试论超高强度钢材钢结构的工程应用

摘要：钢结构自开始应用以来，其发展历程始终与钢材特性和工艺生产紧密相连，钢材材料的不断改进，促使钢结构使用性能和承载力的提高，推动了钢结构的发展和应用。近年来，超高强度钢材的产生，促使钢材的加工性能不断改进，与之相匹配的焊缝金属材料和焊接技术逐渐成熟，完全可以满足钢材构件的加工要求，这也使得超高强度钢材钢结构的工程应用成为可能。

关键词：超高强度钢材；钢结构；工程应用

钢结构与钢筋混凝土等传统建筑材料相比，具有独特的物理性能和应用优势，在我国广泛用于多种建筑结构和桥梁结构中。钢结构发展离不开钢材材料和生产工艺的创新改进，尤其在近几年来，钢材生产工艺的大幅度提高衍生出了超高强度钢材，在钢材强度和加工性能方面实现了突破性进展。

一、超高强度钢材性能

超高强度钢材需经淬火和回火的特殊工艺处理，每一种超高强度钢材的最低屈服强度、抗拉强度和最小伸长率均不同。根据超高强度钢材的冲击韧性，可以将其分为Q、QL、QL1三个等级，不同等级钢材的化学成分存在较大差异，化学成分之间的差异性造就了钢材独特的焊接性能和加工特点。

二、超高强度钢材钢结构性能优势

钢材的整体稳定系数β由极限应力a和屈服强度f共同决定，三者之间的关系可以表述为β=a/f，研究显示，当结构轴心受压条件一致时，采用超高强度钢材加工而成的钢柱，在达到整体稳定极限承载力时，其整体稳定系数β要比相同结构比例的钢结构钢柱更高。究其原因，主要是因为普通钢结构钢柱存在的初始缺陷对钢材钢柱的影响作用要明显大于超高强度钢材钢柱。

（一）残余压应力与钢材屈服强度没有直接关联

（二）几何初始缺陷的影响

已有研究显示，在仅考虑钢材几何初始缺陷的影响下，对于两种不同刚度的钢材（230MPa和690MPa），分析其H型截面的整体稳定承载力，结果表明超高强度钢材（690MPa）的整体稳定系数要远远高于普通钢材（230MPa）。

三、超高强度钢材钢结构的工程应用实例分析

（一）建筑工程应用

1、索尼中心大楼

位于德国柏林的索尼中心大楼，屋顶桁架跨度为60m，高度为12m，杆件采用690MPa强度标准的S690型钢材，可有效减少钢结构构件截面面积。方案设计之初，还会S690型钢材进行了低温脆性断裂试验，结果表明该强度标准的钢材能够完全保证该结构在低温环境下的稳定性和安全性。

2、Latitude大厦

Latitude大厦位于澳大利亚悉尼的世界广场，于2005年底建成，整个大厦共有55层，二期工程需要在已有地上部分进行扩建，因此，需要对原有柱结构进行加固处理。为实现经济效益的最大化，工程师决定在建筑物的第16层采用超高强度钢材钢结构作为转换层，以此来连接新增建筑结构与已有建筑结构。在转换层中，所采用的超高强度钢材钢板高7m，厚度为16mm，强度标准为690MPa，不仅降低了转换层结构重量，而且应用效果也更为显著。

3、星城饭店

（二）桥梁工程应用

1、德国莱茵河大桥

位于德国莱茵河上的莱茵河大桥，是一座典型的斜拉桥梁。由于该桥附近有杜塞尔多夫机场，因此，桥塔的设计高度就受到限制。两个桥塔之间的钢梁为S460型钢材，与普通钢结构相比，大大减小了钢板截面厚度和焊缝尺寸，从而保证了桥梁的使用寿命。此外，焊缝尺寸的减小也降低了焊接作业量，缩短施工周期，经济效益显著。

2、法国Millau大桥

法国Millau大桥是一座典型的斜拉跨桥，建筑高度为343m，是世界上最高的一座桥梁。桥面全长2460m，整个桥面由6个主跨结构和2个辅跨结构组成，桥面中心截面主梁和一些其他连接构建所采用的钢材就是S460型钢板，在桥梁结构重量不变的影响下，结构承载力得到显著提升，而且结构自重轻，便于工程施工和材料运输。

四、超高强度钢材钢结构的工程应用优势

通过以上工程应用实例分析，可以将超高强度钢材钢结构的工程应用优势概括为以下几点：

（一）经济效益显著

与普通钢材相比，超高强度钢材特有的刚度标准能够减小钢结构构件自重和尺寸，使焊接材料用量、焊接工作量和涂层施工量相应地减少。钢结构自重的降低使材料运输和安装变得更加便捷，运输成本和施工成本较低。在建筑物施工方面，减小构件尺寸能够减小钢板厚度，为建筑物创造更多的有效使用空间。上述种种都会促进经济效益的提高。

（二）有利于保护环境的可持续发展战略

超高强度钢材钢结构能够明显降低钢材使用量，从而大大减少了需要开采的铁矿石资源，钢材表面积的缩小也使得焊接材料和表面涂层的用量随之减少，节约了大部分的可再生资源。因此，超高强度钢材的应用有利于资源节约和环境保护，改变往日工业生产中高资源消耗的情况，对在全社会建立“环境友好型”和“资源节约型”社会具有极大的促进作用。

（三）降低单位生产总值能耗

“十一五”规划提出后，工业生产领域逐步掀起了一阵降低生产能耗的技术改革浪潮。我国GDP总量呈逐年上升趋势，但单位生产总值所消耗的能源却依然居高不下，导致能耗降低目标无法实现。钢铁工业是主要的能源消耗产业，超高强度钢材的应用在降低铁矿石开采资源的同时，也能够减少相应的钢材冶炼耗能，最终促使单位生产总值的能耗降低。

五、结语

超高强度钢材在国外许多建筑工程中都得到了实际应用，并取得了良好的经济效益和应用效果。超高强度钢材以其特有的刚度特性，在建筑工程和桥梁工程中的应用，不仅降低了结构自重，而且减小了钢板厚度和焊缝尺寸，大大提高了焊缝疲劳强度，从而提高了整个建筑、桥梁的使用寿命，应用成果显著。