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日本高强度钢的建筑钢结构

发布日期:2015年12月14日 浏览:1513次

  在钢铁生产技术进步和建筑结构设计不断创新的推动下,日本建筑钢结构得到快速发展,出现了许多超高层建筑物和大跨度建筑物。本文对日本的建筑标准、建筑用钢的性能要求和设计思想及制造要点、各种建筑用钢的使用方法以及未来建筑用钢的需求趋势做简要介绍。

  1、建筑钢结构的性能

  日本的建筑物是根据日本建筑标准法进行建造的。日本建筑标准法第一条指出,“本法律的目的旨在对建筑物地基、建筑物结构、建筑物设备以及建筑物用途的最低标准作出规定,以保护国民生命、健康和财产的安全,从而促进社会公共福利的提高。”从建筑结构的角度来看,日本建筑标准法的责任是“规定建筑物结构的最低标准保护国民生命安全”。对于日本来说,地震是建筑物安全的严重威胁。因此要求抗震安全性良好的建筑物。在日本的具体设计法中规定,中小地震发生时建筑物构架无任何损坏(一次设计),在极少发生的大地震中,建筑物构架可有局部损坏,但不能倒塌(二次设计)。由于设计法是在考虑建筑物经济性的基础上为防止倒塌规定的最低要求,所以没有涉及地震后建筑物能否再利用的问题。

  另一方面,建筑物是个人或企事业的财产,业主在兼顾经济性的同时会对建筑物的抗震安全性能提出要求,常常根据业主的意见使建筑物具有高于现行建筑标准法规定的最低性能要求。近年来,事业持续发展规划(BCP)和地震最大损失额预测(PML)等评价指标在日本受到重视,高抗震性建筑物的设计量将会不断增加。

  建筑钢结构抗震性要求钢结构及其构成部件具有吸收地震波的能力。即在大地震发生时钢结构部件(立柱和横梁等)超过弹性极限时,通过产生塑性变形吸收地震能(塑性设计)。有些建筑物采用了吸收地震能的专用装置、防震结构或两种方法的组合。

  2、建筑钢结构用钢材性能要求

  2.1、建筑钢结构及其部件

  日本的建筑钢结构一般是图1所示的立柱和横梁进行刚性组合的框架结构。低层建筑物使用的钢材,立柱是冷成型方形钢管(BCR295、BCP235、BCP325),横梁是轧制H型钢(SN400、SN490)。这些牌号的钢种是400N/mm2、490N/mm2级钢材。日本建筑标准法公示可用的JIS钢牌号见表1。超高层建筑物的立柱是4张厚钢板焊接组装的箱形立柱(SN490、SA440等),横梁是外尺寸一定的大型H型钢(SN490)和焊接H型钢。超高层建筑物的立柱也有使用强度为590N/mm2、780N/mm2级的钢材,横梁也有使用强度为550N/mm2、590N/mm2级的大于490N/mm2的钢材。这些都是通过国土交通大臣认证的钢材(见表2)。

  图1 建筑钢结构示意图

  图1 建筑钢结构示意图

  表1 主要的建筑用钢(JIS)

  表1 主要的建筑用钢(JIS)

  表2 通过国土交通大臣认证的主要建筑结构用钢

  表2 通过国土交通大臣认证的主要建筑结构用钢

  此外还有在超高层建筑物内安装低屈服点钢制作的减震装置吸收地震能,提高抗震能力的做法。

  2.2、建筑钢结构部件的性能要求

  根据上述建筑钢结构的设计思想,为保证利用钢材塑性对地震能量进行稳定的吸收,1994年将SN钢作为标准化钢种。SN钢是在400N/mm2级和490N/mm2级普通热轧钢材的基础上,为保证建筑结构部件足够的塑性变形能,对钢的屈服点上下限和屈强比(YR)等钢材特性进行了新的规定,使屈服点的波动控制在120N/mm2以内,YR≤80%。立柱用SN钢冷成型方形钢管和圆形钢管,由于冷加工会引起材质变化,对此进行了各种部件性能试验,在试验的基础上,制定了冷成型方形钢管的BCP、BCR牌号标准和圆形钢管的STKN牌号标准。其中YR值做了比较宽松的规定,BCR的YR≤90%,STKND的YR≤85%。建筑结构用钢的特征是除了对强度特性(屈服点上下限、抗拉强度下限、伸长率下限)有要求外,还对YR值进行了规定,一般情况下,YR≤80%。

  随着建筑物向大型化方向的发展,要求使用大厚度规格的钢材,但是厚度大于40mm的SN(SM)钢的屈服点(屈服强度)的标准规定值小于40mm以下的规定值(SN400标准规定,板厚小于40mm的屈服点为235N/mm2,大于40mm的屈服点为215N/mm2,降低了约10%),因此结构设计的基准强度(一般是屈服点的下限值)也必须降低。因此,增加钢板厚度不能使部件的强度获得相应比例的提高。采用TMCP工艺制造的TMCP钢不同于SN(SM)钢,当钢板厚度大于40mm时,设计的基准强度并不降低,并且还具有良好的焊接性,因此提高了设计的操作性,TMCP钢已经应用于许多建筑物。为了进一步控制钢板厚度的增加,对钢板强度提出了更高的要求,已经开发出490N/mm2级以上的钢材如:520N/mm2、550N/mm2、590N/mm2、780N/mm2级等。由于对这些高强度钢材也有吸收地震能的要求,所以也要求这些高强度钢的YR≤80%。经过钢材生产厂的开发,已经可以制造出YR≤80%的高强钢。图2是建筑钢结构使用的各种钢材的类别,图3是各种建筑用钢的应力-应变关系。

  图2 建筑钢结构使用的各种钢材

  图2 建筑钢结构使用的各种钢材

  图3 各种钢材的应力-应变的关系

  图3 各种钢材的应力-应变的关系

  近年来(2005-2009年)日本进行了“抗7级地震弹性结构开发项目”的研究,该项目是钢铁企业和建筑企业共同参与、地方政府和国土交通省联合进行的开发项目。与传统的塑性设计思想不同,该项目的开发理念是使钢结构部件在发生大地震时仍处于弹性状态,从而使地震后建筑物仍然可以使用。根据这种设计思想开发出780N/mm2级钢H-SA700,这种钢放松了塑性设计所要求的YR值的规定,目前已在实际建筑物上得到应用。

  2.3、建筑钢结构部件接合部的性能要求

  建筑钢结构是由立柱和横梁等部件组合而成。虽然各个部件对地震等外力是安全的并且建筑结构是按塑性吸收地震能的理念进行设计的。但由于各个部件内产生应力的最大值常常是在部件接合处,所以为充分发挥出部件的强度作用和吸收地震能的功能,接合部位的性能要相当于或好于部件本身性能。具体来说就是,部件接合部位的强度要大于钢材的强度(所谓的过度匹配)。此外,接合部位还应具有抵抗地震反复应力(塑性范围)的性能,在阪神大地震后,特别要求防止发生焊接部位的脆性断裂。

  在同类部件接合时,普遍使用的方法是高强度螺栓摩擦接合和焊接接合。高强度螺栓摩擦接合时需要在部件上开螺栓孔,因此使部件的有效面积减少,虽然有这种缺点,但还是可以实现大于部件本身强度的接合,并且可以稳定地发挥出抵抗地震反复应力的功能。在焊接接合时,由于是在钢结构加工厂或建筑工地进行焊接制作,所以为保证焊接部位的良好性能,从不同角度对焊接条件进行了规定。这些条件例如,钢材本身的焊接性,焊接施工条件(焊接材料、线能量、层间温度等)、无损检验以及焊接人员的技术等级审查等。

  焊接部位由焊缝金属和母材热影响区组成,这两个部分的性能都要与母材相当。为了提高焊接施工效率,大线能量和连续多道次焊接是常用的方法,但采用这种方法有时不能完全保证焊缝金属的性能。因此现实的做法是对焊接钢材类别和各种焊接材料的适宜层间温度以及焊接线能量进行控制管理。阪神大地震后,推进了防止发生焊接部位脆性断裂的研究,并提出了焊接接合部位夏比冲击值要达到规定值的要求。为满足这一条件,将CO2半自动焊接条件规定为线能量不大于40kJ/cm,层间温度不大于350℃,对于要求MAG焊接(活性气体保护电弧焊)热影响区韧性指标的钢材,制定了日本铁钢联盟产品标准“抗震建筑焊接结构用轧制钢材(MDCR0001-2003)”。

  随着建筑物向大型化发展,钢结构用钢板的强度提高、厚度增加。为提高结构部件焊接接合的施工效率,要求实施大线能量焊接和降低焊接预热温度或不预热焊接。为满足这些要求,开发出进行电渣焊等大线能量焊接时钢的热影响区韧性下降很少的钢种和可降低预热温度的590N/mm2级钢(SA440),这些新开发钢已在建筑物上得到应用。

  2.4、日本建筑钢结构发展趋势

  在日本经济高度增长期之后,超高层、大跨度建筑的需求不断增加。这种需求推动了建筑结构用高强度钢的开发和应用。例如强度大于普通建筑钢(490N/mm2级)的590N/mm2级高强度钢特厚壁圆形钢管已用作地标塔的立柱,780N/mm2级低YR钢箱形立柱已用于小仓火车站大楼。

  3、建筑用高强度钢质量控制技术

  钢材的高强度化常常会导致焊接性和塑性变形能的降低,协调好各种性能的匹配关系是建筑结构用高强度钢扩大应用的关键。

  3.1、低屈强比(YR)钢

  钢的强化机制有4种基本类型,①固溶强化;②位错强化(加工硬化);③弥散强化(析出强化);④细晶强化,利用相变产生的贝氏体、马氏体等硬质相进行强化;⑤相变强化,是复合运用上述4种基本强化机制的强化方法。各种强化机制本质上都是提高钢的屈服强度,因此总会引起YR值的升高。如图4所示,传统钢的YR值随屈服强度的升高而增加,因此钢的强度越高,越难实现高强度低YR值。

  图4 钢的强度和屈强比的关系

  图4 钢的强度和屈强比的关系

  实现高强度钢低YR值的基本方法是,使钢的组织成为软质相(铁素体)和硬质相(贝氏体、马氏体)组成的双相组织。双相钢的抗拉强度服从软质相和硬质相各自强度和体积分量的复合定律,但屈服强度不遵循这种复合定律,而表现为较低的屈服强度值。因此在相同强度的情况下,双相组织钢的YR值要小于单相组织钢。到目前为止开发出的低YR钢基本上都是双相组织的钢。

  图5是对建筑用高强度钢的制造方法、微观组织和强化机制进行归纳的结果。抗拉强度490-550N/mm2级的低YR钢(TMCP325-385),采用TMCP工艺形成了铁素体、珠光体、贝氏体的复相组织。抗拉强度590N/mm2、780N/mm2级的高强度低YR钢(SA440、低YR-HT780),采用2相区淬火工艺,形成了由更细化的软质相和更高强度的回火马氏体、贝氏体组成的复相组织。通过TMCP工艺参数和热处理条件的严格管理,将软质相硬质相的硬度、体积分量、形态、分布等决定钢材抗拉强度和韧性的组织因素控制到最佳程度,使抗拉强度490-550N/mm2级的TMCP325-385钢和590N/mm2级的SA440钢达到了SN钢标准规定的低YR值(YR≤80%)和屈服强度波动范围小的要求。对于780N/mm2级钢来说,即使进行2相区淬火也很难达到YR≤80%的目标。因此,将低YR780N/mm2级钢(低YRHT780)的屈强比规定为YR≤85%,该钢种已经实用化。

  图5

  图5 建筑结构钢的制造工艺、微观组织和强化机制

  3.2、焊接性

  为了提高钢的强度,增加了钢中的C和合金元素的含量,这样一来就出现了焊接热影响区(HAZ)产生裂纹和韧性下降的问题。HAZ硬度越高,产生低温裂纹的危险性越大。钢材发生焊接低温裂纹危险性大小可用碳当量Ceq、CEN或低温裂纹敏感性Pcm等焊接性指标来进行评价。所有这些指标都随C、Mn及其它合金元素添加量的增加而升高。高Ceq、Pcm钢材的HAZ容易硬化,产生低温裂纹的危险性大,为防止裂纹的产生,必须进行焊前预热和焊后热处理,因此使焊接施工效率下降。

  TMCP工艺将控制轧制和加速冷却结合起来,在低C和低合金含量(即低Ceq、低Pcm)的条件下,不用热处理也能够实现钢的高强度和高韧性。图6是控制轧制和加速冷却(TMCP)对钢材强度的影响。TMCP工艺对钢的强化机制不是依靠合金元素的添加,而是最大限度利用可同时提高强度和韧性的细晶强化作用。在进行加速冷却时,虽然产生了相变强化,但细晶强化也起到重要作用。

  图6 碳当量对钢材强度的影响和TMCP的效果

  图6 碳当量对钢材强度的影响和TMCP的效果

  过度的细晶强化会使YR值升高、不均匀加速冷却会导致钢板切断时发生变形、轧制温度过低会扩大声学各向异性,为解决这些问题,必须使TMCP具有高精度控制轧制温度和冷却条件的能力。近年来由于组织控制冶金学和加速冷却设备的进步,使TMCP技术可应用于更多钢种和更大厚度范围,并生产出焊接性优良(低Ceq、低Pcm)的TMCP325、TMCP355、TMCP385等高强度厚钢板,TMCP也用于590N/mm2级以上的低YR钢制造。此外,利用控制轧制和直接淬火相组合的工艺(图5的(e)DQ-L(Q,)-T、(f)DL(DQ,)-T)开发出焊接性优良的590N/mm2级钢SA440,利用在线热处理工艺开发出TMCP型低YR-HT780钢。

  利用TMCP工艺制造的低YR钢基本上是复相组织。为实现高强度和低YR值,要将硬质相分量和硬度控制在规定的程度。但是随着硬质相分量和硬度的减少,提高钢焊接性要求的低C、低Ceq、低Pcm与低YR值的要求互相矛盾,钢的强度越高,同时实现低YR值和高焊接性变得越困难。对于抗拉强度780N/mm2级钢,其YR值放宽到YR≤85%。目前,新开发出的各种特性和经济性达到最佳平衡的低预热型低YR值钢,其焊接性也没有达到590N/mm2级以下钢的水平。

  此外,在处理强度、YR值、焊接性等相互矛盾特性的关系时,有一种方法可判断出必要性并进行控制,同时提高某些特定性能。例如开发出的立柱专用的高屈服点钢就是这类钢,钢的YR值较大,是在弹性范围内使用的钢材。此外,高强度的H-SA700钢也大大提高了YR值(YR≤98%),其焊接性有待提高。

  3.3、大线能量焊接热影响区的韧性

  在制作建筑用箱型立柱时,要使用最大焊接线能量为1000kJ/cm的电渣焊(ESW)和最大焊接线能量为500kJ/cm的埋弧焊(SAW)等比其它产业要大得多的超大线能量焊接方法,因此要求有适应这些焊接方法的建筑用钢(见图7)。图8是高Ceq化、高合金化对大线能量焊接HAZ微观组织和韧性的影响。在通常的建筑用钢成分范围内,在高Ceq化、高合金化的情况下,大线能量焊接的HAZ微观组织以上贝氏体为主,韧性较低。

  图7 钢材强度和焊接线能量

  图7 钢材强度和焊接线能量

  图8 Ceq对大线能量焊接HAZ微观组织和韧性的影响

  图8 Ceq对大线能量焊接HAZ微观组织和韧性的影响

  各个钢铁企业在提高大线能量HAZ韧性措施方面都有各自的特点,除了降低P、S含量外,可将这些措施分为3种类型:(1)通过低Ceq化、低合金化减少上贝氏体、珠光体等低韧性组织的量;(2)利用氮化物、氧化物等弥散粒子的钉扎作用防止奥氏体晶粒粗大化;(3)通过合金成分设计和弥散粒子的作用改善原始奥氏体晶粒内的组织状态(减少岛状马氏体(MA相)、细化贝氏体晶胞、奥氏体晶粒内生成铁素体等)。采用这些措施开发出“高HAZ韧性钢”。490-590N/mm2级这类钢的大线能量HAZ的0℃夏比冲击吸收能达到70J以上。

  590N/mm2级以上的高强度钢,为保证要求的强度不可避免地要添加一定量的合金元素,使Ceq值增加,因此利用低Ceq值的方法抑制上贝氏体形成是比较困难的。为了解决这个问题,通过优化成分设计,细化贝氏体晶胞并形成下贝氏体,提高了大线能量HAZ韧性,开发出建筑用HT780钢,但目前还存在着成本和性能的平衡问题,尚未达到实用化程度。

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