高強度鋼材的發展與應用

王朝玉

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

隨著人們對高強度鋼材材性和加工技術研究的日益成熟，我國鋼材產量的逐年提高，社會工業化信息化進程的逐步深入，人們對高強度鋼材的應用范圍也越來越廣。現階段，人們選用高強度鋼材主要基于兩方面考慮：首先是高強度鋼材能有效減輕結構自重，同樣的荷載需求用較輕的結構材料就可以滿足，這就使得高強鋼在承重要求較高的結構形式上有很大的應用前景。其次是高強度鋼材可有效降低截面尺寸，可以在確保結構安全穩定的同時實現空間利用的最優化。一系列的優勢更增加了人們對高強鋼結構的應用[1-3]。

1 高強鋼結構的研究現狀

1.1 高強鋼的研究現狀

高強度鋼材作為一種尚處于深化研究階段的結構構件，目前對其的研究主要分為材性研究和力學性能研究。材料性能方面，人們通過對高強鋼中所包含元素的分析發現，傳統高強度鋼材主要由鐵、碳等元素組成，當在高強度鋼材中添加其他金屬元素時，可有效地提升高強度鋼材的強度、抗斷裂性、耐腐蝕性、環境溫度耐受性（高溫、低溫）等性質。在生產方式上，鋼結構與傳統的磚、瓦、混凝土不同，生產過程中產生的有害氣體較少，回收再利用方面也比傳統材料便捷許多。在生產內容上，鋼結構可以大批量流水線的生產制作，同時，使用鋼結構的建筑在施工時所耗時較短，可以有效的保證工程的進度。在鋼結構生產中，選用熱處理工藝生產出的結構往往比冷軋結構具有更高的強度和耐受性。與此同時，在較低溫度下（低于結晶溫度）生產高強度鋼材，使用冷作硬化處理能明顯提高高強度鋼材的硬度。

1.2 高強度鋼與普通強度鋼的差異

第一、顧名思義，高強度鋼材相較于普通強度鋼材，有著更高的屈服強度和極限抗拉強度，也就是說相同尺寸的高強度鋼材與普通強度鋼材相比，擁有更強的持力性能。當選用與普通鋼材承載力相同的高強度鋼材時，可以有效地降低高強度鋼材的截面尺寸，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，在減小截面的同時也就減小了構件的質量。在工程中，減小一個構件的質量，意味著可以減少一連串從運輸到安裝的技術問題和經濟問題。也直接的減輕了施工安裝的難度，更便于構件焊接工作的開展。

第三、現代社會民用建筑物的高度逐漸增加，近些年來，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。對于這種高層及超高層建筑，建筑內部的使用空間十分珍貴。選用高強度鋼材作為基本構件，可以有效地降低截面尺寸，這也就意味著在每一層可以節省出相當可觀的空間作為使用面積，這種變化直接影響了人們對接建筑物內部的使用功能安排和裝修布局，以及諸如地下室、停車場這種使用空間十分緊張的建筑部分。

第四、使用高強度鋼材可以有效地降低構件的截面積，也就意味著可以降低構件的質量，這就使得使用高強度鋼材可以降低結構的自重，保證結構的自重在合理范圍內。這使得結構設計師在建筑設計時能充分發揮建筑材料的特點，降低建筑的建設成本，使結構更為經濟合理，對于建筑結構抗震有著十分深遠的意義[4,5]。

第五、使用高強度鋼材可以有效地減少建筑物中耗材的截面面積和質量，同樣一座建筑物，使用高強度鋼材建設和選用普通強度鋼材建設，所花費的資源和資金都相差較大。使用高強度鋼材可以充分發揮構件的特點，減少鋼材浪費，增加能源使用率，是建設資源節約型、環境友好型社會的建設基礎和根本保證。

2 高強鋼結構的工程應用

2.1 高強鋼結構的工程應用實例

隨著高強度鋼材的發展，西方發達國家已充分認識到高強鋼的應用優勢，開始在各個領域增加高強鋼的應用。從整體上來看，大部分使用高強度鋼材的建筑為高層異形結構、大跨度橋梁及廠房結構、高低壓輸電鐵塔等。

截止2019年，在國內外已經有大量的高強鋼結構拔地而起。如德國柏林的索尼中心，在屋頂桁架部分使用S460和S690高強鋼，使用高強度鋼材有效地降低了構件的自重；澳大利亞悉尼的格洛弗納廣場，在底層柱部位使用690MPa的高強度鋼材，使用高強度鋼材減小截面面積，節約了底層停車場的空間；大利亞悉尼的Latitude大廈，使用高強度鋼作為轉換桁架，減輕了結構自重；日本橫濱的地標大廈，選用600MPa的高強度H形鋼柱，在保證結構承載力的同時減小了截面面積；美國休斯頓的瑞蘭特體育場，選用450MPa的高強鋼，實現了可滿足開啟屋頂要求的大型豎向桁架支撐結構；中國北京的國家游泳中心選用Q460的鋼材，用于桁架柱內柱部分，減小了截面尺寸，使得焊接工作得以更好的開展。

2.2 高強鋼結構的一般設計方法

和普通強度的鋼材相比，高強度鋼材有著更為復雜的設計內容。除了與普通強度鋼材相同的彈塑性分析，還要更多地考慮高強度鋼材的抗震性能。這是由于高強度鋼材中碳元素的含量較低，使得高強度鋼材在提供高強的同時，會導致構件屈強比的升高和材料塑性變形能力的下降。這就使得高強鋼的伸長率難以滿足我國的《建筑抗震規范》中的要求設計值。因此，在我國的抗震設防地區，建筑物使用的鋼材強度通常都小于345MPa，這也就限制了高強度鋼材的實際應用。具體設計原則如下：

第一、彈性設計階段。該階段主要考慮高強度鋼材在承受彈性力時所發生的荷載位移變化。通常根據高強度鋼材在彈性階段的受壓受彎以及抗剪強度分析其極限承載力。再根據其極限承載力進行結構承載力驗算。

第二、塑性設計階段。該階段只要是分析高強度鋼材發生塑性變形時的結構承載力與位移的變化曲線。通過分析高強度鋼材在達到極限承載力后發生破壞屈曲的形式，得出高強度鋼材失穩的極限荷載，進而選用多種組合結構形式，以期通過塑性發展較好的構件與高強鋼構件相結合，使各部分材料分別發揮自身特點，以達到結構在彈性及塑性狀態下均保持較好的強度、剛度、穩定性。

第三、抗震設計階段。通過分析高強度鋼材在地震荷載作用下的應力應變曲線，分析高強度鋼材的震后變形失穩情況。在抗震設計中，通常選用大震荷載對結構進行推覆分析。這就使得結構除了要滿足承載力要求以外，還要滿足結構變形要求。保證結構在震中受到地震荷載后發生的變形在要求的范圍內，發生變形部位的構件需要有足夠的塑性變形能力及塑性狀態發展能力，再加之對結構形式的合理調整，使結構在面對大震荷載時，能夠有效地消耗地震能量，保持結構的安全穩定[6]。

2.3 高強鋼結構的一般連接方式

高強度鋼材的連接方式主要有高強螺栓連接、焊接連接、端板節點連接等形式。下面對各個連接方法做簡單介紹。

第一、高強螺栓連接。在高強度鋼材需要連接處提前設置螺栓孔道，使用高強度螺栓對需要連接的構件進行連接。這種連接方式最早在美國鋼結構規范中被正式確認。和普通強度鋼材不同，在計算高強度鋼材的連接的承載力時，通常采用保守的孔邊緣距離進行核算。在高強度鋼材承受荷載發生變形，屈強比發生變化時，高強度螺栓的材質會對連接效果有一定的影響，與高強度鋼材材質不同的高強螺栓會對高強度鋼材的承載力有一定程度的削弱，在連接處產生應力重分布的現象。使得構件整體性較差。

第二、焊接連接。國外學者對高強度鋼材的焊接連接研究十分深入。他們發現當高強度鋼材的極限抗拉強度大于600MPa時，對高強度鋼構件進行焊接，必定會使高強度鋼材局部進入塑性，嚴重影響其變形能力。而在焊接的過程中，如果要將兩種不同材質的鋼材焊接在一起，則形成合金鋼焊縫的斷裂韌性較差，容易在局部形成應力集中，進而發生破壞。而當焊接鋼材的極限抗拉強度小于600MPa時，高強度鋼材的焊接有較好的抗疲勞性能，該能力與普通強度鋼材焊接形成焊縫的抗疲勞性相比，還要優越一些[7]。

第三、端板節點連接。這種連接是指使用高強端板作為連接中間件，使用不同的節點連接形式將高強鋼構件連接在一起。這種連接的有點是可以將不同強度的高強鋼相互連接。但在局部的連接節點處，構件腹板的承載能力會發生顯著下降。

2.4 高強鋼結構應用中存在的問題

相比國外發達國家對高強鋼的深入研究，我國對高強度鋼材的應用研究還存在明顯差距，主要體現在以下幾個方面：

第一、國際上經濟發達國家使用的高強度鋼材最大強度已經達到780MPa，其他的諸如460、490、550、590MPa強度的鋼材應用以較為成熟，配套的規范及材性確定都在推廣過程中。而國內的高強度鋼材應用較為緩慢，目前應用較多的是Q235和Q345的普通強度鋼材，對于高強度鋼材的應用及研究相對較少，缺乏工程建設經驗，同時也沒有配套的生產強度足夠的高強度鋼結構生產線。

第二、相較于發達國家，我國的鋼材年產量并不落后，但在工程建筑中使用的比例卻十分有限。美、日等國家鋼產量的百分之三十用于鋼結構建筑的建設，而我國這個數字還不到百分百之十，與此相對應的是我國缺少推動鋼結構使用的相關政策及設計指標。2008年以來，我國建設的大型工程逐漸增多，如鳥巢、央視大樓等建筑都采用了鋼結構，這些鋼結構建筑的增多，為未來我國發展成為鋼結構強國提供了契機。近些年來，我國參照歐美各國規范，在對材料構件研究的基礎上，逐漸形成了基本的設計方法，但仍缺乏具體性能指標，如抗力分項系數等工程設計中的必要指標，這使得高強度鋼材在我國的應用收到了不小的阻礙。

第三、由于我國對高強度鋼材研究的起步較晚，在生產端難以形成高質量的生產體系，這使得各個廠家生產的同等強度的鋼材質量差異較大，為高強鋼結構設計帶來了困難。目前，我國正在針對高強度鋼材出臺統一的質量評價體系，相信在不久的將來，這一問題將得到妥善的解決。

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

第五、高強度鋼材與混凝土結構的組合形式有待深入研究。在工程建設中，考慮到結構抗震性，人們往往將鋼結構與混凝土結構相結合，從而發揮各自結構的優點，以期達到承載力使用要求。但我國對高強度鋼材與混凝土組合結構的研究較少，沒有形成具體詳實的應用規范。在一定程度上，這也限制了高強度鋼材的實際應用[8]。

第六、高強度鋼材在抗震設防區的應用限制。由于高強度鋼材的屈強比伸長率特點，使得高強度鋼材在抗震設防中很難單獨使用。現階段，主要有兩種解決思路，其一是通過限制高強鋼結構的延性發展，提高其在大震下的延性性能，通過地震荷載選出能夠滿足延性發展要求的特制構件，滿足震害對結構的影響。另一種思路是為結構設置可更換的耗能裝置，選用能夠充分發揮塑性性能的構件，將其設置在塑性發展區，使該部分構件在地震來臨時首先發生塑性變形，通過這種塑性變形為整體結構耗散大部分地震力，以此避免高強度鋼材在震時整體進入塑性發展階段，保證結構主體在地震中保持安全穩定[9]。