关键词：高层建筑  钢结构  低屈强比  抗层状撕裂能力  高强度  高韧性

0概  述

    自20世纪50年代从欧洲兴起钢结构建筑以来，因其具有优越的抗震性、绿色环保、施工效率高、空间利用率高等多方面的特殊优势，现已成为世界各国建筑结构的发展方向。

    在我国，随着国民经济的飞速发展，促进了高层建筑业的不断进步，近20年来，我国的高层建筑不仅在结构和造型上不断变化，而且在材料上也突破了钢筋混凝土材料的限制，建造了一栋栋以钢骨架为主的高层、超高层大厦，这些高层、超高层建筑物，对节约城市用地、减少市政基础设施的投入、增加城市现代化氛围、丰富城市空间层次、创造更优美的城市环境起到了重要作用，同时也促进了我国高层钢结构建筑设计、制作、安装和施工水平的进一步提高。

    一般认为，10层及10层以上的住宅和高度≥24 m的其他建筑为高层建筑，100m及其以上的高层建筑称之为超高层建筑。在高层建筑中使用钢结构时有如下优点：

    1)可以减轻结构质量20％以上，从而降低结构设计内力、地基处理要求和施工费用。

    2)可以增加有效使用面积4％以上，对同样跨度可降低建筑高度，因而可以降低工程总造价。

    3)可以大大提高施工进度，从而缩短工期和还贷时间，少付贷款利息，降低成本。

    4)可以减少施工环境污染，便于拆卸和循环使用，有利于环保。

    5)在钢结构厂进行加工制作，能确保精度和质量，更符合结构设计的要求。

1  高层建筑用钢的性能要求

    高层建筑结构的受力情况复杂，要求具有安全可靠性高、使用寿命长、抗震性能好等特点，因此，对于高层建筑用钢，除了具备一般工程结构对钢材要求的高强度、高韧性、可成型性和可焊性以外，还要求具有低屈强比、高抗层状撕裂能力和耐火性能等。

1．1  高强度

施工过程中，各种建筑结构尺寸的大小，应根据其最大承载应力和所使用结构材料的最小屈服强度来确定。提高钢板的屈服强度，可以减小结构的厚度和质量，从而降低建造成本，并可提高结构的综合性能、安全可靠性、建筑物的有效利用空间及建筑的性价比。另外，结构减重的程度还取决于载荷对结构施加应力的方式，虽然高强度钢价格高于普通钢，但是由于结构减薄减重，对钢材的用量明显减少，材料总成本还是有所降低的。

1．2  高韧性

    为保证结构整体的安全可靠性，对结构材料除了要求承载能力的特征值，高的屈服强度以外，还要求材料具有较好的冲击韧性。这是因为在实际结构材料中，微裂纹等各种缺陷是不可避免的，因此要求材料在裂纹开始扩展之前要具有足够的塑性变形能力，不允许产生脆性断裂现象。《高层建筑结构用钢板》(Y 4104)标准中每个牌号都分为3个质量等级，C、D、E级分别对应0℃、－20℃、－40℃冲击试验温度，供不同建筑结构选用。

1．3优良的可焊性

    高层建筑结构用钢板要具有良好的焊接性能，做到焊前不需预热，焊后不需热处理，以便于现场施焊，从而降低劳动强度、提高劳动效率，为此，《高层建筑结构用钢板》(YB 4104)标准对钢板的焊接碳当量和焊接裂纹敏感性指标作了要求，其中屈服点345 MPa级钢板热轧和正火状态下的焊接碳当量规定为：厚度≤50 mm时，不大于0．42％；厚度＞50mm时，不大于0．44％，严于日本标准，确保了钢板具有优良的焊接性。

1．4低屈强比

    高层建筑结构用钢要能够抵御地震力的破坏，即要能防震和抗震，为此就要使钢板在具有足够强度的同时，还要具有较低的屈强比。低的屈强比可使材料具有良好的冷变形能力和较高的塑性变形能力，吸收较多的地震能量，即使局部超载失稳也不至于发生突然断裂，从而提高了建筑物的抗震能力。国外460 MPa级的抗震建筑钢，屈强比规定为不大于0．80或0．85，为此，《高层建筑结构用钢板》(YB4104)标准对钢板的屈强比也规定不大于0．80。

1．5抗层状撕裂能力

    高层钢结构在梁柱连接和箱形柱角部焊缝等处，由于局部构造，形成高约束，焊接时容易引起沿板厚方向的层状撕裂，因此，此类钢板必须要具有一定级别的厚度方向性能。《高层建筑结构用钢板》(YB 4104)标准对各强度级别均分为Z向和非Z向钢，Z向钢又分为Z15、Z25、Z35三个等级。

    为了提高钢板的综合性能，保证建筑结构的需要，《高层建筑结构用钢板》(YB4104)标准对钢的纯净性作了严格要求，大大降低了有害元素P、S的含量，对于Z向钢板，规定P不大于0．020％，S含量符合《厚度方向性能钢板》(GB／T53 1 3)标准的规定，对于非Z向钢板，规定P不大于0．025％，S含量不大于0．015％，同时采取提锰降碳措施，并提倡对钢板进行铌、钒、钛微合金化处理。

1．6耐火性能

    对于建筑结构用耐火钢，在600℃的温度下，要求高温屈服强度不低于室温标准值的2／3，并保持屈强比小于0．80，耐火时间一般为1～3 h，与常温下晶粒细化可以提高钢板的强度不同，在高温下粗大晶粒对钢的抗蠕变能力和高温强度有利，通常的高温(600℃)强化方法是要使铁素体晶粒尺寸和贝氏体体积含量达到最佳化，促进贝氏体形成的合金元素以及固溶或析出强化元素：Mo和Nb等对高温强化有利，Mo和Nb可以提高钢板在高温下的屈服强度。

2  生产与应用实例

    自1 996年以来，舞钢先后承接了大连云山大厦、北京中银大厦、厦门国际会展中心、国家大剧院、上海文献大厦等高层建筑结构用钢板的供货，开创了高层建筑结构用钢板国产化的先河，其实物质量达到或超过了同类进口产品，目前舞钢可以按照国内、国外不同标准，生产屈服强度在1 95～460MPa，之间的众多牌号的高层建筑结构用钢板，产品规格范围广，可以生产厚度8～300 mm、宽度1100～3900mm、长度3000～27000mm、最大单件质量达27 t的宽厚钢板。生产的部分牌号如表1所示^[1]。

2．1主要技术措施

    舞钢公司对高层建筑结构用钢的生产实行“精料、精炼、精轧、精整”的方针，严格按质量计划和内控质量标准控制生产中的各个环节，确保高层建筑结构用钢的质量。高层建筑结构用钢的生产工艺流程如下：

    钢水冶炼→LF炉外精炼→VD真空处理→连铸(或模铸)→加热→控轧→ACC控冷→探伤→(正火)→精整→性能检验→入库

2．1．1成分设计

    根据钢级、厚度规格、交货状态等的不同，在进行成分设计时，严格控制C、Mn元素的含量范围、加入适量的Nb、V、Ti等微量元素，以降低碳当量、减轻板厚效应对性能的影响、减小屈服强度波动范围。

2．1．2  冶炼

冶炼前对废钢等原料进行精选，以减少带入钢中的外来夹杂物、气体及残余元素含量。在电炉冶炼熔化期加强造渣、流渣，通过偏心底出钢避渣操作等措施将P控制在0．015％以下。在LF炉外精炼过程中，加强造白渣，加强吹Ar气促进钢水与渣的混合搅拌，经VD炉处理，将S控制在0．005％以下，同时进行Ca处理，以改善夹杂物的形态。

2．1．3  轧制

    通过控制轧制和控制冷却，可以细化晶粒，提高钢板的韧性，并获得期望的强度和屈强比等综合性能。轧机配有激光测厚仪和．AGC厚度自动控制系统，可以精确控制厚度公差和板形，厚度公差可以控制在一0．3～+0．5 mm，钢板的不平度可控制在3mm／m以下。

2．1．4  正  火

    正火钢板组织比较均匀，晶粒进一步细化，冲击韧性大幅度提高。通过正火，能够得到强度、塑性、韧性的最佳匹配。

2．2金相组织

  对舞钢生产的板厚65 mm、正火状态的Q345GJD钢板取样，进行夹杂物、晶粒度、组织检验，结果如表2所示。表明钢质较为纯净，夹杂物含量较低，晶粒比较细小。

2．3  耐火性能

    舞钢研制的建筑结构用耐火钢，力学性能结果主要如下：

    在600℃的温度下，高温屈服强度在230 MPa以上，满足了耐火钢规定的高温屈服强度大于等于室温标准值的2／3以上的要求；具有较低的屈强比，一般为0．65～0．75；厚度方向断面收缩率一般为55％～75％，远高于Z35的技术要求；横向夏比V型缺口冲击性能良好，20％冲击功在1 80J以上，0℃冲击功在120J。以上，-20℃冲击功在90J以上，如表3所示。

3  结  语

    为有效利用有限的土地资源，在我国的城市建设中，建筑物不断向高层化和超高层化发展，为了提高建筑物的有效使用面积，增加建筑物的抗震能力，在设计施工过程中，钢结构得到了普遍采用，大跨度钢结构的建筑也在不断增加，因此，对建筑中使用的钢材要求也越来越高，对钢材的高强度、高韧性、窄屈服点、低屈强比、抗层状撕裂能力、焊接性及耐火性等提出了更高要求。可以预计，在未来建筑业的发展中，高层建筑结构用钢的重要性，将越来越被人们所重视，开发高性能的建筑用钢，满足日新月异发展的建筑业的需求，是我国钢铁材料开发中一项十分迫切的任务。