新型高性能钢材

内容提要高性能钢材的发展趋势高强度钢的特点及其应用低屈强点钢和极低强度钢的特点及其应用耐火结构钢的特点及其应用耐候钢的特点及其应用高效焊接钢的特点及其应用特殊性能钢的特点及其应用高性能钢材的展望1.高性能钢材的发展趋势高性能钢材的发展趋势主要有：(1)高强度等级钢材和超厚板钢材(3)高效焊接钢满足建筑高层化和大跨距的发展需求(2)低屈强比钢和极低强度钢提高结构的抗震性能提高钢材焊接性能，尤其是提高大厚度钢板的焊接性能1.高性能钢材的发展趋势高性能钢材的发展趋势主要有：(4)耐火结构钢节省钢结构耐火被覆成本提高钢结构抗火性能(5)耐候钢提高钢结构的防腐涂装和耐久性能高强度钢定义？？？指屈服强度大于420MPa的钢材。而国外的研究主要集中在屈服强度名义值约为690MPa的钢材。低合金结构钢，经调质处理后，具有很好的综合力学性能，其抗拉强度Sb＞1200MPa时，叫高强度钢。其抗拉强度Sb＞1500MPa时，称为超高强度钢。2.高强度钢的特点及其应用2.1高强度钢的特点含一种合金元素的高强度合金钢有铬钢、镍钢、锰钢等；含两种合金元素的合金钢有铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢等；含三种以上合金元素的高强度合金钢有铬锰硅钢、铬镍钨钢、铬镍钼钢、铬锰钛钢、铬锰钼钒钢等。中合金超高强度钢低合金超高强度钢高合金超高强度钢超高强度钢2.2高强度钢的分类-国家标准(1)低合金钢按主要质量等级普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢优质低合金钢主要包括：①可焊接的高强度结构钢（Q295B、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E、Q390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390E）；②低合金耐候钢，09CuPCrNi-A、09CuPCrNi-B、09CuP、16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、15MnCuCr-QT；2.2高强度钢的分类特殊质量低合金钢主要包括：①低合金高强度钢（Q420A、Q420B、Q420C、Q420D、Q420E、Q460C、Q460D、Q460E）；②保证厚度方向性能的低合金钢（GB/T5313规定的所有低合金钢牌号）；2.2高强度钢的分类(2)低合金钢主要性能及使用特性分类如下：①可焊接低合金高强度结构钢Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等。②低合金耐候钢09CuPCrNi、09Cu、16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、15MnCuCr-QT等。③低合金钢筋钢④低合金钢⑤矿用低合金铜⑥其他低合金钢2.2高强度钢的分类-国际标准2.国际标准ISO4948/2按照钢的主要质量级别和主要性能及使用特性：合金优质钢合金特殊钢1.国际标准ISO4948/1根据化学成分：非合金钢合金钢2.2高强度钢的分类-欧洲标准按照化学成分非合金钢合金钢欧洲标准EN10020《钢级的定义和分类》按照主要质量等级分类合金优质钢合金特殊钢2.2高强度钢的分类-美国标准美国标准ASTMA749《术语定义》低合金高强度钢为一组高强度用钢。其强度和在某些条件下具有的耐大气腐蚀性能是通过加入适量的一种或多种合金元素而得到的。2.2高强度钢的分类-日本标准日本标准JISGO203《钢铁术语》为了更好地改善钢的性能或使钢具有所要求的性能而加入一种、两种或以上的合金元素。含合金元素超过相关表格的数值的称为合金钢。按合金元素含量多少：高合金钢低合金钢2.3高强度钢的应用国外目前主要使用490MPa级和590MPa级钢材，780MPa级钢材也正在积极推广使用。日本已开发出屈强比小于0.8的590MPa和780MPa的高强厚钢板（80～100mm）国外建筑用高强度钢的力学性能2.3高强度钢的应用位于德国柏林的索尼中心大楼，采用了S460和S690高强度钢材，有效减小了构件截面，降低了结构体重2.3高强度钢的应用澳大利亚悉尼星城饭店采用了S690高强度钢材厚度超过40mm时也能保证钢材力学性能、并具有良好焊接性能的建筑用特厚钢板和特厚H型钢也已研制成功，钢板厚度达90~100mm，H型钢翼缘厚度达70~90mm。2.3高强度钢的应用2.3高强度钢的应用北京奥运会主体育场“鸟巢”主体工程，采用“津西牌”250×250mm、300×300mm等规格H型钢产品2.3高强度钢的应用中央电视台新大楼使用300×300mm、400×400mm等规格H型钢产品2.3高强度钢的应用我国现行的标准《低合金高强度结构钢》(GB1591-94)有5个强度等级，即Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，目前的主要建筑用钢为Q235和Q345(相当于490MPa级)。在国内，高强度钢材的应用虽然缺乏规范的指导，但在实际工程中也有少量的应用，如北京奥运会体育场—鸟巢和央视新大楼也大量使用了Q420和Q460等高强度钢材。2.3高强度钢的应用中国自主创新的Q460钢材,撑起了鸟巢的钢筋铁骨2.3高强度钢的应用在输电塔上，2002年华东电力设计院设计的500KV从工程，塔身下面的四段主材率先采用了Q390钢管，实现了我国输电线路中高强钢管塔应用零的突破；吴淞口大跨越钢塔架2.3高强度钢的应用2005年投运的750KV官厅－兰州东段输电塔线路工程，率先使用了Q420高强钢，又实现了高强钢在角钢输电塔中应用的突破，并且由于使用了高强度钢材使得铁塔重量降低10％左右。官厅－兰州东段输电塔2.3高强度钢的应用广州新电视塔全部采用高强钢，总重5.5万吨，外筒大约3万吨，混凝土15万立方米，电视塔的总重量达到10万吨以上。“细腰”最小处直径仅30多米，可抗8级地震。2.3高强度钢的应用让业内震惊的是，组成新电视塔的一万多个钢构件竟然没有一个是相同的。这是由塔身扭转的造型决定的。2.3高强度钢的应用世界最高摩天轮3低屈强点钢和极低强度钢的特点及其应用低屈服点钢定义？？？低屈服点钢材习惯上称之为“软钢”。其中屈服点较低的一种，即：极低屈服点钢材，指的是通过不断降低钢材中的碳以及其他合金元素的含量、掌握好轧制时的最佳温度及轧制后经过必要的热处理等手段，得到屈服点一般在80～120MPa之间、延伸率≥50％的钢材。3.1低屈强点钢和极低强度钢的特点极低屈服点钢的屈服应变仅为普通钢材的1/3，屈强比为普通低碳钢的1/2.5，变形能力约为普通低碳钢的2倍。软钢与普通低碳钢的化学成分及力学性能比较见下表。3.1低屈强点钢和极低强度钢的特点日本新日铁最先提出软钢抗震阻尼器构件，并于1995年成功开发了用于阻尼器的极低屈服点钢，牌号为BLY-100，BLY-225等，其屈服强度波动范围有严格的要求，拉伸曲线如右图所示。3.1低屈强点钢和极低强度钢的特点川崎制铁于1998年开发出类似的极低屈服点钢，牌号为RIVERFLEX100。JFE成立以后也把建筑构造用低屈服点钢纳入钢板产品目录，牌号为JFE-LY100。台湾中钢于1997年研制成功该钢种，牌号LYS100。我国的武汉钢铁集团近年来也在积极研发生产类似性能的钢种。3.1低屈强点钢和极低强度钢的特点良好的滞回特性能吸收大量的能量避免主体结构的破坏屈服强度低屈服点波动范围很窄良好的低周疲劳抗力耗能性能稳定兼容性较好软钢的特点：3.1低屈强点钢和极低强度钢的特点软钢耗能装置：梁式耗能器、锥形钢悬臂耗能器、加劲阻尼耗能装置、圆环（方框）耗能器、钢板耗能器、剪切钢板耗能器、屈曲约束型耗能支撑及钢板剪力墙等。锥形钢棒耗能器锥形钢板耗能器带锥形钢棒耗能器的隔震支座X形加劲钢板耗能装置三角形加劲钢板耗能装置开孔式加劲钢板耗能装置塑性变形区（a）普通圆环耗能器（b）双环耗能器（c）局部加强双环耗能器（d）X形加劲圆环耗能器（a）蜂窝状耗能器（b）槽型耗能器（c）单圆孔形软钢阻尼器（d）双X形软钢阻尼器剪切钢板耗能器铅粘弹性耗能器无粘结支撑及其截面形式3.2低屈强点钢的应用实例国家或地区建造名称结构类型新建或已建耗能器类型墨西哥Izazagea38-40混凝土框架已建加固X形加劲耗能装置Cardiology医院混凝土框架已建加固X形加劲耗能装置IMSSReforma476混凝土框架已建加固X形加劲耗能装置美国旧金山连接桥梁结构桥梁抗震加固X形加劲耗能装置美国加利福利亚WellsFargoBank混凝土框架已建加固X形加劲耗能装置24层某建筑钢框架已建加固X形加劲耗能装置中国台湾金华城休闲购物中心混合结构新建三角形加劲耗能装置中华大学综合体育馆框架新建（HADAS）制震板交通大学机车D棚改建（HADAS）制震板台北市兰雅国小校舍框架已建加固（HADAS）制震板静修女中综合教学大学框架新建（HADAS）制震板新竹县宝山乡卫生所框架新建（HADAS）制震板中国长春长春石化TCG汽电共生锅炉厂房新建（HADAS）制震板中国西安西安长乐苑招商局广场框支剪力墙已建加固（HADAS）制震板三角形加劲耗能装置(TADAS)（a）正常使用时见局部放大见局部放大（b）地震时TADAS与结构的工作机理示意图（局部放大）4耐火结构钢的特点及其应用耐火结构钢定义？？？耐火钢的概念是日本于上世纪80年代率先提出的。耐火钢是指通过在钢材中添加耐高温的合金元素Mo、Cr、Nb等，使得钢材在600oC时的屈服强度不小于常温屈服强度的2／3，且其他性能(如可焊性等)与相应规格的普通结构钢基本一致。4耐火结构钢的特点及其应用传统结构钢和耐火钢在室温性能相同时，其屈服强度对温度的敏感性4.1火灾对钢结构的危害钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；2001.9.119时03分，被劫持的美洲航空公司第77次航班波音757客机撞向纽约世贸中心大楼南楼，双塔楼中1号楼10时28分倒塌，2号楼9时50分倒塌。美国“9·11”事件是引发全球对建筑用耐火钢开发热潮的起源美国911世贸大厦我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。重庆天原化工厂钢屋架1960.2.1820min倒塌上海文化广场钢屋架1969.12倒塌天津市体育馆钢屋架1973.5.519min倒塌长春卷烟厂钢木屋架1981.4.5倒塌北京友谊宾馆剧场钢木屋架1983.1220min倒塌唐山市棉纺织厂钢梁1986.2.820min倒塌北京高压气瓶厂钢屋架1986.4.8倒塌江油电厂俱乐部钢屋架1987.4.2120min倒塌泉州钢结构冷库钢结构19933600m2的库房倒塌昆山市的一轻钢结构厂房钢结构19964320m2的厂房烧塌北京某家具城钢结构1998整体倒塌央视辅楼济南奥体中心体育馆发生火灾事故某12000m2大型工业厂房，主体结构为三连跨双坡轻型门式刚架，平面尺寸为63m×192m，柱距8m，檐高9m，屋脊高度11.52m，两端山墙抗风柱间距7m，设有3吨吊车，厂房围护体系采用聚苯乙烯夹芯保温彩色钢板。车间内设有一条喷涂生产线，电焊火花引燃了生产线上的玻璃钢瓦片，造成大火，火灾持续时间约20分钟。因火灾时车间内的可燃物数量有限，且在风势作用下燃烧速率高，热量散发快，车间内部升温不算太高，大多数受灾钢材表面呈褐色，局部呈浅黑色。幸好主体结构未倒塌，否则不堪设想。现在欧美、日本、韩国和澳大利亚等发达国家相继开展了耐火钢的研究和生产。我国宝钢、武钢等于20世纪90年代后期也开始耐火钢的研究开发工作，并取得了一定的成功。使用耐火钢，能够大幅度地降低防火涂料的厚度．甚至可以不用其他防火保护措施，但目前耐火钢在我国应用相对还较少。4.2耐火结构钢的应用实例2001年10月武钢为建于上海的中国残疾人体育艺术培训基地提供了急需的耐火耐候钢管(WGJ510C2)φ219mm