超高强度钢材钢结构的工程应用

瞿书敏

摘 要： 超高强度钢凭借着良好的拉伸性、成形性等优势在当前的建筑工程中应用比较广泛，其使得钢结构建筑质量得到了明显的提升，为建筑行业持续发展起到了推动作用。基于此，本文就超高强度钢结构工程应用展开研究，首先对其性能进行了分析，其次对其在实际工程中的应用展开论述，希望能够为超高强度钢材应用提供参考，以增加经济效益。

关键词： 超强度钢材;钢结构;工程应用

【中图分类号】G322     【文献标识码】B     【文章编号】1674-3733（2020）05-0128-02

钢结构作为建筑工程的一种常用结构，其性能直接影响着建筑工程的质量。近些年，技术进步使得钢材制造水平也得到了发展，钢材性能越发完善，在实际的建筑施工中被广泛应用，为我国建筑行业的持续发展起到了推动作用。现阶段，在建筑工程中，超高强度钢材是其主要构件，这种钢结构的应用不仅降低了建筑成本，保证了建筑安全，同时也节约率建筑材料，具有环保作用，符合现代化建筑的发展要求。

1 超高强度钢材性能

超高钢材源自于上世纪40年代，其通过对高强度钢材实行淬火以及低温回火工序来制作的，得到的钢材抗拉强度达到190kgf/mm2。而随着技术的发展，超高强度钢材本身的性能也在持续提升，我国从上世纪50年代开始生产超高强度钢材[1]。这种钢材的应用不仅能够增加建筑领域的经济效益，同时也能够为国民经济的发展起到积极的推动作用。

超高强度钢材根据冲击韧性划分分成三个类别，分别为Q、QL、QL1;根据化学成本含量，三种钢材差异不大，其中的碳、氮、硅、镍等含量基本一致，含量有所差异的主要为磷和硫这两种元素，磷匀速含量减少，钢材冲击韧性增强，硫元素增加，冲击韧性增强。低温环境中，超高强度钢材具有一定抗沖击性，通过实验得知，在0℃状态下，Q级钢材能够承受的冲击功率最小为30J，QL级钢材的冲击功率最小为35J，QL1级冲击功率最小为40J[2]。同时，在各级别超高强度钢槽中，其性能保持的温度最低限度各有差异，三个级别的钢材性能保持温度分别为-20℃、-40℃、-60℃。此外，超高强度钢材本身的抗震性也比较好，通过对Q460钢材的截面钢柱进行荷载试验，发现其滞回曲线十分饱满，具有较好的抗震性能，无断裂现象，钢板的厚度和轴压直接影响了其抗震性。

2 超高强度钢材应用优势

超高强度钢材在使用时相较于其他钢材强度而言更高，稳定性更强，使用的钢材数量也更少，能够节约资金。超高强度钢材的应用优势主要体现了以下几方面：

2.1 节省建筑资金。超高强度钢材由于强度大，施工时所使用的数量会随之减少，进而节省了建筑资金。同一部位施工人员能够减少钢材尺寸，其不仅会减少焊接量，同时也能够减少场地，并大大减轻钢材重量，减少材料运输费用，为整个建筑工程的资源都起到节约作用。同时，超高强度钢材的应用可以用少量的钢材满足建筑结构整体力学要求，弥补建筑结构中出现的问题，简化钢材整体设计，使结构更加稳定。

2.2 推动环境保护。全球生态环境日益恶化，环境问题十分突出，为了响应国家持续发展要求，建筑行业也提出了节能环保材料的应用。对于钢材应用而言，传统的钢材由于炼制时会使用大量的能源和材料，导致环境污染，资源用量大，不符合现代社会发展要求。而超高强度钢材的应用符合可持续发展战略，响应环境保护号召，降低能耗，提高资源利用率。

2.3 增加经济效益。根据统计，相较于普通钢结构使用量而言，超高强度钢材在建筑中大规模应用能够使钢材使用量减少10wt，投资节省超过10亿元。由此可见，在工程中应用超高强度钢材能够降低成本，增加经济效益。

3 超高强度钢材钢结构的工程应用

3.1 德国索尼中心

德国在建筑、机械制造以及汽车等领域发展比较好。德国在很多著名建筑中都应用了钢结构建筑结构，使用的超高强度钢材规模也比较大。例如德国索尼中心大厦，如图1所示，该建筑分为8部分，占地面积达到2.64万平方米，容纳游客达到800万。该建筑结构比较特殊，其中一部分位于屋顶桁架上，并悬挂其上，主要是用于保护桁架下方建筑[3]。屋顶桁架采用的钢材就是超高强度钢材，型号为S460和690，其强度值分别为460MPa和690MPa，这两种型号的钢材应用不仅能够使屋顶桁架具备低温保持性能，同时也能够缩减尺寸，使横截面积减少，提高建筑的精巧性。

3.2 澳大利亚星城饭店

星城饭店位于澳大利亚悉尼，如图2，该建筑既具有娱乐功能，同时也兼具酒店以及剧院功能，整个建筑共13层，其在钢材方面的要求较高，为了能够保证地下停车位数量达到2500，需要保证地下停车场的柱子直径不可过大，这就需要使用超高强度钢材与混凝土结合制作组合柱，既能够保证柱子的承重力，同时也能够减小其占据面积，满足地下停车场的建筑要求[4]。

3.3 中国鸟巢

鸟巢位于中国北京，如图3，其为国家体育场，作为2008年北京奥运会的主要场所之一，是由国际知名建筑设计师所设计建造的，造价超过22亿元。该建筑的结构比较复杂，其中的钢结构大部分都是炒高强度钢材，采用的型号为Q460强度的钢材，这一钢材为低合金高强度钢，本身制造难度大，施工困难，但是，该钢材的应用也是的鸟巢的钢结构更加稳定，提高了建筑的整体质量。

3.4 日本建筑

日本处于地震带上，地震频发，为应对这一灾害，日本建筑在稳定性上提出的要求很高，因此，日本很多建筑使用的钢结构都是超高强度钢结构。如图4。日本建筑中应用的钢材强度一般处于400-490MPa之间，施工时，利用这种钢材可以使钢板截面厚度缩小，减少焊接缝，使钢板整体承重力提升。同时，施工人员通过调整建筑内部结构，使钢结构自振频率发生变化，这样能够避免地震发生时因为共振导致建筑被破坏[5]。

3.5 法国米高大桥

法国米高大桥属于斜拉跨桥，如图5所示，其高度为343米，桥面长度为2460米，桥面分为6个主跨与2个辅跨结构，桥面主梁以及连接构件采用的钢材是超高强度钢材，其型号为S460，相较于普通钢结构而言，这种钢材的钢板截面以及焊缝尺寸等都有所缩小，同时，在整个桥梁重量固定的情况下，整体承受力有所提升，且结构本身比较轻，承重力少，桥梁使用寿命大大延长，同时也减少了焊接作业，提高了施工速度，降低了施工成本，具有明显的经济效益作用。

3.6 高铁道路

在高铁道路中，超高强度钢材也有所应用，为了满足高速运行列车的运行轨道前度要求，避免列车由于速度过快导致轨道变形，需要在铁轨建设时应用超高强度钢材，其不仅能够保护环境，同时也能够凭借着良好的性能保证高铁运行稳定、安全。如图6.

4 超高强度钢材工程应用发展方向

超高強度钢材在工程应用中的效果比较好，但是由于这一技术仍然需要完善，在规范标准上存在不完善的地方，影响了钢材的应用。因此，在后续的推广应用中，其仍然需要进一步完善，丰富钢材种类，特别是强度超过420MPa的钢结构，并实现系统化生产，使其能够与工程建设需求相符，并为施工企业创造更多选择。同时，还需要加大技术研究，建立健全质量评价体系，对超高强度钢材质量进行全面系统的评价，提高其质量，为施工建设奠定基础。此外，对钢材性能指标进行完善，使其能够为工程设计提供有效指导，并创新钢材连接技术，提高连接质量，使超高强度钢材更能够符合工程建设实际应用要求。

结束语：相较于普通钢材而言，超高强度钢材性能出色，能够增加经济效益，且与我国的持续发展战略相符，对于国民经济的发展有着积极的推动作用，但是，这种钢材的制造难度比较大，需要进一步加大力度研究，使其能够在节约能源的基础上提高制造效率，降低制造难度，进而实现大规模应用。现阶段，超高强度钢材在国内外建筑中都有所应用，且应用范围比较广，相关工艺和经验也已经逐渐成熟，我国可以积极借鉴国外发达国家丰富的建筑经验，提高建筑水平，为其在建筑领域中的应用和发展奠定良好的基础。

参考文献

[1] 白云辉.超高强度钢材钢结构受力性能的特点和优势分析[J].冶金丛刊，2019，004（010）：112-113.

[2] 孟立周.钢结构连接与高强度螺栓施工技术[J].商情，2018，000（034）：202.

[3] 纵飞.高强度钢材钢结构研究进展综述[J].建筑·建材·装饰，2018，000（014）：149.

[4] 刘正浩[1]，窦建峰[1]，房晓光[1].高强度钢结构建造分析及完善策略探讨[J].中国战略新兴产业（理论版），2019，000（002）：1-2.

[5] 郭美娜.谈钢结构在现代建筑施工中应用[J].中国室内装饰装修天地，2018，000（015）：291.