高性能建筑钢结构用钢开发的背景PPT

1、高性能建筑钢结构用钢开发的背景建筑钢结构的发展带动建筑钢材升级换代从一般大路货钢材转变成具有鲜明材料特性的高性能钢材建筑用钢占各国钢材消费比例欧盟15国美国日本中国2002200120012002建筑（含土木）用钢万吨580021543138106204121.8043.2053.30其中，板带32.5037.3017.70长材67.5062.7078.30管材4.80其中，万吨螺纹钢筋130565812324517线材1133853100薄板7181120中板87640建筑用钢占各国钢材消费的比例都很高。中国最高53.3(房屋40，土木13.3）。建筑用钢中的长材消耗：欧盟日本占2/3 中国

2、3/4强（78）。钢材消费结构的差异源于房屋建筑中钢结构比例的大小。美国未含服务中心和分销商升级换代表现在扁平材及其延伸产品(涂镀层板、 冷弯型钢、 焊接H型钢 、焊接钢管等)的比重显著增加强度不断攀高、断面不断增大由沿用通用钢材标准到制定专用钢材标准结构设计基本要求与材料性能框架的极限强度结构的变形能力规定的强度、一定的延伸率与使用温度下的冲击韧性制造工艺和环境条件与材料性能冷热加工、焊接、地震、腐蚀、火灾等不同程度上降低原始状态性能材料断面加厚或减薄加剧上述因素影响具备在上述条件下抗性能恶化的能力从一般大路货钢材转变成具有鲜明材料特性的高性能钢材高强度抗层状撕裂优良可焊性抗震耐蚀耐火建筑钢

3、结构用钢的发展方向建筑结构用钢的品种中厚钢板薄钢板 型钢（包括H型钢） 钢管 深加工产品（冷弯型钢 涂镀层钢板） 尽管各种钢材有相应的标准，但是强度级别 化学成分 制造工艺都是以钢板为基础的，根据钢材特点作一定的调整。建筑钢结构用钢的性能要求框架的极限强度结构件的变形能力连结性能可焊性厚度方向性能屈服点范围屈服比夏比冲击吸收能量Ceq Pcm降低P S及其他杂质尺寸精度建筑钢结构用钢的钢种碳素结构钢低合金高强度钢 (HSLA STEELS)低合金高强度钢 （HSLA STEELS）合金元素含量 275MPa良好的塑韧性，焊接性，耐蚀性，成形性，耐磨性供货状态直接使用（不经热处理，切削加工）建筑

4、钢结构用钢是HSLA钢的重要分支HSLA钢分四大类：可焊接耐腐蚀 冷加工成形 耐磨可焊接HSLA钢按用途分为： 建筑结构钢 船体结构钢 桥梁结构钢 容器结构钢 油气管线钢 工程机械钢. 建筑钢结构用HSLA钢相关标准ISO标准体系中的IS4950高屈服强度扁平钢材中国：GB1591-94 GB/T19879-2005美国：绝大部分由7个ASTM标准的覆盖，A242 A440 A441 A529 A572 A588和A913欧共体 英国：BS EN10210-1:1994日本：JIS G3101 JIS G3106 JIS G3136 以上标准中的钢牌号的屈服强度范围在275460MPa由沿用通

5、用焊接结构钢向专用焊接结构钢转变在日本，建筑领域曾广泛应用JISG3101一般结构用轧制钢材SS钢和JISG3106焊接结构用轧制钢材SM钢。1982年6月对建筑物抗震设计法进行了改订。1990年制定了JISG3136建筑结构用轧制钢材在我国，建筑领域长期使用GB1591低合金高强度钢结构钢标准。2000年，非等效采用JISG31361994标准并结合国内实际情况制定了YB4104高层建筑结构用钢板行业标准。2004年3月讨论编制建筑结构用钢板国家标准。建筑物抗震设计法改订的基本点原有的将结构体各部分产生的应力限制在钢材的屈服点以内的弹性设计法改订为利用钢材在屈服之后达到最大强度为止的塑性区域

6、的变形能力吸收地震产生的能量，以确保建筑物的抗震安全性能。由此，建筑物使用的钢材在规定的应力之下发生屈服的同时，确保屈服后的变形性能，亦变得十分重要JISG3136与G3106的区别（1）G3106标准中有5个强度级别，而G3136标准中的SN钢只有2个强度级别，即SN400和SN490。（2）SM钢根据要不要做冲击试验或冲击吸收能量高低分为3个质量等级，而SN钢对490MPa级只有B、C两个等级，须做冲击试验。（3）厚度范围SMA、B级可到200mm，C级到100mm，而SN钢仅到100mm。（4）S、P含量对SM钢都统一要求，SN钢对490MPa级都要求S 0.015、P 0.030%。（

7、5）碳当量对SM570级才有明确规定，即 50mm钢板为 0.44，而SN钢对400和490MPa级都有规定。（6）力学性能方面，SN钢的屈服强度有了范围要求，而且规定了屈服比。（7）SN钢对C级有板厚断面收缩率的具体要求，即平均值不小于25。（8）SN钢有探伤要求。建筑钢结构用钢发展方向除继续提高强度（保证塑韧性前提下），改善焊接性，还要关注抗震、抗层状撕裂、耐蚀和耐火问题。发 展 方 向高强度抗层状撕裂改善可焊性抗震耐蚀耐火高 强 度HSLA钢可达到1000MPa建筑结构 由490 590 780MPa高 强 度量大面广：b 490MPa（Q345、SN490、A572Gr.50 等）投入

8、使用：b 590MPa（Q390-Q460、SA440、A913Gr.60-65 等）研制成功： b 780MPa高 强 度BT-HT325、355（SN490、SM520）采用TMCPBT-HT440（SA440、590N/mm2 级），为保证性能可采用二相区热处理BT-HT620（ 780N/mm2 级）估计要采用特殊热处理抗层状撕裂机理已基本清楚。与钢中夹杂物、特别是硫化物有关。限制硫含量、夹杂物形态控制抗 层 状 撕 裂Z15 Z25 Z35S含量要求相应为 0.010 0.007 0.005抗层状撕裂要讨论的是有没有必要规定三个等级或根本不需要单独列出改 善 可 焊 性降低CE 及

9、Pcm 降C 微合金化TMCP QT(QST)高焊接线能量 输入热量可达到100KJ/cm高HAZ韧性钢 vE(0） 70J, fHAZ 0.58 vE(0） 27J, fHAS 0.63 fHAZ C+Mn/8+6(P+S)+12N-4Ti 抗震设计要求原有将结构体各部分产生的应力限制在钢材的屈服点以内的弹性设计。修订为利用钢材在屈服之后达到最大程度为止的塑性区域的变形能力吸收地震产生的能量，以确保建筑物的抗震安全性能。由此建筑物所使用的钢材在规定的应力之下发生屈服的同时，确保屈服后的变形性能变得十分重要。抗 震在防止柱梁节点脆性破坏的指针中提出了为防止柱梁节点脆性断裂所必需的韧性值。现有规

10、定27J只能保证断裂强度达到设计强度的0.9，70J才能达到1.0。 用下式计算fHAZ ，以判断能否确保焊接节点的夏比值27J或70J。 fHAZ =C+Mn/8+6(P+S)+12N-4Ti 但是Ti量为0.005以下时，Ti量为0 vE(0) 70J : fHAZ 0.58 vE(0) 27J : fHAZ 0.63设计上有意采用变形移动及限制倒塌（梁优先屈服）。确保塑性区域充分变形性能。 控制屈服点，即屈服点波动范围小及低的屈服比。 采用低及极低屈服点钢。抗 震窄屈服强度范围低屈服比超低屈服强度耐大气腐蚀有一般耐腐蚀及高耐腐蚀之分目前用钢水平s 295345MPa已研制成功s 4005

11、00MPa由于添加合金元素，需关注焊接性耐 火加热到600 也能保持常温的2/3以上的强度弹性模量下降趋势稍缓600 耐高温蠕变改善，一般钢在125N/mm2 时10分钟产生1蠕变，耐火钢225N/mm2 时100分钟才产生1蠕变。由于添加合金元素，需关注焊接性耐蚀和耐火由于需要添加合金元素，注意对焊接性的影响合理选材的关键在于了解和掌握设计规范中关于选材的要求及材料标准中关于供材的规定柴昶教授在钢结构2001年第六期撰文中指出：合理选用只能根据规范所规定的4个要素，即结构的重要性、载荷的性质（静载或动载）、连接的类别（焊接连接或栓接连接，前着要求较低的含碳量）以及环境的温度（是否在低温环境下

12、工作）等来综合评价选用。文中还列表提出了结构选材的建议（表1）。但是仅此还不够，在船舶设计规范中，对于各个部位，例如壳板、甲板、上层建筑等应选用的质量等级也有相应的规定日本已经对SN标准中的钢材的应用作出了相应的建议：A级钢一般限于应力不超过弹性极限的部件，用此牌号制成的部件在主框架中不能使用。应用在次梁。B级钢通常用于除必须用C级钢的框架的部件，例如，梁。C级钢特别用于在厚度方向拉伸引起高应力的部件或经受大输入热量焊接的部件，例如，柱。建筑钢结构用钢标准体系世界各国工程结构用钢基本上形成了各自的标准及钢级体系，其主要钢级对比见表2应该指出的是，除日本和中国有建筑结构专用钢材标准外，欧美各国及

13、ISO只有通用钢材标准日本建筑钢结构用钢标准体系，大致分为3个层次：一般结构用钢： 轧材JISG3101-2003、焊接结构用钢JISG3106-2004、钢管JISG3466-1998建筑结构专用钢材： 轧材JIS G3136-1994、棒材JIS G3138-1996、管材JIS G3475-1995特殊性能建筑结构用钢： 耐候钢 JIS G3114-2004、厚度性能钢板 JIS G3199-1992，耐火钢的标准正在制订中。日本建筑结构用钢体系的特色就在于有了适合抗震设计用的专用钢材体系：包括SN系列、STKN系列及SNR棒材系列表4SN系列的主要特点确保塑性变形抗力、屈强比不大于0.

14、8，屈服强度波动范围控制在120MPa以内。确保良好的可焊性，为降低碳当量(Ceq)及焊接裂纹敏感性（Pcm）,应选择合适的化学成分。能够经受厚度方向的拉伸应力。在厚度方向拉伸试验时有较高的塑性，断面收缩率不小于25。保证公称截面尺寸。限制最小公差（公称尺寸为+0.3mm）。我国建筑钢结构用钢标准现状 基本形成了3层结构，还有待改善：一般结构用钢，包括钢板、型钢、钢管和基础标准，主要有16个，见表5建筑结构用钢，目前只有1个钢板标准，即GB/T19879-2005建筑结构用钢板特殊性能建筑结构用钢，有厚度性能钢板标准、耐候钢在品种方面还不配套，应尽快将近年来研制的耐火钢纳入标准。相关标准解读低

15、合金高强度结构钢 GB 1591-1994建筑结构用钢板 GB/T 19879-2005低合金高强度结构钢（GB 1591-1994）1. 适用范围： 适用于热轧、控轧、正火、正火加回火及淬火加回火状态供应的工程用钢和一般结构用厚度不小于3mm的钢板、钢带及型钢、钢棒，一般在供应状态下使用。 注意三层意思：供应状态、钢材类别、使用状态。2. 按强度要求分为5个牌号，即Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。每个牌号又有不同的质量等级A、B、C、D、E。化学成分见表6。 注意杂质元素S、P的控制及微合金化元素的加入。表6 低合金高强度结构钢的化学成分 3. 冶炼方法和供货状态由供方选择

16、，特殊要求在合同中注明。4. 力学性能和工艺性能见表7。 注意强度的厚度效应，所列规格以外的性能，由供需双方协商确定。表7建筑结构用钢板（GB/T 19879-2005）适用范围 适用于制造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构用厚度6mm10mm的钢板。 注意两层意思：建筑结构特别是重要建筑结构专用及钢板专用。2. 按强度要求分5个牌号，即Q235GJ、Q345GJ、Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ。每个牌号又有不同质量等级。普遍取消了A级，与GB 1951-1994相比，390和420级取消了B级，化学成分见表8。注意杂质元素S、P进一步降低。 表8 3. 对于有厚度方向性能要求的钢板，需严格控制S（表9）。4. 对碳当量（CE）或焊接裂纹敏感性指数（Pcm）有明确要求（表10）。 各牌号所有质量等级钢板的碳当量或焊接裂纹敏感性指数应符合表3的相应规定，应采用熔炼分析值并根据公式（1）或公式（2）计算碳当量