钢结构建筑发展前景广阔，钢材多样性成关键

编者按：钢结构以其强度高、自重轻、抗震性好、工业化程度高、节能环保等综合优势而得到广泛应用。在美国、日本等发达国家，钢结构建筑面积已占到总建筑面积的50%以上，而我国钢结构建筑比重不足10%。随着我国城镇化建设的加快，未来钢结构建筑将有广阔的发展空间。开发新品种钢材、满足市场对钢结构用钢的需求，对我国钢铁企业来说还有很长的路要走。本报特组织此次专题报道，为企业在钢结构产品研发方面提供参考。

钢结构主要钢材

钢厂开发了多种在钢结构中得到广泛应用的钢材。所开发应用的钢材的特点，用一句话概括就是：钢材的“多样性”。第一个特点是“强度的多样性”，钢材的强度范围涵盖了从超高强度到极低强度的多种钢材；第二个特点是“功能的多样性”，开发了各种具有高焊接性、高韧性，特别是耐腐蚀性和变形能力的钢材。低屈强比、窄屈强点范围、高耐火性是日本独有的性能要求，其中有些已被欧美标准采用；第三个特点是与钢材形状有关的特性，这里叫“截面的多样性”。采用热轧方法可以生产大截面材料、极厚材料和不对称截面材料等，不仅能为用户提供形状自由度高的钢材，而且可以为用户提供各种尺寸规格的钢材。

1助力大型钢结构的高强度厚钢板

在桥梁钢方面，由多根梁平行组成的桁架桥（板梁）的建设，加速了高强度钢的发展。20世纪50年代开始使用抗拉强度为500N/mm2的厚钢板，60年代开始使用抗拉强度为600N/mm2的厚钢板。后来，桥梁的大跨度对桁架桥、悬索桥等结构形式的革新起了重要作用。到60年代末，厚钢板的抗拉强度已达到800N/mm2。当时的高强度钢都是含有大量Ni、Mn、Cr等合金元素的钢，这些钢虽然强度高，但焊接性是个问题。 为了解决这一问题，日本在1998年建成的明石海峡大桥中，作为加劲梁用钢，开发了低预热型800N/mm2级钢材。该钢种结合当时新兴的TMCP技术与沉淀强化技术，提高了钢材的焊接性，成功地将过去的预热温度由100℃以上降低到50℃左右。

20世纪90年代以来，高强度钢在建筑中的应用取得了进展。1993年在横滨陆上灯塔上使用600N/mm2钢材就是一个代表性例子。2000年以后，被称为阻尼器的抗震装置（减震结构）得到广泛应用。它可以吸收地震在建筑物中产生的振动能量，减轻建筑物柱梁的损坏程度。虽然高强度钢在建筑中的应用晚于桥梁，但随着新的抗震设计方法和新的建筑结构形式的实施，超高强度厚钢板在建筑中的应用现已超过桥梁。

2世界最长悬索桥缆索采用超高强度钢丝

一般而言，当高强度钢丝的碳含量增加到0.8%时，就会形成由硬相和软相组成的珠光体组织。研究发现，添加Si和Cr可以抑制碳的扩散，防止渗碳体断裂。在明石海峡大桥钢丝的生产中，由于Cr会降低热处理的效率，因此最终采用的方法是添加Si来提高强度。由于目前已经可以生产抗拉强度超过2000N/mm²的钢丝，因此有望在世界规划中的长桥（例如挪威的松恩峡湾大桥）中使用。

3解决氢脆问题的建筑用超高强度螺栓

日本于20世纪50年代开始将高强度螺栓应用于桥梁和建筑，初期高强度螺栓的抗拉强度为600～800N/mm2。1964年日本首次制定了高强度螺栓的工业标准，推动了高强度螺栓的推广应用。1964年的日本工业标准中，列出了抗拉强度为700、900、1100、1300N/mm2四种螺栓的工业标准。1300N/mm2螺栓使用后会立即发生氢脆（延迟断裂），因此在1967年标准的修订中，只列出了抗拉强度为800、1000、1100N/mm2三种螺栓的工业标准。 随后，1100N/mm²级螺栓时常出现氢脆问题，因此1979年以后，只有1000N/mm²级（F10T）螺栓标准，高强度螺栓因氢脆问题而停滞了约20年。

1999年，建筑用高强度螺栓的氢脆问题得到解决，高强度螺栓由以前的1000N/mm²级提升至1400N/mm²级（F14T）。超高强度螺栓通过海水试验等暴露试验，确认具有稳定的耐氢脆性，在建筑中使用已有1​​0年以上，为钢结构部件的简化、省力化做出了巨大贡献。

4满足多种性能要求的桥梁用高性能厚钢板

高强度钢（抗拉强度800N/mm²级）在桥梁上的应用虽然在1960年代得到了迅速发展，但由于为保证淬硬性而加入了大量C、B，高强度钢容易产生低温裂纹等焊接性问题。为解决这一问题，开发了低预热型800N/mm²级钢材（厚钢板）。由于这种钢板可将焊接预热温度降低到原来的一半以下（50℃），为桥梁建设速度的提高做出了贡献。

日本于1994年开始桥梁用高性能钢材研究，2008年在新钢材标准（JIS G3140-SBHS）中纳入了SBHS500、SBHS700（数值表示屈服强度），2011年又增加了SBHS400。美国、韩国也制定了桥梁用高性能厚钢板标准，但日本SBHS钢的保证屈服强度值高于其他国家，如表1所示。

5.新抗震设计方法对建筑抗震钢材的要求

20世纪80年代以来，新型建筑结构用钢材得到大力开发和应用。随着《新抗震设计法》的实施，1981年建筑物设计发生了巨大变化，由弹性设计转向塑性设计。开发了SN钢、SA440钢等抗震钢材（厚钢板、型钢）。这些新型抗震钢材的主要特点是，不仅钢材的韧性值和板厚方向的截面收缩率达到桥梁钢材的标准，而且屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）的上限值和屈服强度的上下限都在规定范围内。

屈强比是影响钢构件塑性变形能力的指标，也就是说屈强比YP越低，塑性区域越大，变形能力越高。SN钢、SA440钢（抗拉强度400-600N/mm²）属于低屈强比钢，以硬相和软相的双相组织为基础，通过组织控制和晶粒尺寸控制，可获得必要的强度和屈强比。

另一方面，屈服强度的上下限是影响整个车架变形能力的性能指标。SN钢和SA440钢的屈服强度的上下限规定为100-200N/mm²。通过严格控制生产过程中的温度和轧制条件，可以控制材料屈服强度的上下限。表2是主要国家抗震钢的钢材标准比较。无论是屈强比还是韧性值，日本的标准都是最严格的。欧洲的材料标准和设计标准没有规定屈强比的上限，因此需要进一步研究。

6 钢种断裂控制技术及高热影响区韧性钢

1995年日本兵库县南部地震的特征之一是钢材从焊缝处断裂。当时使用的是SN钢，无法保证HAZ韧性。为了确保HAZ韧性，有效的方法是控制因Ti、TiO2等氮化物和氧化物引起的晶粒长大（钉扎效应），利用晶粒内的细化效应（晶粒内铁素体的相变）来实现晶粒细化。为了实现晶粒细化，开发了一种可以有效抑制HAZ附近晶粒长大的技术。该技术采用在钢中分散粒径为几十纳米至几百纳米的含有Mg和Ca的极细氧化物和硫化物来控制晶粒长大的技术。此外，还开发了通过添加微量B等合金来控制晶粒内组织的技术，提出了各种控制HAZ组织的技术。 通过这些研究，开发出了高热影响区韧性钢，即使焊接线能量为100kJ/mm，也能保证0℃时热影响区韧性达到70J以上。目前，该高热影响区韧性钢已广泛用作高层建筑立柱用钢。

7耐候耐腐蚀钢有助于降低生命周期成本

目前，新建桥梁中有20%-25%使用JIS耐候钢（SMA），这种钢无需涂装就能保证长期耐久性，有助于降低全寿命成本（LCC）。耐候钢在桥梁中应用广泛，但在海岸线附近的含盐环境中，它不会产生保护性锈蚀，也不能抑制腐蚀。为了解决这个问题，开发了镍基高耐候钢。该钢的特点是添加1%-3%的Ni，以及微量的Cu、Mo、Ti等合金元素。该钢于1998年首次用于北陆新干线的桥梁和桥墩，经过15年的暴露试验表明，3%镍基高耐候钢的腐蚀速度仅为JIS-SMA的2/3，为0.17mm/100年。最先开发的高耐候钢是3%Ni-Cu体系。 后来，由于Ni添加量及合金元素的不同，形成了多种类型的高耐候钢，可根据不同的腐蚀环境使用。

为了更好地防止海岸线附近盐分对钢结构的腐蚀，已开发出含Sn钢等钢材，以延长钢结构涂装时的重新涂装周期。根据暴露试验和腐蚀加速试验的结果，含Sn钢的使用寿命比涂装钢板长约2倍。根据含盐量的不同，主要使用含Sn钢和耐候钢。

除上述钢材外，我们还开发出在含有少量Cr、Al的低合金耐蚀钢上涂敷无机含锌耐蚀耐热涂料进行一次性防锈的技术，使其耐蚀性接近不锈钢（SUS304）。这种钢材被称为“ARU-TEN”。

8 新型建筑结构用高性能钢（低屈服点钢、超高强度钢）

为了进一步提高屈曲支撑和减振结构的性能，开发了减振器专用的钢材，开发的钢材有LY100和LY235。在推广减振结构作为新型建筑结构的过程中，为了降低大地震带来的危险，从2004年开始研究将减振结构与高强度钢相结合的“新型结构装置”。除了研究几种减振结构装置外，还开发了800N/mm2级高强度厚钢板（H-SA700），其抗拉强度为800N/mm2级，屈强比的上限为98%，分为焊接和非焊接两种。此外，还开发了抗拉强度为1000N/mm2的超高强度厚钢板，并在低层建筑中进行了试验。 该钢的屈服强度在880N/mm2以上，抗拉强度在950N/mm2以上，屈强比在98%以下。另外，为了防止该钢的焊缝裂纹，焊接时需进行预热，这是一个难题，但采用软接头可以解决这个问题。

9世界首创建筑用高温强度钢（耐火钢）

为了解决钢材在火灾高温下强度会急剧下降的问题，具有良好高温强度特性的耐火钢于1988年被开发出来，并在世界上首次成功应用于多层停车场。建筑用耐火钢的主要特点是保证600℃时的屈服强度为室温下F值（材料的设计强度）的2/3以上。耐火钢NSFR490B的高温强度优于普通焊接结构钢，其600℃时的屈服强度（YP）为室温下设计标准强度的2/3以上。使用耐火钢不仅可以省去耐火保护层，缩短施工工期，而且由于没有耐火保护层，钢结构还可以变得更轻。

10 大截面、高尺寸自由度的H型钢和钢板桩

自20世纪80年代末开发出可自由调整H型钢尺寸的新型轧制技术以来，H型钢在尺寸和自由度方面有了很大的进步。例如，对欧洲（H型钢规格）和日本（外形尺寸固定的H型钢）的工字钢进行比较，欧洲各种规格H型钢数量为224种，而日本则有600多种，日本在各种规格H型钢数量上占有绝对优势。

另一方面，地下结构施工用钢板桩也在向大截面、独特形状的方向发展。1931年，日本借鉴国外技术开始生产钢板桩，一直采用欧洲标准生产宽度为400mm的U型钢板桩。后来又开发了宽度为500mm、600mm的U型钢板桩。2005年又开发了宽度为900mm的帽型钢板桩，具有较高的施工性、可靠​​性和经济性。帽型钢板桩分为高度为230mm的10H和高度为300mm的25H两种。后来又开发了高度约为370mm、厚度不同的两种大型帽型钢板桩（45H和50H）。

11其他高性能钢材（高强度钢筋、超高强度钢纤维）

钢筋混凝土结构不同于钢结构，广义上讲是混凝土与钢筋（钢筋）的复合结构。混凝土是脆性材料，虽然具有抗压性能，但抗拉性能很低，为了弥补混凝土的不足，需要钢筋来解决，这就是钢筋混凝土。1988年，受国外高强度混凝土发展的影响，日本启动了新钢筋混凝土计划，开发强度为过去2-4倍的建筑钢材。

随着大城市超高层住宅建设的不断发展，按照新钢筋混凝土方案研制的高强度混凝土和高强度钢筋从1995年开始陆续得到使用。目前混凝土最高强度已达到200N/mm2，纵向钢筋强度已达到685N/mm2，横向钢筋强度已达到1275N/mm2。

高强度混凝土，特别是强度为150-200N/mm²以上的混凝土，极易发生脆性破坏，因此，越来越多的人将超高强度钢纤维掺入混凝土中来提高混凝土的强度，这种超高强度钢纤维不仅可以提高高强度混凝土的变形性能，还可以防止高强度混凝土在火灾中发生爆裂。

另一方面，钢筋混凝土结构之一就是预应力混凝土（PC）结构。使用高强度PC钢可以在混凝土中产生预压力，改善受拉较弱的混凝土的性能。这种结构中使用的PC钢的抗拉强度一般为1860N/mm²，但在实际建筑中也有使用2230N/mm²的钢材。