热轧H型钢在民用建筑中推广应用瓶颈及对策分析

付 洁， 刘彦生， 张一舟， 邢 军， 吴保桥， 施 刚， 王 喆

(1 清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084；2 马鞍山钢铁股份有限公司技术中心，马鞍山 243000；3 清华大学土木工程系，北京 100084；4 中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100048)

0 概述

改革开放以来，我国钢铁工业发展迅猛，截至2021年，钢产量已经稳居全球第一。目前国内钢铁需求量最大的就是房地产行业和基建行业。

我国“十四五”规划纲要提出“碳达峰、碳中和”的大战略，对建筑领域提出了持续绿色发展的理念与要求。钢结构建筑的大规模推广应用顺应国家战略要求，是建筑业发展的大方向之一。

热轧H型钢具有截面尺寸精度高、力学性能好、无需焊接和焊缝检测工序、制造能耗低、成本低等优点，在提升钢结构建造质量，降低能耗方面具有显著优势。依据相关文献的统计资料，早在2002年国外热轧H型钢年产量达到1000万t以上，用量占钢结构中钢材总量的50%左右[1]；而截至2017年，国内热轧H型钢用量只占钢结构中钢材总量的5%～20%[2]，发展的空间很大。并且工业建筑中热轧H型钢用量明显大于民用建筑，因此应着重推进民用建筑中对热轧H型钢的应用。

随着钢铁企业生产技术发展，热轧H型钢品种、质量和规格等问题已有了基本成熟的解决方案，热轧H型钢在民用钢结构建筑领域的大规模应用条件也已经具备。热轧H型钢的推广更能够直接推进建筑工业化和标准化，推动建筑业绿色环保、高质量发展。

1 热轧H型钢应用瓶颈

近年来，虽然热轧H型钢生产厂家在生产适用性更强的热轧H型钢方面做了不少努力，但热轧H型钢在民用钢结构建筑领域的推广中仍然遇到了很大困难。

现行国家标准《热轧H型钢和剖分T型钢》(GB/T 11263—2017)[3]规定，热轧H型钢产品类目分为四类：HW型、HM型、HN型和HT型。其中HW型为宽翼缘热轧H型钢，适用于受压或压弯构件；HN型为窄翼缘H型钢，适用于受弯构件；HM型为中翼缘H型钢，介于宽翼缘HW型和窄翼缘HN型之间；HT型为薄壁H型钢，翼缘和腹板更薄。

从型钢类型来说，现有热轧H型钢种类还是较丰富的。但是，由于热轧H型钢分为常用型号和非标型号，可使用的热轧H型钢型号非常有限。部分常用型号如表1所示[4]，以HN型为例，在200～900mm高范围内常用型号每种高度仅有一种；非标型号200～500mm高范围内每种高度仅有一种，500mm以上高度每种高度有两种。由于非标型号供货商通常没有大量库存，采购会有3个月左右的订货期。依据我国目前的设计流程与建设速度，基本无法满足设计建造周期要求，一般设计仅选用常用型号。综合以上两点，民用建筑常用梁高400～600mm范围内仅有四种常用规格可选，远远无法满足民用建筑的设计需求。民用建筑要求在同一高度的截面类型丰富，截面宽度、截面惯性矩等参数级差细分，可选项更多，以便能同时满足建筑与结构的设计及使用要求。

现有热轧H型钢常用型号 表1

此外，除了一般热轧H型钢的产品规格较少，重型热轧H型钢的规格也比较混乱，高强热轧H型钢专有规格欠缺。因此热轧H型钢产品规格需要整体调整，以适应民用建筑的设计要求。

2 民用建筑领域钢结构特点

热轧H型钢产品线的规划需要对使用场景进行分析。与工业建筑不同，民用建筑领域自身特点非常鲜明。民用建筑领域，结构设计需要与建筑设计密切配合，以达到“结构成就建筑之美”。

首先，结构构件的尺寸受限。在工业建筑领域，工艺是主导专业，对建筑形式的要求不高，结构设计以受力合理为首要因素，可以通过调整梁高来解决受力问题，效率更高更合理。现有热轧H型钢规格以截面力学性能合理为目标，与工业建筑的需求吻合。但在民用建筑领域，建筑形式是主导方向，建筑设计时追求空间布置的合理性，梁的高度通常是控制性指标，结构必须在有限高度下解决工程问题，一般通过调整翼缘的宽度和厚度来解决问题，效率不是最优，使用的梁截面也是“有条件的合理”。现有热轧H型钢每种高度基本只有1～2种规格，缺乏这种“有条件的合理”规格，不便于在民用建筑领域的使用。

此外，如考虑选用非标规格解决可选常用规格少的问题，除了采购周期长，还存在各种规格间尺寸细微偏差的问题。由于非标规格和常用规格的热轧H型钢虽然名义尺寸一致，但是其准确尺寸还是存在一定的差别，对配套的建筑幕墙、屋面系统都会有一定要求，会造成后期安装、装修的尺寸问题，这需要产业链整体配套解决。

其次，民用建筑领域对经济性的要求更高。在工业建筑领域，一般结构造价占工业项目总投资的比例很低，对用钢量的要求不高。工业建筑选用热轧H型钢时，其级次间距大的问题不突出。在民用建筑领域，结构造价占比很大，经济性的问题非常突出：1)民用建筑需要在相同梁高下通过细化区分翼缘宽度、厚度达到相对更经济合理的用钢量，而现有热轧H型钢级次间距大，用钢量不好控制；2)非标规格热轧H型钢的级次区分依然偏少，并且采购周期长，价格也不占优势；3)现有的经济评价指标也不完善，单纯以用钢量来衡量经济性，人工、环境成本也不体现在用钢量中，因此不能充分体现热轧H型钢的经济优势。

以一些工程实例来论证上述观点，如下：

(1)以HN型热轧H型钢为例，结构中常用的截面高度为300～600mm，市场常用规格的比较如表2。可见，每一级常用规格之间截面面积、截面惯性矩、截面抵抗矩的级差较大。例如一实际工程轴网十分规则，次梁跨度荷载基本相同，若次梁采用HN350×175截面的热轧H型钢略不满足设计要求，则只能向上越级选择采用HN400×200截面的，则该次梁的用钢量将增加30%以上，经济性差。

300～600mm高HN型热轧H型钢常用型号比较 表2

(2)以结构中常用的截面高度600mm的H型钢梁为例，常用规格的热轧H型钢与焊接H型钢的理论重量和截面惯性矩的比较见表3。其中HN，HM为热轧H型钢型号，H为焊接H型钢型号。可见，两种常用热轧H型钢规格HN600×200×11×17和HM588×300×12×20之间理论重量相差超过HN600×200×11×17热轧H型钢理论重量的42%，即使将非标规格计算在内热轧H型钢各级级差也超过10%，并且该高度下最大的热轧H型钢截面惯性矩也不能完全满足实际常用的焊接H型钢的截面要求。焊接H型钢经常会用到更厚的翼缘(25～30mm)，控制截面高度不变，通过调整翼缘宽度级差(150，200，250，300mm等)来满足经济性要求。最后还有建筑设计时建筑师的选择偏好问题，比如焊接H型钢H600×200×12×25和热轧H型钢HM582×300×12×17，两者的惯性矩和用钢量基本相同，但建筑设计师更偏向于使用前者。因此在实际工程使用中，现有热轧H型钢型号无法完全满足设计要求，焊接H型钢因其截面选择灵活性，具有一定优势。

最后，与国外设计经验对比，探讨我国民用建筑领域需求的特殊性。国外建筑设计更加精细化，例如通过在钢梁腹板开洞的方式解决安装问题，对梁高的要求就可以适当宽松。发达国家一般建筑通常对用钢量的要求也不那么严格，由于人工、环境成本高，综合经济效益是主要考察因素。以上特点有利于热轧H型钢大面积的使用。而我国对民用建筑的设计水平与发达国家的设计水平还有一定的差距。从另一个角度来说，欧美的热轧H型钢规格也比我国目前的常用规格丰富。基于国内的建筑业发展现状，热轧H型钢级差应更细化，规格应更丰富，才能体现其综合经济效益。

600mm高热轧H型钢与常用焊接H型钢的理论重量和截面惯性矩比较 表3

3 热轧H型钢推广路径与方向

热轧H型钢在结构设计方面具有以下优势：产品质量好可靠度高；工业化生产力学性能稳定；相比焊接H型钢残余应力小。

热轧H型钢的综合经济效益也具有优势：市场成熟后产品的供货周期短；与焊接H型钢相比节省焊接费用、加工损耗小；工业化生产符合产业发展趋势，更加绿色环保。

在民用建筑领域，热轧H型钢具有很大的发展前景，应该得到大力推广。因为结构设计是源头，直接主导选材选型，因此热轧H型钢的推广要从设计行业的需求和习惯着手。生产厂家要充分了解和梳理设计行业的需求，根据设计需求改进产品型号，使产品线适用于民用建筑；整理汇总热轧H型钢的设计技术文件，便于设计人员查找使用；完善生产工艺与配套技术，开拓市场，引导设计人员使用更为经济合理的H型钢类目。

为推动民用建筑行业进步，许多生产、设计单位、科研机构都进行了关于热轧H型钢工程应用推广方向的探讨。我国热轧H型钢的主要应用包括民用住宅、高档超高层建筑、民航站楼、民航机库、体育场馆等[5]。随着民用建筑技术发展，应用领域还在不断拓展。相比焊接H型钢，热轧H型钢具有精度高、残余应力小、无时效变形、可大量供货的优点，但型钢规格数量不全，长度受限[6]。而且在设计方法上现行规范也缺乏针对性。国内绝大多数研发、设计、制造、安装脱节[7]。某大型产学研项目“热轧H型钢(含重型)应用研究”正在开展，联合设计、生产、科研各方力量，针对热轧H型钢(含重型)研究其适合工程应用推广的截面尺寸规格、材料性能特点、设计指标、构件力学性能以及配套的焊接工艺等，形成适用于实际工程的设计方法，编制技术规程和标准图集，并推进示范工程落地实施，为热轧H型钢的广泛应用提供直接支撑。

4 热轧H型钢设计对策

通过对民用建筑领域结构设计特点的梳理总结，基于民用建筑领域需求，以力学原理为基础，从构件类型、使用类型、钢材强度、级次划分等方面入手，梳理热轧H型钢的设计对策，如图1所示。

图1 热轧H型钢设计对策

4.1 从构件类型入手

4.1.1 数据调研

进行热轧H型钢民用工程使用大数据调研。通过调研民用建筑常用设计参数，参考设计人员选用习惯，提出适用合理的截面尺寸类型。

4.1.2 梁式受弯构件常用H型钢截面特点

民用建筑的受弯构件截面通常由挠度或抗弯承载力控制，采用高、窄、腹板较薄截面的构件经济效益好。

梁式受弯构件常用截面特点如下：1)H/B(截面高度/宽度)约为2～3倍；2)腹板在满足受弯构件局部稳定要求下尽量薄；3)翼缘厚度在满足板件局部稳定的要求的基础上逐级加厚；4)主梁高主要在300～700mm范围内，次梁高主要在200～500mm范围内，应在此范围内重点细化级次。

4.1.3 常规轴心受压或压弯构件常用H型钢截面特点

柱、支撑、普通桁架弦杆和腹杆，控制因素通常为截面面积和回转半径(影响构件整体稳定的参数)。

常规轴心受压或压弯构件常用截面特点如下：

1)H/B(截面高度/宽度)约为1～1.5倍；2)腹板满足压弯构件局部稳定要求(高于受弯构件)；3)翼缘厚度在满足板件局部稳定的要求的基础上逐级加厚；4)截面高度主要在300～700mm范围内。目前HW型H型钢常用截面只到500mm×500mm，建议增加截面，细化级次。

4.1.4 重型桁架、支撑构件常用H型钢截面特点

高层、超高层建筑中伸臂桁架和腰桁架，展览建筑、体育建筑等大跨度楼层桁架、大跨度楼面组合梁等，常会用到重型桁架或大尺寸支撑构件。此类构件通常内力巨大且受力情况复杂，同时构件截面尺寸也会受到建筑等专业的条件限制，适用重型热轧H型钢。

重型H型钢是热轧H型钢中一个类目，在国外已经有了相当成熟的市场，欧洲标准、美国标准和日本标准中都有相应规格的产品。日本JFE开发的Super Hislend H型钢系列产品就是重型热轧H型钢的代表产品之一[8]。随着生产技术的提升，国内目前已有厂家可以生产重型热轧H型钢，在国内属于一种新产品线。重型H型钢是指每米质量不低于300kg或翼缘厚度不低于40mm的热轧H型钢[4]。国内重型热轧H型钢的极限产品规格如图2所示。

图2 重型热轧H型钢极限规格

对重型热轧H型钢的需求可以分为两类：强度需求、刚度需求。如果为了满足强度需求，还可以将重型热轧H型钢与高强热轧H型钢相结合。

目前重型热轧H型钢产品规格还比较粗放，应对现有重型钢截面进行优化，对受力性能进行研究。

4.2 从使用类型入手

4.2.1 分类进行产品性能研究

对于普通型热轧H型钢，产品性能已经比较稳定，主要应通过与焊接H型钢产品性能对比，从产品外观、受力性能等方面，量化热轧H型钢的优势。

对于重型热轧H型钢，其力学性能和设计方法研究还有进一步的发展空间，主要研究内容应包括重型热轧H型钢Z向性能研究、残余应力分布试验研究等。通过总结重型热轧H型钢的设计方法与经济合理截面，指导设计人员的设计方向。

对于高强热轧H型钢，其力学性能和设计方法研究较为缺乏，应重点研究板件厚度对构件整体稳定和局部稳定的影响。亟需确定高强热轧H型钢的专属经济合理截面，保证产品安全，正确指导设计人员的设计方向。

设计单位应与科研单位紧密配合，使重型热轧H型钢和高强热轧H型钢的研究方向能更好地服务于工程，更具实际意义。

4.2.2 分类开拓热轧H型钢的使用场景

普通型热轧H型钢用于常规钢结构；重型热轧H型钢用于复杂、大型钢结构；轻型热轧H型钢则不拘泥于主体结构用钢，向建筑装饰领域推广，可用于轻型屋面檩条、幕墙龙骨等应用场景。

为此应对现有轻型热轧H型钢HT型系列进行改进，尽量调整外形尺寸为整数，具体外形参数可参考高频焊接薄壁H型钢，开拓新的使用方式。

4.3 从钢材强度入手

现有民用建筑用钢的主要强度为Q235，Q355，但Q390，Q420乃至Q460也已经开始逐步推广使用。我国高强度钢材的生产工艺已经较为成熟，相关建筑设计标准也在逐步完善，其经济性将使高强热轧H型钢成为未来发展方向之一。热轧H型钢应借此发展良机，占领市场，形成高强钢结构的主导力量。

目前热轧H型钢的主要使用的钢材强度为Q235，Q355型；而使用强度为Q390，Q420，Q460及以上钢材的热轧H型钢的生产工艺虽然也已经基本成熟，但是产品性能的相关科研工作亟需开展。由于高强钢的板件局部稳定性能减弱，高强热轧H型钢截面设计时须注意加厚腹板和翼缘，以保证构件局部稳定。不应全盘照搬普通热轧H型钢截面，存在安全隐患。

4.4 从优化产品级次入手

4.4.1 热轧H型钢与焊接H型钢经济效益调研

热轧H型钢与焊接H型钢的经济性比较，主要是型钢价格与钢板价格及焊接H型钢的制造成本的比较。

用普通钢板、型材焊接组合钢构件比使用H型钢增加钢材:钢材下料增加损失约10%～12%；考虑焊接应力多用钢材约10%～20%；多消耗焊条重量损失约1%～2%[9]。根据2002～2004年的价格数据显示，热轧H型钢价格减去中板(10mm)价格的价差小于等于25元/t时(25元/t为除管理费、设备折旧外焊接H型钢的制造成本)，将对热轧H型钢消费有大大促进作用[10]。

随着人工成本与环境成本增加，这个数据已不再能反映当前国内的实际情况，因此需要以常用截面为基础，调研热轧H型钢与焊接H型钢的单位价格、加工费用、加工损耗、环境效益等多方面情况。

通过调研结果，提出更合理的经济效益评价指标：一方面两者价格应取包含以上因素的综合单价；另一方面结构不应单纯依据每平米用钢量来衡量，而应采用价格当量的方式来评价。钢结构价格当量应通过以下方式计算：钢结构价格当量=(热轧H型钢用钢量×热轧H型钢综合单价+焊接H型钢用钢量×焊接H型钢综合单价)/面积。这样才能综合考量各种经济指标带来的影响，体现热轧H型钢综合经济效益的优势。

4.4.2 优化产品级次

优化产品级次是热轧H型钢能否顺利推广的关键工作。应从工程适用性和经济性的角度，平衡热轧H型钢产品级次划分。

工程适用性指的是从工程常用跨度、荷载等方面考虑，总结整理工程中常用的产品型号，形成产品序列，使工程人员可以根据实际情况选取适用的型号。

经济性是指不能仅凭需求一味细分级次，应科学分析，协调增加产品级次造成的生产成本增加与节省的用钢量带来的产品价格降低之间的平衡；协调产品级次价差与焊接H型钢价差的平衡，以此控制不同级次的产品之间理论重量差。

不要求热轧H型钢产品级次能够100%满足工程需求，而是需要在适用性和经济性之间取得平衡，满足大多数工程的需求。

5 热轧H型钢规格设置方案

要使得热轧H型钢在民用建筑领域得到进一步推广，必然要求优化现有热轧H型钢规格，增补适用于民用建筑的型钢类型与截面。应研究制定适用于民用建筑的热轧H型钢表。

对民用热轧H型钢表的整体设置方案有如下几个层级：

(1)整体型钢表中所有规格数据均需经过研究和检验，可满足质量要求。型钢表按受力情况分类，表内型号在给定使用条件下无需再专门验算构件局部稳定，简化设计程序，减小工程风险，方便设计人员使用。

(2)设置市场常用规格简表。通过与各大设计院设计人员研讨，对工程项目常用H型钢截面进行调研，并经过科学分析来确定H型钢截面。总结常规结构常用的不同钢材型号及对应的常用型钢截面，保证型钢型号级次合理，经济适用；对常用荷载、跨度、间距进行梳理，整理出可供设计人员参考的推荐型钢型号，培养设计人员适应热轧H型钢的设计模式，引导拓展行业的设计方式。

(3)设置定制规格型钢表。对于一些大型、重点、复杂项目，市场常用规格的热轧H型钢不能满足使用要求，可以提供相关参数，允许设计人员向厂家定制型钢表中存在的非标热轧H型钢，以达到质量可控的目的。

6 结语

热轧H型钢具有性能优良、节能减排，安全可靠、绿色环保、综合经济效益高等众多优势。但目前存在产品级次与民用建筑设计特点不匹配的问题。通过调查与总结，对热轧H型钢的生产和应用推广提出以下建议：

(1)建议按构件类型和使用类型重新定制型钢表，贴合设计人员使用习惯。

(2)建议按构件类型分别确定产品级次，满足不同构件的选型要求。

(3)建议针对重型热轧H型钢、高强热轧H型钢开展基础性研究，提出具有针对性的设计方法，引导设计人员的设计方向。

(4)建议研发推出与热轧H型钢配套的连接方式，特别是重型热轧H型钢和高强热轧H型钢的焊接性能还需要专门研究。

相信通过设计、生产、建造多方共同努力，热轧H型钢在民用建筑领域的应用前景会非常广泛。