班慧勇，施剛，石永久，等.建筑結構用高強度鋼材力學性能研究進展[J].建筑結構，2013，43（02）：88-94+67.

[5]高濤.高層建筑鋼結構施工技術及鋼結構體系梁柱的連接節點設計[J].江西建材，2017（05）：91+95.

[6]陳冒權，柳文.高強度鋼材鋼結構的受力性能及民用工程應用[J].上海建設科技，2015（04）：60-62.

[7]許紅.淺析高強度鋼材鋼結構在工程中的運用[J].河南科技，2013（05）：49.