超高强度钢材钢结构的工程应用分析

韩振华 黄双喜

摘 要：对我国钢结构工程中超高强度钢材应用的可行性进行分析，从超高强度钢材的种类、化学成分及力学性能等方面进行介绍，分析超高强度钢材钢结构构件截面应力及初始缺陷对整体受压稳定性的影响。结果显示，与普通钢材相比，超高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性更高，承载力更强，强度优势非常明显。在实际应用中，结合国内外多项建筑结构及超高强度钢材钢结构的优势，分析我国工程中对超高强度钢材钢结构的应用前景。

关键词：超高强度钢材；钢结构；工程；应用

中图分类号：TU391 文献标志码：A 文章编号：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

自钢结构出现以来，其发展与生产工艺、材料性能有直接关系，在应用中也不断改善，使钢结构的使用性能、承载力及经济性能得到提升，促使钢结构快速发展。近年来，随着工艺技术的发展，钢材的加工性能及强度都极大提升，所匹配的超高强度钢材在韧性、延性及强度等方面的焊接技术、焊缝金属材料也日渐成熟，满足加工制作需求，使得钢结构施工中对超高强度钢材的应用效果得到不断提升。

1 超高强度钢材材料性能

上世纪40年代中期，超高强度钢材出现，由淬火与低温回火技术生产而来的高强度钢材，抗拉强度达到1900MPa，且随着技术的发展，其性能不断得到提升[1]。上世纪50年代，我国超高强度钢材出现。根据冲击韧性的不同，将超高强度钢材可分为三个级别：Q、QL、QL1，详见表1：

从超高强度钢材的化学成分来看，不同级别钢材，在硅、碳、锰、硼、氮、镍等成分含量上无较大差异，而在硫和磷的含量上，差异性较大。随着冲击韧性的增强，磷的含量逐渐降低，而硫的含量逐渐升高。在低温环境下，超高强度钢材仍然可抵御一定的冲击，从相关试验结果来看，在0℃环境下，Q级超高强度钢材最小冲击功为30J，QL级为35J，QL1级为40J。而不同级别钢材在保持性能一样时的最低温度极限也不同，Q级为-20℃、QL基为-40℃、QL1级为-60℃。

2 超高强度钢材钢结构的优势

研究显示，轴心受压条件相同时，超高强度钢材钢柱的整体极限承载达到稳定状态时，其稳定性系数（极限应力与屈服强度比值）比普通强度钢材钢柱同等截面与长度下要高出很多，主要是由于构件的初始缺陷对超高强度钢材钢柱的影响非常小[2]。关于初始缺陷的影响，相关研究显示，在几何初始缺陷相同的条件下，计算与对比235MPa和690MPa两种H型截面轴心受压钢柱的整体稳定承载力，显示690MPa超高强度钢材的整体稳定系数更大，即强度更高[3]。可见，与普通钢材相比，超高强度钢材的优势更加明显，主要表现在以下几个方面：

2.1 经济性

超高强度钢材的应用，使结构重量减轻、构件尺寸減小，相应的焊接材料及焊接工作量降低，防火、防锈涂层材料用量减少，工作量降低，施工安装更简单，钢结构加工、运输及安装的成本均得到有效降低[4]。同时，结构构件尺寸的减少，可使建筑室内净空间增大，钢板厚度的缩小使焊缝厚度及焊缝质量更容易控制，可有效延长构件的使用寿命，提高工程的综合效益。

2.2 符合可持续发展与环境保护要求

超高强度钢材钢结构的使用，使钢材的用量减少，从而使原矿石材料的消耗量也相应的减少。此外，在防火、防锈及焊接等方面，以往的消耗量较大，此类材料均由不可再生的矿物材料制成，用量的减少也会使此类不可再生资源消耗量降低，进一步使资源开采量下降，对环境保护有重要作用，符合我国当前工业发展从传统高能源消耗发展模式向资源节约型、环境友好型、效益优先型的发展模式过渡的可持续发展战略[5]。

2.3 有利于国民生产总值的增加

在我国能源消耗结构中，钢铁产业的消耗量非常大，一定程度上促进了我国经济的快速发展，但背后所出现的环境污染问题、能源消耗嚴重的问题也不容忽视，此类问题的存在对钢铁产业产值的增长有阻碍的作用[6]。而随着钢铁冶炼技术的发展，超高强度钢材的出现，极大地减低了因冶炼造成的环境破坏程度，同时也降低了能源消耗，应用前景也变得广阔，为国民生产总值的提升提供了有利条件。

3 超高强度钢材钢结构的工程应用

3.1 国内应用

北京2008年奥运会主场馆鸟巢设计采用超高强度钢材，由我国建筑设计师李兴刚及国外知名建筑设计师德梅隆、雅克赫尔佐格共同设计，总造价达到22亿多元。鸟巢结构非常复杂，在建设中，大量的Q460超高强度钢材在钢结构施工中应用。该类型钢材属于一种低合金高强度钢，制造难度非常大。在鸟巢施工中，我国首次对Q460超高强度钢材进行应用，使鸟巢钢结构的稳定性得到了极大的提升。

3.2 国外应用

（1）德国。德国的机械制造业、建筑业及汽车行业非常发达，建筑行业的快速发展使得钢结构建筑类型在诸多知名建筑中被应用，也因此使高强度钢材的应用范围非常广泛。索尼中心大厦位于柏林，以钢结构建筑为主，属于典型的钢结构建筑代表，大厦结构比较特殊，部分楼层直接悬挂于屋顶上[7]。这就对屋顶桁架的强度提出了更高的要求，在钢材选择上，该工程选择了S460与S690超高强度钢材，前者强度为460MPa，后者强度为690MPa，两种钢材在屋顶桁架施工中的应用，不但缩小了构件的尺寸，使横截面面积大大缩小，而且在低温状态下，屋顶桁架的性能能够最大限度的发挥出来。

（2）日本。日本属于岛国，地处环太平洋地震带上，所以该国地震灾害非常高发，对建筑的稳定性提出了极高的要求。因此，日本诸多高层建筑中，钢结构施工中对超高强度钢材的应用非常普遍，其中以400～490MPa超高强度钢材的使用比较多。施工中，超高强度钢材的应用可以使截面钢板的厚度减小，进而使焊缝缩小，焊接更容易控制质量。同时结合日本地区针对地震频发的问题，对建筑内部结构也相应的进行调整，对建筑钢结构自振频率进行改变，防止在地震发生时，钢结构共振引起结构性破坏。

4 结束语

与普通钢材相比，超高强度钢材的韧性、强度等性能更加出色，制造难度也相对较大。随着建筑行业的发展，越来越注重能源的节约，与可持续发展的要求相符，超高强度钢材在建筑工程中的应用也越来越多。对于我国建筑行业而言，随着钢结构建筑的增多，在实际工程中，应借鉴其它国家先进的施工经验，不断提升自身技术水平，促使超高强度钢材钢结构在我国更好的发展与应用，提高建筑施工的综合效益。

参考文献：

[1]左国稷，全财华，蒲万丽，等.高强度钢材钢结构研究现状[J].科技创新与应用，2017（20）：183+185.

[2]张立国.高层建筑钢结构施工技术应用分析[J].中国新技术新产品，2015（19）：124.

[3]邱林波，刘毅，侯兆新，等.高强结构钢在建筑中的应用研究现状[J].工业建筑，2014，44（03）：1-5+47.

[4]班慧勇，施刚，石永久，等.建筑结构用高强度钢材力学性能研究进展[J].建筑结构，2013，43（02）：88-94+67.

[5]高涛.高层建筑钢结构施工技术及钢结构体系梁柱的连接节点设计[J].江西建材，2017（05）：91+95.

[6]陈冒权，柳文.高强度钢材钢结构的受力性能及民用工程应用[J].上海建设科技，2015（04）：60-62.

[7]许红.浅析高强度钢材钢结构在工程中的运用[J].河南科技，2013（05）：49.