超高强度钢材工程应用分析

月中 ·1303·

超高强度钢材工程应用分析

穆立春

（山东德建集团有限公司 253000）

【摘要】结果表明，超高强度钢材钢结构在构件、材料、结构体系三个方面均具备非常明显的优势，大大提高了建筑的整体稳定承载力。最后通过介绍超高强度钢材在国内外多项建筑及桥梁中的实际应用情况以及取得的效果，从而为我国钢结构工程对超高强度钢材的应用提供有效的参考依据。

【关键词】超高强度钢材钢结构；受力性能；工程应用

0. 引言

自从钢结构被应用于建筑工程中，其发展与钢材料的生产工艺水平及材料特性有着非常紧密的联系。由于钢材料得到改进，钢结构的承载能力、使用性能及经济效益等也获得了有效的提高。近年来，随着强度大、延性和韧性更为良好的超高强度钢材的出现，并且匹配于超高强度钢材的焊缝金属材料和焊接技术不断趋于成熟，各构件的制作加工要求也得到了完全的满足，这使得超高强度钢材在钢结构工程中应用已成为了可能。

1. 超高强度钢材钢结构的受力性能分析1.1受压构件整体稳定特性分析通过分析已有相关研究结果可知，当轴心受压的条件相同时，利用超高强度钢材制成的钢柱在达到稳定的极限承载力时，其极限应力与屈服强度的比值要远远大于截面和长度相同的普通强度钢材。这主要是因为超高强度钢材钢柱受到较小的构件残余应力与初始缺陷的影响[1]。

早在上世纪80年代，欧洲相关研究人员在考虑到轴心受压钢柱的整体承载力与钢材强度之间的关系，针对当时屈服强度为430MPa 的高强度钢材进行了深入研究，并提出了在对高强度钢柱整体稳定承载力进行计算、对柱子曲线进行选取和采用时，折减钢柱的缺陷系数，并采用以下公式进行计算：

α＝α0（235÷f 0.8y ） ①

在①中，α0指的是欧洲有关钢结构规范标准中原先采用的钢材钢柱缺陷系数，f y 指的是钢柱的屈服强度。根据计算公式可知，钢柱的稳定承载力随着缺陷系数的减小而升高。

1.2受压构件局部稳定特性分析

根据超高强度钢材焊接箱形截面、十字形截面、I 形截面的构件局部受压稳定性能的试验结果可知，我国有关钢结构设计规范中对钢柱轴心受压柱的翼缘宽厚限值比，对超高强度的钢材钢柱同样适用。虽然在这些已完成的试验中，测试的构件较为单一，具有较小的板件厚度，残余应力的分布模式也缺乏一定的可靠性，但是采用普通钢材钢结构的传统设计方法设计和验算超高强度钢材构件的局部稳定特性，依然具备足够的安全性[2]。

2. 超高强度钢材钢结构的应用优势

与普通结构的钢材钢结构进行比较，超高强度钢材钢结构具有的优势主要表现在以下两个方面。

（1）提高建筑工程的经济效益。超高强度钢材钢结构中，由于可以减小结构的重量及构件的尺寸，因而焊接的材料用量及工作量、防火防锈等涂层用量以及实际施工操作的工作量也相应减少，不但使得钢构件的运输及安装朝着简单化的方向发展，而且大大降低了钢结构的施工成本。与此同时减小构件的尺寸为建筑物争取了更多的使用空间。此外，由于所需钢板的厚度也可进行合理的减小，因而焊缝的厚度也可进行相应的减小，实现了焊缝质量的改善。

（2）利于环境保护。由于在超高强度钢材钢结构中，其钢材用量得到了降低，因而对铁矿石等资源的消耗量也得到了极大程度的减少。此外，随着各种焊接材料及防火防锈等涂层的减少，不但实现了不可再生资源的优化利用，同时也减少了环境因过度开采而受到的破坏，这极大促进了我国的可持续发展以及环境保护策略的实施[3]。

3. 实际工程应用

3.1在建筑结构工程中的应用

目前，超高强度钢材已在国际多项建筑结构工程中得到了良好的应用，例如德国柏林的索尼中心大楼，澳大利亚悉尼的星城

饭店及Latitude 大厦，以及我国的国家体育场鸟巢等。以下对索尼中心大楼及Latitude 大厦的结构进行详细探讨，

（1）索尼中心大楼为了对已有的砌体结构建筑物进行保护，在屋顶的桁架上悬挂着大楼的部分楼层。此大楼的屋顶桁架高达12米，跨度为60米，杆件采用了强度标准值为460MPa 和690MPa 的钢材，从而实现了构件截面的尽可能减小。此外，在建造索尼中心大楼的过程中，相关工程人员还通过试验对强度值为460MPa 的钢材在低温状态下的断裂性能进行了计算和分析，其结果对钢材钢柱结构在低温环境中的安全性进行了有效保证。

（2）Latitude 大厦建成于2005年，有55层，位于澳大利亚悉尼中心的世界广场。在广场上有一个完成部分的建筑物，如果将新的结构增建在其顶部，那么就必须加固原有的柱子。为了缩短工期，同时也考虑到经济效益，大厦的结构设计人员在第16层应用高度为7m 的钢材钢结构转换层，从而实现了荷载从新增结构钢柱到已有建筑物的传递。大厦结构工程师将厚度为16mm 、强度为690Mpa 的Bisplate 钢板应用在转换层的钢结构中，大大减轻了建筑物整体结构的重量。在此项工程中，总共应用了280t 超高强度钢材，但起到了十分理想的效果[4]。

3.2在桥梁工程中的应用

在众多已建成的桥梁中，超高强度钢材同样得到了非常广泛的应用。例如德国的Dusseldorf-Ilverich 莱茵河大桥、法国的Millau 大桥，以及瑞典Mitta Dalen的杂交梁桥等。

（1）Dusseldorf-Ilverich 莱茵河大桥是一座斜拉式的公路桥，位于德国的杜塞尔多夫，由于非常靠近机场，因而桥塔的高度受到了一定程度的限制。大桥工程师将S460钢材应用在两个桥塔顶部中间的焊接箱型钢梁中，在减小截面钢板厚度与焊接尺寸的基础上，大大提高了焊接的质量，实现了焊接强度以及桥梁使用周期的充分提高。此外，由于焊接尺寸得到了有效减小，钢板的预热处理要求也得到了充分避免，不但减少了施工人员的焊接工作量也，工程工期也得到了极大程度的缩短，获得了显著的经济效益。

（2）Millau 大桥是法国著名的一座多跨斜拉式大桥，其建造高度达到了340米，是世界上目前第二高的大桥。此桥桥面长约2460米，由中间6个长度为342米的主跨和左右两边各长度为204米的跨共同组成。Millau 大桥桥梁截面的箱型截面主梁及部分连接构件采用的是厚度为80毫米的S460超高强度钢板，大桥的桥塔采用的是最大厚度为120毫米的S460钢板，取得的效果主要表现在以下几个方面：

①桥梁结构的承载力在不增加结构重量的基础上得到了充分的提高；

②桥梁施工过程中的悬臂段弯矩得到了极大程度的降低；③在减小焊缝尺寸的基础上，实现了焊接效率的提高；

④大大降低了构件的运输成本和结构的重量，促进钢材钢结构的运输、安装等操作朝着简单化方向发展，为大桥的顺利建成提供了保障。

4. 结语

本文对超高强度钢材的受力性能及实际应用优势展开了探讨，并分析了超高强度钢材钢结构在多个实际工程中的应用，以及获得的显著经济效益和社会效益，从而为超高强度钢材钢结构在我国各项工程建设中实际应用的可行性提高了充分的依据和参考。参考文献：

[1]王远. 论建筑工程钢结构加工制作方法与技术措施[J].今日科苑,2010,12(08):136-138.

[2]施刚, 刘钊, 班慧勇, 等. 高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法研究[J].工业建筑,2012,8(06):236-239.

[3]林错错, 王元清, 石永久等.高强度钢材箱形截面轴心受压短柱局部稳定试验研究[J].工业建筑,2012,6(01):93-95.

[4]陈绍蕃, 申红侠. 热轧高强度钢压杆的承载能力分析[J].建筑钢结构进展,2011,9(04):821-823.

超高强度钢材工程应用分析

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

穆立春

山东德建集团有限公司 253000

建筑工程技术与设计

Architectural Engineering Technology and Besign2014(17)

参考文献(4条)

1. 王远 论建筑工程钢结构加工制作方法与技术措施 2010(08)

2. 施刚;刘钊;班慧勇 高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法研究 2012(06)

3. 施刚,林错错,王元清,石永久 高强度钢材箱形截面轴心受压短柱局部稳定试验研究[期刊论文]-工业建筑 2012(1)4. 陈绍蕃,申红侠 热轧高强度钢压杆的承载能力分析[期刊论文]-建筑钢结构进展 2011(4)

引用本文格式：穆立春 超高强度钢材工程应用分析[期刊论文]-建筑工程技术与设计 2014(17)