高层建筑用钢材概述和应用

高层建筑用钢材概述和应用摘要为了满足客户需求，JFE钢厂已经通过使用最先进在线快速冷却系统的热机控制轧制工艺技术（TMCP）生产了钢板、宽扁钢、H型钢和管材，同时考虑了各种高层建筑设计方法和建筑技术。本文介绍了JFE钢厂有代表性的高层建筑用钢材的概述和应用。1序言霞关大厦（KASUMIGASEKI），建于1968年，曾经是日本第一做超高层建筑。设计方法借助于先进的计算机分析技术不断进步，为超高层建筑成为现实奠定了坚实的基础。因此，计算机技术和设计方法对霞关大厦的建设作出了巨大贡献。另外一个作出重要贡献的是提供改良性能和加工性能钢材的材料生产厂。自从霞关大厦建设以来，超高层写字楼主要在大城市一个接一个盖起。相对轻型重量、高强度和高延性的钢制框架结构成为超高层写字楼抗震结构的主流。商业空间、办公室、旅馆的大跨度结构和多层结构是近期主要在市区建设的高层建筑的共同特点1。这就需要使用高强度、厚壁钢材。另一方面，1995年兵库县坂神地震以及其它灾害中持续的横梁端部连接的断裂破坏都证明需要改良的钢材。因此对地屈强比、高韧性和良好焊接性能的高性能钢材的需求也稳步提高。通过引入基于性能的设计方法，工程师们开始不断重视采用符合合性能规范和焊接技术的各种钢材的高质量结构，以有效利用材料的性能。JFE钢厂的热机控制轧制工艺（TMCP）技术3）在钢铁工艺领域是最精确的、也是冷却速率最高的技术之一。凭借该技术，JFE钢厂已经在市场上推出了钢板、宽边H型钢和钢管，以满足高层建筑多种多样的设计和建筑需求。本文介绍了JFE钢厂所生产超高层建筑用途钢材的特点和应用。2JFE钢厂的产品研发和应用高性能钢材550N/MM2TMCP钢材（HBL385）在近十年初期，JFE钢厂研发了HBL385，一种抗拉强度550N/MM2级TMCP钢板，作为在经济性、抗震性能和焊接性能方面达到最佳平衡的高强度钢材4）。HBL385钢材与2002年获得了国土交通省的认证批准。通过完全应用基于JFE钢厂独一无二快冷装置SUPEROLAC的高精度TMCP技术，公司在保证相当于传统520N/MM2级TMCP钢（标准强度355N/MM2）焊接性能的同时，在HBL385钢材上实现了80或更少的低屈强比以及385N/MM2的标准强度。强度级别高于590N/MM2级钢材（SA440）的钢材必须经过至少两次双相淬火的热处理，以实现低屈强比。HBL385，一种最高强度的钢材，已经不依靠此复杂的热处理工序就实现了低屈强比。HBL385的化学成分和力学性能分别示于表1和2。表1HBL385的化学成分厚度CSIMNPSCEQPCM19T50040026HBL385B50T1000200551600030001504202719T50040026HBL385C50T10002005516000200008042027CEQCSI/24MN/6NI/40CR/5MO/4V/14PCMCSI/30MN/20CU/20NI/60CR/20MO/15V/105B根据有关运输方和接收方的协议，可以使用PCM代替CEQ表2HBL385的力学性能厚度YPN/MM2TSN/MM2YR（）EL（）VE0（J）RAZ（）HBL385BHBL386C19T1003855055506708026（T50）20（T50）7025平均15（每个）YP屈服点TS抗拉强度；YR屈强比；EL延伸率；VE00时夏比冲击吸收能；RAZZ向截面收缩率；JISNO5JISNO4由于采用了HBL385钢材，钢框架费用的最小化可以通过强度提高导致钢材重量的减少、钢框架制造焊接人工工时等降低来实现。为了定量评价其效果，通过使用HBL385代替490N/MM2级TMCP钢（TMC325）的设计试验估算钢材重量。设计试验的目标是一幢高122米的25层高层建筑（图1）。建筑的平面是方形的，内部布置了震动调节的减震阻尼装置。采用了三种截面形状的立柱一种箱型截面、一种H形截面和一种圆形截面（CFT）。表3显示了原始设计中使用的最大截面。设计试验通过根据确认替换后的强度比和建筑性质（BUILDINGPROPERTIES）逐个截面替换构件的方法进行。（THEDESIGNTRIALWASPERFORMEDBYREPLACINGTHEMEMBERSSECTIONBYSECTIONBASEDONTHESTRENGTHRATIOSANDBUILDINGPROPERTIESAFTERTHEREPLACEMENTWASCONFIRMED）构件的替换分四种情况情况1横梁，情况2立柱，情况3横梁和立柱，情况4第十层及以下楼层的横梁和立柱。只有厚度在替换中以强度比的形式改变（当在横梁中使用H型钢时只有翼板改变）。截面的高度和宽度保持不变。表3最大构件截面原始设计替换箱型件60070“TMC325”60060“HBL385”H型钢H6125207080“TMC325”H5295106070“HBL385”钢管（CFT）120050“TMC325”120040“HBL385”横梁（H型钢）SN490”HBL385”表4试图设计的钢材数量（单位T）钢材数量原始设计情况1情况2情况3情况4总计9607（100）9194（96）9356（97）8943（93）9190（96）立柱3881（100）3881（100）3630（94）3630（94）3630（94）横梁4190（100）3777（90）4190（100）3777（90）4024（96）其它1535（100）1535（100）1535（100）1535（100）1535（100）表4显示了设计试验后钢材的重量。总钢材重量想对于原始设计在情况1时降低了43；在情况2时降低了26；在情况3时降低了69；在情况4时降低了43。在构建形式方面，当替换立柱时钢材重量相对原始设计降低6；在所有楼层替换型钢时钢材重量相对原始设计降低10，在10层和以下楼层替换横梁时间相对原始设计降低4。表5显示了每种情况建筑的主要自然周期（PRIMARYNATURALPERIOD）。和原始设计相比，替换横梁的情况1和3时自然周期明显提高，替换立柱的情况2时稍有提高。在情况4时，第十层和以下楼层替换立柱和横梁的，自然周期的数值介于情况2和3相应数值之间的中间。图2显示了第一阶段设计和第二阶段设计中建筑的楼层相对原始设计的偏离角度。另外，在第二阶段设计中假定地震的发生几率非常少。在情况1和3时，替换横梁，在上部楼层的刚度大大降低。在第二阶段设计中，中间和上部楼层的楼层偏离角度相对原始设计增加了20，结果使其不能达到设计标准。在情况2时，替换立柱，设计的改变时完全可以的。在情况4时，在十层和以下楼层替换横梁和立柱，设计条件也被满足。表5试图设计的主要自然周期自然周期原始设计情况1情况2情况3情况4X方向314323215324319Y方向302309303311308如果该建筑的所有楼层横梁都被替换，刚度降低，性能从而很难保证。在情况2时，替换立柱，性能和实际应用都完全得到保证。这一点也适用于替换第十层和以下楼层替换横梁的情况4。在设计试验中，用HLB385替换490N/MM2钢立柱使工程师能能够实现减少钢材重量的目标，并保证性能没有明显问题。HBL385也完全可以适用于只是低楼层单独替换横梁的情况。HBL385通过其重量减少效应的有优越性由此获得较高的评价。从开始生产起一直到2007年3月止，HBL385应用到月40个建筑商。在此期间的累积发货数量达到25000吨。例如，超过5000吨HBL385钢材用于大东京北塔（GRANTOKYONORTHTOWER）（一期，楼层地下4层，地上43层，阁楼2层；最大高度约205米，照片1）和大东京南塔（GRANTOKYOSOUTHTOWWER）（楼层地下4层，地上42层，阁楼1层；最大高度约205米）的箱型立柱。高焊接性能590N/MM2钢材（SA440U）传统的建筑用590N/MM2钢材（SA440）具有较高的碳当量CEQ和PCM含量，构件很容易产生焊接裂纹。因此在使用该材料时曾经有许多对预热和焊缝长度的限制。较高焊接性能的590N/MM2钢材（S440U）拥有得到充分改善的焊接性能，归功于为了改进焊接性能做进行的成分设计优化和特殊的热处理。在某些钢板厚度和某些限制条件下，预热可以降低温度或通过限制PCM到022或更低的方式完全省略。而且碳含量的降低已经降低了短焊缝HAZ（热影响区）的硬度提高。表6比较了传统SA440钢和高焊接性能SA440U钢的化学成分。因为此钢种在1996年就获得了国土交通省的认证批准，所以SA440钢（含SA440U）已经累积发运了月400,000吨，并且SA440U钢已经被多家建筑商采用。使用SA440钢的代表性高层结构是丸之内大厦（SHINMARUNOUCHI）（地下4层，地上38层；高度198米，照片2）。将在以下章节介绍的大线能焊接用钢材也在该大厦使用。表6SA440钢板（厚度80MM）大线能焊接用钢材高效埋弧焊（SAW）和电渣焊（ESW）都在箱型立柱上使用。SAW依靠的是线能输入值600KJ/CM的大线能焊接方法，而ESW依靠最大线能1000KJ/CM的大线能焊接方法。如果使用焊接在没有经过任何特殊方法处理的钢材上进行，热影响区（HAZ）的韧性会大大降低。JFE钢厂以前开发了采用JFEEWEL5）（改善大线能HAZ韧性的技术）处理的高HAZ韧性钢板。JFEEWEL综合了四元技术1通过采用SUPEROLAC的高精度TMCP技术的低碳当量（低CEQ），（2）采用细小分散的TIN进行晶粒细化，（3）通过微合金化控制的方法控制晶间组织，（4）使用源于焊接金属的N熔液进行晶粒细化。JFE钢厂已经将HBL325E，HBL355E，HBL385E和SA440E系列产品商业化，作为建筑用钢材（钢种规范符号的后缀E表示JFEEWEL已经得到应用）6）。这些钢材达到HBL325HBL385和SA440等已经获得国土交通省认证批准钢种的标准规范，也达到了焊接接头的高夏比冲击吸收能。表7显示了这些钢种的基本力学性能。表7JFEEWEL钢板和焊接结构的力学性能（厚度80MM）基材钢种YP（N/MM2）TS（N/MM2）YR（）ELVE0JHBL325E325445490610802127HBL355E355475520640802127HBL385E385505550670802070SA440E440540590740802047YP屈服点TS抗拉强度YR屈强比EL延伸率VE00夏比冲击吸收能JISNO4HBL325E，HBL355E，HBL385E和SA440E能够用普通大线能方法比未经过处理钢材更容易地焊接。如果不能容易焊接，则可以钢材可以在相同预热条件下焊接。对于SA440E，公司已经开发了可以如前面章节介绍的高焊接性能SA440BU和SA440CU一样容易焊接的低PCMSA440E品种。厚壁高强钢管221高强度方形钢管“PCOLUMNG385”和“PBC440”方形钢管广泛用作建筑结构用方形立柱。550N/MM2和590N/MM2级别冷压成型的方形钢管PCOLUMNG385和PBC4407由JFE钢厂和SEIKEI公司共同为例如高层建筑之类大型建筑开发。PCOLUMNG835具有和建筑结构用圆形钢管一样的独特强度水平。图3显示了直径厚度比和塑性变形能力之间的关系。塑性变形能力系通过在一个贯通隔板焊接在中间部分的试样上进行的3点周期弯曲试验评定的一种性能。高强方形钢管拥有足够的屈服强度和塑性变形能力，并且其性能和传统BCP325的性能相当。表8钢管的力学性能钢种抗拉试验YP（N/MM2）TS（N/MM2）YR（）ELVE0JP325325445490610852327P355355505520640852127P3853855355506708519，2170P440440590590740852047YP屈服点TS抗拉强度YR屈强比EL延伸率VE00夏比冲击吸收能JISNO12A，NO12B,或NO4222高强管状立柱“P325/355/385/440”因为管型立柱的形状和界面性能是同向性的，横梁可以从任何角度连接。并且，将钢管作为混凝土注入管型（CFT）立柱可以提供约束力，增强混凝土的压缩强度。因此钢管作为钢制构件可以提供优异益的经济性。JFE钢厂的建筑结构用途高强度管型立柱可以采用UOE工艺或冲压弯曲方法生产。工艺的选择应该根据厚度/直径比（D/T）决定，以满足屈强比的要求8）。H型钢超大型恒定外部尺寸的H型钢为了适应继高层和大空间逐句结构发展趋势后结构构件尺寸的不断增大，JFE钢厂开发了具有恒定外部尺寸大界面宽翼板和1000MM/950MM9）高腹板的H1000和950系列SUPERHISLENDH型钢。表9显示了JFE钢厂生产的具有恒定外部尺寸的H型钢的尺寸，现在可以提供311中规格尺寸，远远超过了日本人和其他生产厂能够提供的数量。SUPERHISLENDH型钢是由腹板和翼板组成的热轧H型钢，钢板厚度和任何一个钢板系列的厚度相同。卓越的形状和尺寸精度在生产中得到保证。SUPERHISLENDH型钢的界面尺寸可以有和拼装H型钢（钢板焊接成的结构）一样的形状。SUPERHISLENDH型钢的适用使得能够在建筑工地现场经济地开展建筑施工工作。照片3显示的是电通大厦（DENTSUBUILDING），应用SUPERHISLENDH型钢的高层建筑的实例。大尺寸SUPERHISLENDH型钢在钢梁材料中使用。大厚度H型钢一般厚度超过40MM的大厚度H型钢拥有相当于钢板焊接而成箱型立柱的大界面，由于比箱型立柱需要更少的焊接接头，是高层建筑理想的立柱材料，还可以提供例如提高安全性和缩短制造期的优点。JFE钢厂开发了700500系列大厚度H型钢作为高层建筑的立柱用材料10）。700500系列具有超群的材料特点。其强度、韧性和焊接性能相当于以前开发的TMCP类型大厚度H型钢（400400和500500系列，其沿轴线方向的截面性能由于截面增大而提高约20。图4显示了这些H型钢的截面面积和截面模数之间的关系。材料选择表得到改进，可以选择最佳的立柱截面。TMCP类型大厚度H型钢在约15幢大厦上使用。钢管主要在钢管建筑中使用，譬如在DOJIMAAVANZA大厦上使用（照片4）。表10低屈服强度钢材的力学性能抗拉试验钢种钢板/钢管YP（N/MM2）TS（N/MM2）YR（）ELVE0JJFELY10080120200300605027JFELY225钢板205245300400804027JFELY100S80120200300605070JFELY225S钢管205245300400803547YP屈服点TS抗拉强度YR屈强比EL延伸率VE00夏比冲击吸收能JISNO5低屈服点钢材低屈服点钢材是在震动控制装置上使用的钢产品。这些减震阻尼装置可以通过分散其吸收的地震能量的方式减小结构件对地震的响应，自1995年兵库县坂神大地震起已经作为标准件被安装在高层建筑上。JFE钢厂拥有四类低屈服点钢材系列（表10）。JFE钢厂集团开发了三类震动减震阻尼装置，即斜撑型、组装型和墙壁型作为减震阻尼产品。应用了两类斜撑11，12）管套管型拉杆斜撑，其中无缝管（JFELY100S或JFELY225S）被用作轴向材料；扁棒型方形钢管拉杆斜撑，其中由一块钢板切成的扁棒（JFELY100S或JFELY225S）被用作轴向材料（图5）。图6比较了传统钢管斜撑和所开发的减震横撑之间的恢复特点。在上面压缩力和拉力等于刚度和屈服强度的能量分散斜撑具有稳定的滞后特性和较高的塑性变形能力。焊接方法随着建筑物变得越来越巨大，更多的注意力放在了焊接的效率上。JSTAR焊接是使用添加适量稀土金属的焊丝和焊条负极代替传统焊条正极13，14）的CO2电弧焊接方法。使用该焊接方法，电弧等离子体形成一个圆锥形状，在250A或更大电流焊接中焊丝尖端有一个最高点。在这种情况下，焊丝尖端形成落入熔池的细小焊滴进行了一次渗透深度约为传统焊接方法15倍的连续喷射过渡（SPRAYTRANSFER）。通过研究发挥此特点的一种窄间隙焊接法，JFE钢厂确定了I形坡口5MM间隙和25度单面坡口2MM间隙的高效焊接技术。采用此窄间隙焊接的立柱横梁接头已经在负载试验中确定具有充分的变形能力。3结论作为一个联合钢铁生产厂，JFE钢厂必须不断开发和供应适合时代设计方法的新型高性能钢材。在1981年引入的“新抗震设计规范”得到初步推广的大约10年后，对适合塑性结构钢材的需求增加了，并且为建筑结构建立了新的标准。这些新标准包括作为SM标准（焊接结构用轧制钢材）扩充的SN标准（建筑结构用轧制钢材）、作为STK标准（普通结构用碳钢钢管）扩充的STKN标准（建筑结构用碳钢钢管）和作为STKR标准（普通结构用方形钢管）扩充的BCR标准（建筑结构用冷压成型方形钢管）及BCP标准（建筑结构用冷轧成型方形钢管）。修订的“2001年建筑标准法”融入了新的一系列“性能规定”。自从该修改法案施行以来，在许多领域都发生了渐进的变化，例如其中将性能要求放在最优先位置的建筑设计领域。根据流行原则，无论在建筑商采用了哪一种材料或结构方法，只要一种钢材达到了具体性能要求，这种钢材就可以接受。因此钢材生产厂的任务不再是供应满足一个建筑中任何部分适用标准化要求的传统钢材，而是需要提供为材料使用建筑物不同部位规定的具体性能规范量身定制的钢材。经济产业省、国土交通省和其他机构现在正在实施一项联合计划“新的建筑系统开发利用创新的结构材料”。该计划提出了以能够抵御日本气象厅（JMA）烈度7级低地震的弹性结构为特点的高层建筑，假定将使用780N及以上级别高强钢材。这是一个通过使用减震阻尼装置和使大的弹性变形多发生在立柱材料上的方法分散地震能量，以防止对建筑物造成损坏的结构系统。为具体性能要求量身定制的钢材和构建的开发对于此结构系统的实现是不可缺少的，因为这是在开发积极的连接技术。通过确定经济环境和技术发展趋势，JFE集团试图把握用户在将来的需求并开发和建议优质产品，以满足更加复杂的建筑结构的要求。参考文献1）“钢结构设计中要求的钢材性能”（PERFORMANCEOFTHESTEELMATERIALSREQUIREDINTHEDESIGNOFASTEELSTRUCTURE）。CAMPISIJ,2003，VOL16，NO2，P3403432）“建筑和建筑科学杂志”（JOURNALOFARCHITECTUREANDBUILDINGSCIENCE），200112，VOL116，NO1467，P823）SHIKANAI,NOBUOMITAO,SHINJIENDO,SHIGERU“JFE钢厂高性能TMCP钢板显微组织控制技术的最新发展”（RECENTDEVEELOPMENTINMICROSTRUCTURALCONTROLTECHNOLOGIESTHROUGHTHERMOMECHANICALCONTROLPROCESSTMCPAPPLIEDFORJFESTEELSHIGHPERFORMANCEPLATES），JFEGIHO，2007，NO18,P164HAYASHI,KENJIFUJISAWA,SEIJINAKAGAWA,ICHIRO“建筑用高性能550MPA级别高强钢板具有“BL385”新参考设计标准强度、降低框架制作成本减轻环境压力的钢板”（HIGHPERFORMANCE550MPACLASSHIGHSTRENGTHSTEELPLATESFORBUILDINGSSTEELPLATESWITHNEWREFERENCEDESIGNSTANDARDSTRENGTH“BL385”,WHICHMINIMIZETHECONSTRUCTIONCOSTSINFRAMEFABRICATIONANDALLEVIATETHEENVIRONMENTALBURDEN）JFEGIHO,2004,NO5,P45505）SUZUKI,SHINICHIICHIMIYA,KATSUYUKIAKITA,TOSHIKAZU,“具有优异HAZ韧性的造船高强钢板实现大线能焊接结构优异质量的JFEEWEL技术”（HIGHTENSILESTRENGTHSTEELPLATESFORSHIPBUILDINGWITHEXCELLENTHAZTOUGHNESSJFEEWELTECHNOLOGYFOREXCELLENTQUALITYINLARGEHEATINPUTWELDEDJOINTS）JFEGIHO2004,NO5,P19246KIMURA,TATSUMISUMI,HIROYUKIKITANI,YASUSHI“具有优异焊接接头韧性的建筑结构用高强钢板和焊接耗材实现大线能焊接结构优异质量的JFEEWEL技术”（HIGHTENSILESTRENGTHSTEELPLATESANDWELDINGCONSUMABLESFORARCHITECTURALCONSTRUCTIONWITHEXCELLENTTOUGHNESSINWELDEDJOINTSJFEEWELTECHNOLOGYFOREXCELLENTQUALITYINLARGEHEATINPUTWELDEDJOINT）SJFEGIHO,2004,NO5,P38447INOSAKO,TOSHITSUGUETAL“590N/MM2冷压成型矩形立柱的结构性能第二部分弯曲试验”。“日本建筑学会年会技术论文集”（STRUCTURALPERFORMANCEOF590N/MM2COLDPRESSFORMEDRECTANGULARCOLUMNPART2BENDINGTESTSUMMARIESOFTECHNICALPAPERSOFANNUALMEETINGARCHITECTURALINSTITUTEOFJAPAN）C1,2002,P5395408WADA,TSUNEMI“NKK技术杂志”NKKTECHNICALREVIEW,1997,NO157,P37439KAWAMURA,ARIHIDE