高性能结构钢材与钢结构体系研究与应用*

石永久，余香林，班慧勇，彭耀光

(1 清华大学土木工程系，北京 100084；2 百安力钢结构应用科技有限公司，珠海 519040)

0 前言

《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出,“十四五”期间我国的城乡建设行业要大力推广绿色建材，发展装配式建筑和钢结构住宅，建设低碳城市。“十三五”期间”我国通过“重点基础材料技术提升与产业化”重点研发计划，研发了高性能交通与建筑用钢(包括建筑结构用抗震耐蚀耐火钢、高性能桥梁用钢等)，显著提升了结构钢材的性能[1]。2020年住房和城乡建设部等九部委联合颁布了“关于加快新型建筑工业化发展的若干意见”，提出了加大热轧H型钢、耐候钢和耐火钢等高性能结构钢材(HPS)应用的发展方向。

冶金行业经过长期的研究和开发，高性能结构钢材的生产技术已步入成熟，产品性能逐渐稳定，亟待在城乡建设行业开展高性能钢材应用技术研究，以充分发挥结构钢材自身的高强、抗灾、环保等优势，进一步提升钢结构体系的腐蚀耐久性、耐高温和抗火能力。目前高性能结构钢材的发展趋势是：1)提高材料强度，大量应用屈服强度fy达到或超过460MPa的结构钢材；2)提高型钢截面效率，采用大尺寸热轧H型钢或大尺寸厚壁管材，减少钢结构加工的焊接工作量，更多采用螺栓连接；3)提高材料的综合性能，推广具有耐高温、耐腐蚀、高延伸率、低屈强比、强度波动小、更好可焊性、抗冲击能力的结构钢材。

1 高性能结构钢材的基本特征

1.1 高强度结构钢材

在城乡建设领域中，钢材的屈服强度fy达到或超过460MPa时称为高强钢材，更高强度钢材的fy可达到960MPa。随着钢材屈服强度的提高，钢材的伸长率下降，一般会低于20%，钢材的应力-应变曲线不再有明显的屈服平台，且材料的屈强比fy/fu大于0.85。因此，需要从发挥强度高的优势、避免塑性低的劣势角度，研究和应用高强度结构钢材。

2008年北京奥运会的体育场馆工程建设开启了高强度结构钢材在建筑工程中推广应用的时代[2]。目前采用屈服强度460MPa钢材的钢结构工程日渐增多，并开始推荐使用屈服强度500，590，620，690MPa等更高强度的结构钢材，我国已修订和编制了应用高强度结构钢材的相关结构设计和施工技术标准。近年来，随着冶金和炼钢技术的不断进步，生产高强度结构钢材的成本不断降低，高强度钢材大量用于建筑结构工程的时机已经来临。

高强度结构钢材在大幅度提高材料强度的同时，可实现钢结构体系综合性能的提高，例如，可显著减小钢结构构件尺寸和结构重量，相应地减少焊接工作量和焊接材料用量，减少各种涂层(防锈、防火等)的用量及其施工工作量，同时降低了钢结构的加工制作、运输和施工安装成本，减少碳排放。在建筑物使用方面，减小构件尺寸能够带来更大的使用空间。

1.2 耐候钢

在结构钢材中加入适量的Cr，Ni，Cu等元素后，钢材在大气环境下发生锈蚀时可在钢材表面形成密实的锈层，阻碍锈蚀向钢材内部扩散和发展，可大幅度减缓钢材的锈蚀速度，从而提高钢材的腐蚀耐久性，这种钢材称为耐候钢或耐蚀钢。

耐候钢的抗大气腐蚀能力比普通钢材可提高2～8倍，大幅度提高结构的耐久性，减少或免除防锈蚀涂装，采用耐候钢的钢结构运维成本也会大幅度降低。国内外一般采用耐大气腐蚀性耐候指数Ⅰ评价结构钢材的耐候性，耐候指数Ⅰ与化学成分含量有关，美国标准ASTM G101建议按下式计算：

Ⅰ=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)-17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-3.9(%Cu)2

一般认为耐候钢的耐腐蚀性指数Ⅰ应不小于6.0。

现行国家标准《耐候结构钢》(GB/T 4171—2008)规定了Q235NH～Q550NH耐候钢的材性要求。现行国家标准《桥梁用结构钢》(GB/T 714—2015)规定了Q345qNH～Q550qNH桥梁耐候钢的材性要求。正在编制的CECS标准《建筑用耐蚀钢》，按照耐一般大气、耐海洋大气、耐特殊海洋大气的耐腐蚀要求，把钢材的耐腐蚀等级分为C1～CX级，规定了Q235NHX～Q550NHT的钢材强度等级。

1.3 耐火钢

普通结构钢材在200℃以上温度环境中强度和弹性模量迅速降低。无防火保护钢材的耐火极限仅为15min，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须采取隔热和防火措施。如果在钢材中添加适量Cr，Mo和Nb等合金元素，可以显著提高钢材的高温强度。国际上一般认为，当钢材受600℃高温作用时，如果剩余屈服强度不低于常温屈服强度的2/3，且钢材可以承受更高温度作用，称之为耐火钢。采用耐火钢的钢结构或组合结构大幅度提高了结构的火灾安全性，可减少或免除防火涂装。现行国家标准《耐火结构用钢板及钢带》(GB/T 28415—2012)规定了Q235FR～Q460FR耐火钢的材性要求。

1.4 抗震耐蚀耐火钢

“十三五”期间，我国通过“重点基础材料技术提升与产业化”重点研发计划，研发了新型建筑结构用抗震耐蚀耐火钢[1]，这种钢材具有优越的抗灾性能，其综合性能指标包括：常温屈服强度fy20℃≥460MPa，600℃高温屈服强度fy600℃≥(2/3)fy20℃，耐候指数Ⅰ>6，钢材屈强比fy/fu≤0.85，断后伸长率δ≥18%。同时研发了配套的焊材和螺栓连接材料。抗震耐蚀耐火钢通过发挥材料的抗灾优势，为建筑钢结构的全生命周期抗震、抗火、耐腐蚀提供了可靠的解决方案。

高性能结构钢材的批量生产和应用使建筑钢结构的抗灾设计理念发生了根本性变革，需要提出发挥材料高性能优势的结构体系和设计、施工技术，需要研究高性能材料本身的力学和结构性能，需要研究基本构件及其连接的力学性能和抗灾性能，需要研究结构体系的抗灾性能、耐久性、全生命周期性能，需要建立高性能结构材料的设计、制作、施工应用技术和标准体系。

2 高性能结构钢材的基本力学特性

我国对高强度结构钢材的在建筑结构领域的研究和应用已有多年的历史，现行国家标准《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2018)规定了Q355～Q690等八个强度级别的高强度低合金钢，覆盖了屈服强度fy=355～690MPa的性能指标。现行国家标准《建筑结构用钢板》(GB/T 19879—2015)，规定了具有高强度、屈服强度波动小、良好延性与焊接性能，并且厚度效应低的综合优越性能钢材，也称为GJ钢，包括了Q235GJ～Q690GJ九个强度等级建筑结构用钢板的性能。

在深入研究和应用高强度钢材的基础上，现行国家标准《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)规定了Q460及以下强度等级的结构设计要求，现行工程建设行业标准《高强钢结构设计标准》(JGJ/T 483—2020)规定了应用Q460～Q690高强度钢材的结构设计要求。

美国建筑钢结构设计规程AISC 360推荐了屈服强度等级为450，480，485，550，620，690MPa的高强度钢材，欧洲的钢结构设计规范EC3已将S460～S690级高强度钢材列入，澳大利亚在高层和大跨度建筑中成功应用屈服强度690MPa级高强度钢材，开始研究采用690MPa级高强度钢材的钢-混凝土组合结构，显著降低了结构的用钢量和自重，取得了明显的经济效益。日本目前正在开始研究将抗拉强度600～1 000MPa钢材应用于建筑结构，以提高结构抵抗地震破坏作用的能力[2]。当前高强度结构钢材的应用技术研究的重点是拓宽高强度钢材的应用范围，在建筑或桥梁工程中采用Q500以及更高强度等级的钢材[3]。

根据城乡基础设施绿色发展的理念要求，在2022年北京冬季奥运会场馆和配套设施建设中，开始推荐采用耐火钢和耐候钢等更加生态友好、低碳环保的高性能结构钢材[4]。目前国内外对耐火钢、耐候钢等高性能钢材及其配套连接材料的基本性能尚缺乏基础性研究。本节以首都钢铁集团和武汉钢铁集团生产的新型耐火耐候钢材和耐火螺栓材料为研究对象，采用试验和数值方法分析研究了耐火耐候钢的常温和高温基本力学性能，初步揭示了耐火耐候钢的抗火承载性能。

2.1 耐火耐候钢材的高温力学性能

石永久和班慧勇等[5-7]采用试验方法研究了首都钢铁集团和武汉钢铁集团生产的高性能钢材常温和高温基本力学性能。

耐火耐候钢的常温和高温拉伸试验分别按国家现行标准《金属材料 拉伸试验第1部分：常温试验方法》(GB/T 228.1—2010)和《金属材料 拉伸试验第2部分：高温试验方法》(GB/T 228.2—2015)执行，拉伸试验采用先升温后加载的方式，实测了耐火耐候钢从20℃到900℃高温范围内的应力-应变关系。

标准拉伸试样取自武汉钢铁集团生产的10mm厚和1.2mm厚WGJ耐火耐候钢板，以及首都钢铁集团生产的1.0mm厚SGJ耐火耐候钢板。不同温度下钢材拉伸试验结果(图1～3)表明，所测试的耐火耐候钢材的应力-应变关系呈现明显的非线性特征，在常温和高温状态下均没有明显的屈服平台。建议耐火耐候钢的常温和高温屈服强度fy按0.2%残余应变对应的应力值f0.2确定。

图1 WGJ耐火耐候钢板(10mm厚)实测应力-应变曲线[5]

图2 WGJ耐火耐候钢板(1.2mm厚)实测应力-应变曲线[6]

图3 SGJ耐火耐候钢板(1.0mm厚)实测应力-应变曲线

耐火耐候钢的弹性模量E和屈服强度fy随温度升高而逐步下降，但是在不高于300℃时屈服强度和弹性模量下降很少，说明耐火耐候钢具有良好的耐热和耐高温性能。当试验温度达到600℃时，剩余屈服强度和弹性模量均超过常温的60%。通过对试验数据进行统计分析，得到了武汉钢铁集团WGJ耐火耐候钢板(10mm厚)和首都钢铁集团SGJ耐火耐候钢板(1.0mm厚)在不同温度下屈服强度f0.2,T和弹性模量ET的近似计算表达式[5-6]：

武汉钢铁集团生产的WGJ耐火耐候钢板(10mm厚)：

(1)

(2)

首都钢铁集团生产的SGJ耐火耐候钢板(1.0mm厚)：

(3)

(4)

鉴于耐火耐候钢的非线性应力-应变关系，建议采用Ramberg-Osgood模型表征耐火耐候钢在不同环境温度T条件下的应力σT-应变εT关系(图4和图5)：

图4 WGJ耐火耐候钢板(10mm厚)计算应力-应变曲线[5]

图5 SGJ薄板计算应力-应变曲线

(5)

式中：ET，f0.2,T分别为环境温度T时的耐火耐候钢的弹性模量和名义屈服强度，按式(1)～ (4)计算；β，n为计算参数，通过非线性回归方法求出。

2.2 耐火高强度螺栓的高温力学性能

孟令野等[8]从首都钢铁集团生产的BFRW10耐火螺栓取样制备材料拉伸试件，进行常温和不同高温条件下的材料拉伸试验，并将试验结果(图6)与普通高强度螺栓的材料拉伸试验结果进行比较。试验表明，耐火螺栓同样具有良好的耐高温性能，普通高强度螺栓在温度600℃下材料的剩余屈服强度不到常温强度下的20%，而耐火螺栓600℃下剩余屈服强度超过了常温强度下的40%。此外，班慧勇等[9]对首都钢铁集团生产的10.9级耐火耐候高强螺栓的高温力学性能及其本构模型进行了试验研究和理论分析。

图6 耐火螺栓材料实测应力-应变曲线[8]

3 高性能钢材基本构件及其连接的高温承载力

根据现行国家标准《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)的基本规定，高性能钢材结构构件及其连接在高温下进行承载能力极限状态设计时，可采用耐火极限法、承载力法或临界温度法。

《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)的耐火极限法要求，在设计荷载和火灾作用下钢构件及其连接的实际耐火极限td不应小于设计耐火极限tm，即td≥tm。构件设计耐火极限tm应根据现行国家标准《建筑防火设计规范》(GB 50016—2014)(2018年版)规定的建筑物分类和耐火等级确定，例如耐火等级为一级的建筑，要求柱、梁、楼板的耐火极限分别为3,2,1.5h。

构件的实际耐火极限td可根据现行国家标准《建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求》(GB/T 9978.1—2008)，通过试验方法实际测定。试验的升温过程T一般采用国际通用的ISO 834标准升温曲线：

T=T0+345lg(8t+1)

(6)

当采用承载力法时，规定在设计耐火极限时间内构件及其连接的承载力设计值RdT不小于最不利荷载组合效应Sm，即RdT≥Sm。《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)给出了荷载效应组合Sm的计算方法，其计算结果近似于常温状态下正常使用极限设计的荷载标准值效应组合。

如用临界温度法设计，《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)要求在设计耐火极限时间内构件及其连接的最高温度Tm不应高于临界温度Td，即Td≥Tm。对于采用高性能耐火耐候钢设计的构件或连接，三种方法均可用于评价无防火涂装或少防火涂装构件或其连接的抗火性能。

3.1 耐火耐候钢螺栓连接的高温抗剪承载性能

孟令野等[8]对采用耐火耐候钢和耐火钢高强度螺栓的抗剪连接进行了数值分析和试验研究，采用先升温后加载的方式进行螺栓连接接头的抗剪稳态温度试验，结果见图7。试验结果表明，不论是承压型连接还是摩擦型连接，其抗剪承载都会随着温度的升高而下降，采用耐火钢螺栓连接比普通高强度螺栓连接具有更高的抗高温承载力，高温状态下具有较高的剩余强度。当环境温度达到600℃时，承压型连接的剩余抗剪承载力不低于常温承载力的50%。图8给出了螺栓连接在不同温度T下的抗剪承载力折减系数kM[8]。

图7 螺栓接头抗剪试验曲线[8]

图8 螺栓连接高温抗剪承载力折减[8]

所以，高强度螺栓承压型连接在高温T下的抗剪承载力可按下式计算：

Rd T=kMRd

(7)

式中Rd为螺栓连接的常温抗剪承载力，按《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)方法计算。

3.2 耐火耐候钢受压构件的高温承载性能

石永久等[5]对无防护涂装耐火耐候钢焊接工形截面轴心受压构件进行了数值分析和试验研究。采用武汉钢铁集团生产的WGJ耐火耐候钢加工受压构件，进行火灾炉高温加载试验。采用先加轴向荷载后升温的方式进行试验，试验过程按现行国家标准《建筑构件耐火试验方法 第7部分：柱的特殊要求》(GB/T 9978.7—2008)的规定执行。

以常温受压构件的承载力为基础，试验的初始轴力荷载比取R=0.2～0.8，试验炉内采用ISO834标准升温曲线加热至受压构件失稳，得到了受压构件的临界温度Td与轴向荷载比R关系(图9)，以及高温环境下轴心受压构件稳定系数φT(图10)的计算公式[5]。

图9 轴心受压柱临界温度[5]

图10 轴心受压柱稳定系数[5]

R=N/φ0Af

(8)

(9)

式中：R为受压构件的常温轴向荷载比，按《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)方法计算；参数γ1～γ4为试验回归系数。

研究表明，当工作温度不超过400℃时，采用耐火耐候钢的轴心受压构件可按常温进行设计。

所以，利用《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)给出的公式(式(10))可以进行火灾下轴心受压构件整体稳定性计算：

(10)

3.3 耐火耐候钢组合楼板的高温承载性能

与纯钢结构相比，钢-混凝土组合结构具有更大的结构刚度和更好的抗火性能，石永久等[10]充分发挥耐火耐候钢和组合结构的双重抗火优势，构建了耐火耐候钢闭口压型钢板组合楼板(图11)。通过试验比较了无防火涂装压型钢板对组合楼板抗火性能的影响。火灾试验过程按照《建筑构件耐火试验方法 第5部分：承重水平分隔构件的特殊要求》(GB/T 9978.5—2008)的要求进行。

图11 闭口压型钢板组合楼板

试验和数值分析表明，对于采用开口压型钢板的组合楼板，裸露的压型钢板在火灾升温过程中的温度基本与炉温同步，30min就超过了800℃(图12)，压型钢板本身基本失去了承载能力。当采用闭口压型钢板时，由于压型钢板肋包裹在了混凝土楼板内，在提高压型钢板与混凝土楼板之间粘结强度的同时，延缓了火灾下压型钢板的升温幅度，90min时压型钢板肋顶处的最大温升一般不超过400℃(图13)，压型钢板本身仍具有较大的剩余承载力，使得无防火涂装的组合楼板在火灾作用下的承载力大幅度提高。

图12 组合楼板温度分布示意[9]

图13 压型钢板升温过程[10]

闭口压型钢板组合楼板抗火试验结果[11] 表1

余香林等[11-12]采用武汉钢铁集团生产的耐火耐候钢辊压成型的压型钢板，进行了无防护涂装的组合楼板常温和高温承载性能试验研究，部分试验结果如表1和表2所示。试验数据表明，包裹在混凝土内的压型钢板肋顶升温缓慢，未配置受力钢筋的组合楼板耐火极限可达到1.5h以上[11]，且试验后残余变形小，剩余承载力高[12]。因此，采用耐火耐候钢闭口压型板的组合楼盖受到火灾作用时仍具有较高的承载力，保证了疏散和消防救援人员的安全，且火灾后无需拆除，简单维修后即可恢复正常使用。

试验研究表明，采用耐火耐候钢闭口压型板的组合楼盖可同时满足常温承载和高温承载的抗灾安全设计要求，实现了无需防护涂装的高效能组合结构。

4 高性能钢材的应用研究和工程展望

高强度、高性能钢材已经在国内外多个建筑工程项目中得到成功应用，获得了显著的经济效益和社会效益，证明了高性能钢材的优越力学和结构性能，为进一步推广应用高强度、高性能钢材，发展高性能钢结构体系提供了参考经验。

2022年北京冬奥会体育场馆建设开启了建筑用耐火耐候结构钢材的时代。例如，延庆赛区高山滑雪场、雪橇中心采用了Q355NHD建筑用耐候钢[4]，首钢滑雪大跳台裁判塔采用SQ345FRW耐火耐候钢[13]，大幅减少了防腐和防火涂装以及后期的维护成本，实现了绿色环保和降低碳排放的高质量发展理念。

闭口压型钢板组合楼板火灾后剩余承载力试验结果[12] 表2

美国在公路桥梁中大量应用高性能钢材为建造免涂装，轻维护钢桥提供了有益借鉴。我国在拉萨至林芝铁路线上的藏木雅江特大桥采用Q345qENH和Q420qENH耐候桥梁钢，北京-张家口高速公路上的官厅水库特大桥采用了Q345qENH钢板[3]，大规模建造免防腐涂装钢桥的时代已经来临[14]。

目前钢结构行业正在大规模编制各类钢结构的材料、连接、设计和施工的技术标准，应该尽快将高性能钢材的内容逐步纳入技术标准规程中，以便规范和指导工程应用，促进高强度和高性能建筑钢结构的健康发展，目前研究工作基础还很薄弱，对高性能钢材的基本理论和设计方法缺乏系统研究，对采用高强耐候耐火钢的结构体系，需要做更多的研究和示范应用工作，高性能钢-混凝土组合和混合结构体系的研究尚处于起步阶段。此外，基于复合型高性能钢材(集高强度、高延性、耐蚀性和耐火性于一体)的构件整体稳定性和节点抗震性能研究亦处于试验和理论分析阶段[15-16]，待时机成熟，可用于替换传统钢构件，以发挥其巨大优越性。

5 结语

高性能钢材已在建筑和桥梁工程中推广采用，使钢结构工程行业充分认识到了高强度和高性能钢材的优越性能和潜在发展前景，基于传统结构钢材建立的结构设计理论和方法难以适用于高性能钢材结构体系，需要研究高性能钢材的基本力学性能，建立其结构分析和设计方法、技术标准体系，发展体现高性能钢材优势的新型结构体系。本文在总结高性能钢结构与组合结构研究及应用现状的基础上提出如下建议：

(1)新型钢结构体系的发展和高性能钢材产品的增加，对优材优用、合理选材提出了新的要求，现行建筑结构标准规范对高强度和高性能钢材的合理应用缺乏必要规定，高性能钢材如耐候钢、耐火钢在国内难以有效推广应用，高性能钢材及其连接的强度设计指标等重要参数更需要长期统计分析和研究。

(2)国内外研究和应用现状表明，需要大力发展新型高性能钢结构和高性能组合结构体系，发展高性能钢材与普通钢材的混合结构体系，发展新的制作加工工艺和焊接材料以体现高性能钢材的优势。

(3)采用热轧型钢构件和高强度螺栓连接是适应建筑工业化发展的有效途径，符合节能环保和可持续发展原则。目前国内外钢结构高强度螺栓连接以采用8.8级和10.9级螺栓为主，螺栓直径在30mm或以下，美国钢结构设计规程已开始采用12.9级高强度螺栓，需要研究10.9级以上和大直径螺栓在高强钢材连接中的应用技术和设计方法，以简化节点构造，方便施工。

致谢：武汉钢铁集团和首都钢铁集团提供了试验研究所采用的高强耐火耐候钢，一并表示感谢。