建筑新型鋼鐵材料探析

郭海峰，張志克

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司連鑄連軋廠(chǎng)，河北 邯鄲056015）

1 前 言

進(jìn)入到新時(shí)期內(nèi)，國(guó)家提高了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的重視程度，并頒布了相關(guān)政策，為鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了支持。在城市快速發(fā)展的今天，建筑物功能更加全面，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，傳統(tǒng)鋼鐵材料已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，必須通過(guò)技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)出新型鋼鐵材料，與社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)。從目前情況來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)被普遍應(yīng)用在建筑工程中，有效提升了強(qiáng)度和穩(wěn)定性。鋼鐵作為建筑的重要材料，要不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化材料性能，更好地服務(wù)于建材市場(chǎng)，在建筑工程中要發(fā)揮出新型鋼鐵材料的作用，不斷提高建設(shè)水平，延長(zhǎng)工程使用年限，提升整體經(jīng)濟(jì)效益。

2 建筑新型鋼鐵材料

2.1 高頻焊H型鋼

在建筑技術(shù)發(fā)展背景下出現(xiàn)了新型材料-高頻焊H 型鋼，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到建筑行業(yè)中，并且取得了顯著成效，在一定程度上推動(dòng)了建筑行業(yè)的發(fā)展。和傳統(tǒng)鋼鐵材料比較而言，高頻焊H型鋼具有明顯優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出良好的抗震性、耐壓性，應(yīng)用價(jià)值比較高。與軋制H型鋼相比，高頻焊接H型鋼的最大優(yōu)勢(shì)是截面尺寸選擇的靈活性和互補(bǔ)性。因此，它不僅可以用于檁條，墻框架和其他組件，而且可以廣泛用于主要的承重多層框架中，在使用門(mén)式輕型框架和其他具有恒定橫截面或可變橫截面且跨度和載荷較小的結(jié)構(gòu)時(shí)，它具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

高頻焊H型鋼具有特殊的對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，基于這個(gè)特點(diǎn)，構(gòu)件在拼接和安裝過(guò)程中非常方便，顯著提升了施工效率，降低了操作難度，可以在更短時(shí)間完成，縮短了工期。相比較于傳統(tǒng)鋼鐵材料，高頻焊H 型鋼質(zhì)量較輕，在相同承載能力的情況下，可節(jié)約鋼材10%～15%，節(jié)省了資金投入和人力成本［1］。高頻焊H型鋼減少了混凝土使用，簡(jiǎn)化了施工程序，避免了空氣污染、環(huán)境污染和噪音污染，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

2.2 耐火結(jié)構(gòu)用鋼

鋼結(jié)構(gòu)耐火性是材料的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)耐火性能比較差，對(duì)建筑的安全性有較大影響。常用的防火方法是噴涂耐火涂料，以此來(lái)加強(qiáng)鋼材的耐火性，雖然可取得一定成效，但鋼結(jié)構(gòu)成本增高。基于耐火性成本過(guò)高的問(wèn)題，減少防火圖層、降低成本成為了研究重點(diǎn)，于是出現(xiàn)了耐火結(jié)構(gòu)用鋼。

耐火結(jié)構(gòu)用鋼的耐火溫度要從實(shí)際應(yīng)用和成本等因素綜合考慮。如果耐火溫度設(shè)計(jì)過(guò)高，就要在鋼中添加多種合金元素，成本就會(huì)大幅增加。經(jīng)過(guò)成本分析和實(shí)際使用需要，現(xiàn)在耐火結(jié)構(gòu)用鋼的耐火溫度一般為600 ℃。

首鋼集團(tuán)以合理的控軋控冷工藝，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室冶煉和軋制，以低C-Mn為基體，并與鉬、銅、鉻和鎳等元素合金化，研發(fā)了Q460級(jí)別耐火結(jié)構(gòu)用鋼。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能、耐火性能檢驗(yàn)和分析，結(jié)果表明，Q460在600 ℃保溫3 h耐火性能良好，完全能滿(mǎn)足高性能結(jié)構(gòu)用鋼的要求。南京鋼鐵集團(tuán)設(shè)計(jì)了一種新型的低鉬耐火鋼的軋制工藝，其所有性能均優(yōu)于同等級(jí)耐火鋼的要求。在600 ℃的高溫下，強(qiáng)度可以達(dá)到室溫強(qiáng)度的70%，恒定負(fù)載280 MPa下的耐火極限溫度約為700 ℃，具有良好的防火性。

耐火結(jié)構(gòu)用鋼的設(shè)計(jì)不僅要考慮耐火溫度，還要綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能和焊接性能。目前耐火鋼的生產(chǎn)工藝還存在性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，仍然需要不斷地研究和試驗(yàn)。

2.3 低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼

為了提升建筑物安全性，要注重鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究。低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼是一種新型材料，被廣泛使用，例如高層建筑、高速鐵路主墩等。低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼具有良好抗震性能，能提高建筑物穩(wěn)定性，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力，為人們生命安全提供保障。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，鋼材屈服比越低，鋼材的均勻伸長(zhǎng)率就越高。提升均勻伸長(zhǎng)率，可以使材料的穩(wěn)定塑形能力在受到破壞前提高，有助于提升安全性［2］。鋼材的屈服比越低，塑性變形分配就越均勻，可以避免結(jié)構(gòu)集中受力，產(chǎn)生突發(fā)變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性破壞。由于低屈服比結(jié)構(gòu)用鋼的特殊性能，即使在結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)的情況下，也不會(huì)對(duì)整體產(chǎn)生太大影響，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌或者斷裂的事故［3］。

控溫控軋技術(shù)對(duì)提高屈服強(qiáng)度發(fā)揮著重要作用。以屈服強(qiáng)度在300～400 MPa 的鋼材舉例，采用控溫控軋技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的鋼材可以將屈服比控制在0.8以下，但會(huì)出現(xiàn)特殊情況，如果要提升鋼材強(qiáng)度等級(jí)，需要對(duì)屈服強(qiáng)度做出適當(dāng)調(diào)整，利用控溫軋制來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

從我國(guó)建筑用鋼情況來(lái)看，50 kg 等級(jí)的鋼材應(yīng)用范圍比較廣，雖然屈服比可以保證在0.8以下，但是建筑鋼結(jié)構(gòu)高度在不斷上升。55 kg 及60 kg強(qiáng)度的鋼材需求量在不斷增加，要遠(yuǎn)高于產(chǎn)量，因此要根據(jù)發(fā)展情況進(jìn)行生產(chǎn)。發(fā)揮控溫控軋技術(shù)的作用，可以保證在冷卻過(guò)程中強(qiáng)度的提高，且屈服強(qiáng)度在0.8以?xún)?nèi)。從未來(lái)發(fā)展情況來(lái)看，60 kg等級(jí)鋼材需求量會(huì)大大增加，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，要重視產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)［4］。

2.4 狹屈服強(qiáng)度變異結(jié)構(gòu)用鋼

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)中梁、柱構(gòu)件的抗震性能來(lái)說(shuō)，屈服比是影響塑性變形能力的主要因素，從鋼結(jié)構(gòu)整體抗震能力來(lái)說(shuō)，除了屈服比之外，還和強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和分布位置有一定關(guān)系。如果結(jié)構(gòu)中塑性變形的節(jié)點(diǎn)越多，結(jié)構(gòu)在崩塌前承受的載荷及塑性變形能力就越高。強(qiáng)震下發(fā)生塑性變形的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和鋼材屈服強(qiáng)度有直接聯(lián)系，如果屈服強(qiáng)度變異大，整體結(jié)構(gòu)的塑性變形就會(huì)集中在屈服強(qiáng)度較低的梁、柱上，發(fā)生塑性變形的節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)明顯減少。

如何縮小鋼材屈服強(qiáng)度的變異程度一直是研究的重點(diǎn)。我國(guó)鋼鐵企業(yè)采用動(dòng)態(tài)控制方式開(kāi)展研究，生產(chǎn)出一種性能良好的狹屈服強(qiáng)度變異范圍結(jié)構(gòu)用鋼，應(yīng)用在大型廠(chǎng)房、體育場(chǎng)館和超高層建筑等領(lǐng)域，效果非常好［5］。在新型鋼鐵材料研發(fā)過(guò)程中要注重技術(shù)整合，對(duì)于優(yōu)化鋼材性能起到有效作用。加強(qiáng)不同類(lèi)型鋼材的研發(fā)，確保滿(mǎn)足多元化需求，促進(jìn)建材市場(chǎng)的發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，探析建筑新型鋼鐵材料具有重要現(xiàn)實(shí)意義，很大程度上推動(dòng)了建筑行業(yè)的發(fā)展。在城市發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了大量高層建筑，為了提升建筑的安全性、抗震性、美觀(guān)性等，要有效地運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)。新型鋼鐵材料是為建筑行業(yè)發(fā)展服務(wù)的，所以要對(duì)實(shí)際情況分析，明確鋼材研發(fā)方向，更好應(yīng)用到建筑工程中去，對(duì)于提高質(zhì)量具有重要意義。