超高强度建筑用钢的实用化

　　1前言

　　780MPa以上强度级别的超高强度钢逐渐在建筑领域得到广泛应用。超高强度钢具有高强度，可使部件小断面化、薄壁化，并具有很大的弹性极限位移，所以非常适用于制造减震结构，另一方面，由于超高强度钢的屈强比（YR）大，所以延伸性能不如常规强度钢。对建筑用钢的要求是，地震时，钢材发生塑性变形吸收地震能。所以一般要求建筑用钢具有低的屈强比。因此超高强度钢仅局限用于建筑物的有限部位。

　　日本兵库县南部地震以后，人们对地震后建筑物继续使用问题的关注度大大提高，在开发出各种吸收地震能部件的同时，将设计目标确定在大地震发生时，建筑物的梁柱等主要构件保持在弹性变形范围内。为此，日本于2004-2008年实施了府省联合项目“用创新型结构材料开发新结构建筑物”。该项目的目标是建筑物“7级地震无损坏”，项目对使用780MPa H-SA700钢的新结构建筑系统进行了开发。为实现新结构建筑系统主要结构部件保持在弹性变形范围内，将主要结构部件用钢的屈强比YR扩大到≤98%。这一点与过去对高强度钢的要求有很大不同。

　　在这种情况下，日本钢铁联盟于2009年成立了“高强度钢应用技术研究会”，对建筑钢结构、结构部件、接合方法方面的信息和意见进行研讨，并将研讨结果汇总在“日本钢铁联盟2010”报告书中。2011年，日本钢结构协会对利用H-SA700钢的建筑结构方案进行研究。

　　在上述关于超高强度钢用于建筑物的一系列准备工作完成后，超高强度钢用于建筑物的实例也渐渐出现。本文对府省联合项目“用创新型结构材料开发新结构建筑物”进展概要和近年来超高强度钢用于建筑物的实例进行介绍，并对超高强度钢推广应用和今后的发展做简要说明。

　　2“用创新型结构材料开发新结构建筑物”项目

　　“用创新型结构材料开发新结构建筑物”项目的实施时间是2004-2008年，共计5年时间。项目的目标是，“7级地震无损坏”、“用省资源钢材建造建筑物”、“长期耐久的长寿命建筑物”。

　　项目开发立足于构建可持续发展社会。开发目标是“实现建筑物更安心、更安全的同时，为建设低碳社会，在建设和使用阶段实现节能和省资源。并且不发生拆旧建新、实现建筑物的高耐用性。”表1是项目的主要研究内容。

　　过去，为使建筑用超高强度钢具有低屈强比，采用两级热处理或三级热处理的复杂制造工艺。开发H-SA700钢时，要求在7级大地震时建筑物仍处于弹性范围内，所以放宽了对H-SA700屈强比的要求。为实现经济合理性，降低了钢中的合金添加量并简化了热处理工艺（控制轧制），H-SA700钢的控制轧制工艺见图1。2009年7月，H-SA700钢作为长流程钢厂的通用产品标准钢种，取得了国土交通大臣的认定。H-SA700有A型（干式接合用）和B型（焊接接合用）两个种类。

　　干式接合是考虑到对H-SA700的焊接性要求很高，对高强度螺栓接合方式进行了研究。图2是干式接合的振动系统分离型减震系统，该系统由轻量化、高水平刚性外壳部分和低水平刚性主体两个部分组成，两部分用减震器等吸收地震能装置连接。外壳是用螺栓将弯曲成形的H-SA700部件接合制作的。为此，开发出强度超过传统高强度螺栓F14的18T超高强度螺栓。目前正在进行长期暴露试验，将根据试验结果，判定18T超高强度螺栓接合可否适用。

　　由于大断面部件和封闭断面部件只用螺栓接合的使用规格有限，所以开发出焊接接合方法。

　　3 建筑用超高强度钢的应用实例

　　3.1 东京晴空塔

　　东京晴空塔的增益塔使用了780MPa级圆钢管。塔中央是直径8m的钢筋混凝土圆形心柱。包围心柱的是钢筋制作的中塔和内塔，中塔和内塔外面是圆钢管桁架。塔体顶部是装置了天线的增益塔。心柱和心柱外面的钢结构在结构上是分离的，地震发生时，心柱和外面的钢结构分别发生摇动，使塔的整体摇动减弱。为使塔体部件在地震发生时处于弹性范围内，不要求一般建筑用钢的低屈强比。但考虑到高层作业环境，要求具有良好的焊接性。

　　3.2建筑技术研究所建筑物之一

　　该建筑物是具有减震结构的3层钢管混凝土（CFT）柱钢结构建筑，总建筑面积5535m2。使用的钢管是H- SA700B，规格为?00mm×25mm。填充混凝土是fc（轴心抗压强度）为160MPa的超高强度混凝土。

　　使用超高强度CFT柱的原因是，1）美观性好：细柱、大跨距、贯通空间；2）抗震性高：只用很少的CFT柱就可以应对大地震；3）耐火性高：钢管表面有耐火涂层。大幅度缩减耐火涂层厚度和柱体最终尺寸，使CFT柱体细径化，保证了火灾发生时的安全性。

　　3.3建筑技术研究所建筑物之二

　　该建筑物是最早使用1000MPa级钢材的建筑物。建筑结构为地上5层和屋顶间1层的钢结构建筑。建筑物高度29.54m、总建筑面积20377m2。一层的柱体使用了1000MPa级钢材。该建筑物的结构特点是：1）133m×23m的大型工作间，可以灵活应对研究室的研究内容和组织变化；2）同时使用1000MPa级钢材和减震支撑拉条的第一层的集中减震结构。第一层的集中减震结构的柱体采用了1000MPa级钢材焊接H型钢，增大了地震发生时的弹性极限位移。此外，在第一层集中装置了吸收地震能的减震支撑拉条，可以吸收大部分地震能，使大地震发生时，结构的柱梁部件的变形控制在弹性范围内。

　　3.4建筑技术研究所建筑物之三

　　该建筑是采用1000MPa级钢材焊接箱形立柱的钢结构建筑物。该建筑物地上两层，高度约15m，东西64.8m、南北45.9m。钢结构是带有减震支撑拉条的框架结构。第一层的立柱中有26根立柱是1000MPa钢材立柱。由于在第一层安装了1000MPa钢材立柱，降低了钢结构的刚性，提高了减震器的减震效果。此外，由于将弹性范围大的1000MPa钢和减震器组合使用，在大地震发生时钢结构也不发生损坏。

　　3.5 超高层建筑物

　　该建筑物是地上38层、地下3层、屋顶间3层的超高层建筑物，高度为199.7m。该建筑物的下层立柱是超高强度CFT柱，CFT柱的钢管是780MPa级钢焊接箱形柱，填充混凝土是fc150MPa超高强度混凝土。建筑物的用途是事物所、宾馆和商店。

　　该建筑物的特点是，第一层为面积3600m2的树林和地铁站的巨大空间。为了不使下层的立柱断面面积过大，使用了上述的CFT立柱。780MPa级钢焊接箱形柱的尺寸是1500mm×50mm。因此该建筑物虽然是超高层建筑，但CFT立柱跨距为14.4m，实现了下层部分的巨大空间。

　　4 超高强度钢在建筑业推广使用存在的问题

　　上述建筑物施工时焊接条件因钢材强度级别和厚度的不同而不同，但都要求预热，并且焊接线能量为30-40kJ/cm、层间温度≤150℃。因此这些焊接条件都比490MPa钢的焊接条件严格。这些焊接条件导致焊接效率下降，是影响超高强度钢推广应用的主要原因。

　　解决上述问题的一个方法是低匹配（under matching）焊接。低匹配焊接是通过降低焊接部位的拘束度来降低焊接预热温度的焊接方法。低匹配焊接方法焊接柱梁接合部时，接合部钢板的柱焊接区是应力状态最坏的区域。池田等人分别用590MPa级和780MPa级焊接材料焊接780MPa级钢材箱形柱，并对两种焊接条件的柱梁接合部钢板的屈服强度进行了比较。在完全熔透的情况下，两种焊接条件的柱梁接合部钢板的屈服强度没有显著差别。

　　分别用490MPa级和1000MPa级焊接材料对1000MPa级钢材箱形柱进行角焊，两种焊接的坡口相同。使用490MPa级和1000MPa级焊接材料的焊接条件比较如表2。使用1000MPa级焊接材料时要进行150℃以下预热和250-300℃的焊后热处理。使用490MPa级焊接材料时，不需要进行焊前预热和焊后热处理。图3是上述两种焊接条件下柱梁接合部钢板的剪切应力—剪切变形角曲线。从曲线可以看出，使用490MPa级焊接材料时柱梁接合部钢板的刚性与使用1000MPa级焊接材料时基本相同，屈服强度有所下降，但两者没有显著差别。

　　池田等人用490MPa焊接材料YGW11，将H-SA700B钢制作成焊接H型钢，对该型钢进行4点弯曲试验，研究型钢的力学性能。此外田中等人、多贺等人也对超高强度钢焊接型钢的力学性能进行了研究。

　　在应用低匹配焊接方法时，除了对焊接部件的强度特性进行研究，焊接部件的疲劳特性也必须进行确认。目前低匹配焊接方法仍处于研究阶段。预期今后低匹配焊接方法会得到进一步完善和广泛应用。 （高宏适）

信息来源：《世界金属导报》