超高强度钢材钢结构的工程应用

超高强度钢材钢结构的工程应用

付园原

天津博迈科海洋工程有限公司 天津市滨海新区 300452

摘要：超高硬度钢铁，即较常规钢铁拥有更为优异的耐拉性能和强度，体重较轻，焊接性能和成型性更为优异的钢铁。超高强度钢筋的问世，提高了钢构件施工的使用效率程度，推动了建材行业的发展。新时期的钢构件施工，需要发挥超高强度钢筋的各项优点，产生更大的效益。

关键词：超高硬度材料；钢结构；建筑应用

目前，由于国外企业已经很广泛地在建筑工程、桥梁工程中应用以超高强度钢材为主的钢结构。因此，我国建筑行业要积极吸取国外企业在建筑行业的经验，以进一步提升我国对超高强度钢材的应用水平，以进一步提升我国钢结构建筑的建造质量。

1超高钢材的定义

钢结构是由预应力混凝土材料所构成的一类构件，是房屋的主体形式之一。钢构件一般都是用型钢或者板材等材料构成的钢梁、钢柱、钢架等结构构件，先通过相应的加工制造技术完成了除锈作业，然后再通过焊接和铆钉等加工工艺加以连接，最后可以制造出大型的结构骨架。而超高钢就是指硬度超过一千四百MPa以及具有相当的强度的钢构件，由于超高钢的在强度、承载力、使用性能等方面都要优于普通钢，所以在焊接工艺和加工技术层面上要优于一般的钢结构。

2超高强度钢材的性能和优势

2.1性能

超高硬度钢铁来源于二十世纪的四十年代中期，是由中国钢材生产公司通过对高强度钢铁的淬火和低温回火加工而生产出的，其抗拉强度仅为190kgf/mm2。后来由于生产工艺的不断改进，超高硬度钢的耐磨性质量也在逐步提高。中国制造的超高硬度钢铁，是在20世纪50年代起步的。根据冲击韧性的不同，超高硬度钢材一般分成Q、QL、QL1三种类型。从化学成分的基础上分析，三档次别的超高硬度钢也大同小异，碳、硅、锰、硫、硼、钴等金属的成分都一样，只是磷和硫的成分有所不同。其中，磷的含量随着材料冲击韧性的增加而逐步降低，而硫的含量则随着冲击韧性的增加而逐步提高。超高强度钢材即使在极低温环境下仍能抵抗一定的冲击，根据实验中得到的数据：Q级别的超高强度钢材在零℃的情况下的最小冲击功为30J；而QL级别的超高强度钢材在零℃的情况下的最小冲击功为35J；而QL一级别的超高强度钢材在零℃的情况下的最小冲击功为40J。同时，不同等级的超高硬度材料所维持性的最低温度范围也有所不同，Q、QL、QL1等级材料分别可以在零下20℃、零下40℃、零下60℃的状态下维持性。

2.2优势

实验结果表明，在轴心受力情况相同时，当超高强度钢材钢柱的整体极限受力达到平衡条件之后，其稳定性关系（极限应力和屈服强度之间）较一般高强钢材钢柱在相同直径和尺寸的情况下都要提高了许多，主要是由于结构的初始缺陷对一般超高强度钢材钢柱的影响非常小。关于对初始缺陷的影响，相关研究结果显示，在几何特征与初始缺陷相同的条件下，通过计算与对比235MPa和690MPa两种H型大截面轴心受压钢柱的整体稳定承载力，研究结果显示比690MPa型超高强度钢材的整体稳定系数更大，即强度更高。由此可见，和一般钢铁比较，超高硬度钢铁的优越性突出，主要体现在如下几方面：

2.2.1经济性

超高强度钢筋的广泛运用，使建筑构件自重降低、结构体积缩小，相应的连接材料和焊接数量减少，防火、防锈涂料的数量也大大减少，结构工程量减轻，施工安装也更加简便，钢结构制造、搬运和施工的成本费用也得以显著减少。另外，结构部件体积的减小，可使建筑的净空间增加，钢板厚度的减少使焊接厚度和焊接量更易于管理，可合理增长建筑物的使用寿命，增加建筑工程的整体价值。

2.2.2符合可持续发展与环境保护要求

超高硬度钢材钢结构的广泛应用，使原钢铁的生产用量大大降低，进而使对原铁矿石资源的需求量也相应地降低。另外，目前中国在建筑耐火、防腐及焊接等领域，由于以往的用水量都很大，而这些建筑材料又都是由难以再生的矿物资源所构成，因此使用的水降低将会导致这些不可再生资源消耗量减少，进而使能源的利用率降低，对环保方面也有很大影响，适合于中国当前产业的由过去高能量型支出开发方式，向资源节约型、环境友好型、效率第一型的开发方式转变的可持续开发战略。

2.2.3有利于国民生产总值的增加

在中国能源消耗体系中，在钢铁工业中的消耗量相当高，在一定意义上推动了中国企业的高速成长，但背后所存在的如生态环境问题、能源成本等严重的社会问题也不容忽视，而这些问题的出现对中国钢铁工业整体经济规模的提高也有着阻碍的影响。而随着钢铁冶金科技的蓬勃发展，超高硬度钢铁的问世，大大地降低了因冶金带来的生态损害问题，同时还减少了能源消耗，使用前景也更加广泛，为国家生产总值的增加创造了有利条件。

3超高强度钢材钢结构的应用实例

3.1德国

德国一直是在建筑行业、机械制造行业以及汽车行业中都十分繁荣的一个国家。德国的不少重要大厦都采用了钢结构的建筑形式，同时也大量使用了超高强度钢。位于德国首府都柏林的索尼中心大楼，就是德国钢结构大厦中的经典代表。这座大楼的构造方式也非常独特，其中一些建筑物都是直接安装在屋顶桁架上的，这是为了对桁架下面的房屋产生防护效果。其中，楼顶桁架的主体材质就是规格为S460和S690的超高强度钢。S460钢材的强度标准差为460MPa，而S690钢材的强度标准差则是690MPa。采用这两种材料，既可以保持屋顶桁架在低温情况下的性能平稳，也可以减少结构的厚度，因此降低了横截面积。

3.2日本

日本因为地处环太平洋海域地震带中，且日本国内地震自然灾害频发，所以对建筑结构的性能也有着极高要求。所以，日本的很多高楼大厦都选择了由超高强度钢组成的钢结构。日本建筑工程师所使用的结构钢材硬度通常为400MPa～490MPa。但是在建造过程中，因为使用了超高硬度钢筋，可以很有效地有效地降低大截面钢材的厚度，使连接缝的宽度减小，这样就变相地增加了焊缝质量。同时施工人员还对日本建筑的结构材料进行了优化，改善了日本建筑钢结构的自振动频率，以防止结构材料在遭遇自然灾害后因为共振问题，而造成较为严重的构造损伤。

3.3中国

“鸟巢”是中国群众对设在首都的公共体育馆的爱称，它同时也是二○○八年北京奥运会的主办地点。而鸟巢则是由国际上著名的建筑艺术家雅克·赫尔佐格、德梅隆，以及中国建筑学家李兴刚等人所联合设计的建筑，由北京城建集团进行设计建造，总共耗资超过了22.67亿港元。鸟窝的结构形式很多，其中在钢结构部分就大量使用了Q460超高强度钢材。Q460钢材是低合金高强度钢材，是一项制作难度相当大的超高强度钢。

4结束语

和一般钢铁比较，超高硬度钢铁的韧性、硬度低等特点较为突出，生产困难也相对较大。随着中国建筑行业的蓬勃发展，更加强调能耗的节省，与社会可持续发展的需求更加相匹配，因此超高强度钢筋结构在建筑中的运用范围也就更加广泛了。对中国建材行业来说，随着中国钢结构施工的多样化，在具体施工上，也应该参考其他发达国家优秀的施工实践，进一步提高自身技术，以推动超高强度钢材钢结构在中国进一步地推广和使用，从而提升结构施工的整体效益。

参考文献：

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