重大建筑钢结构工程用钢概况

重大建筑钢结构工程用钢概况1、 中国建筑钢结构发展迅速中国经济正以10%以上的速度持续发展，建筑业己成为国民经济的支柱产业，2005年建筑业增加值占GDP的比重稳定在5.5%左右。2007年钢材产量达到46719万t（不含重复材），人均消费300多公斤。建筑钢材数量、品种、质量基本满足钢结构行业发展的需要。马钢、莱钢、日照生产的热轧H型钢从零开始到2006年底产量达到500多万吨。2006年彩涂板产量500多万吨。中厚、特厚板产量逐年增加，2006年达3500多万吨，今年又增产。其他钢结构用的型钢、钢管、高频焊接H型钢、冷弯型钢及镀层钢板等都有明显增长。1、钢结构发展迅速、应用领域不断扩大、用量不断增加（1）近几年中国各地成立了一些钢结构设计研究所，专门从事钢结构结构设计、详图设计和咨询工作；涌现出一大批优秀钢结构设计，设计软件和科研成果；开展了修订钢结构设计、施工质量验收规范、编写技术规程、设计图集100多本。各高校重视和加强钢结构专业的发展，增加了师资力量，扩大了钢结构专业硕士和博士招生数量，教学内容与工程实践紧密相结合，出版了大量钢结构专业教材、论文著作和应用手册，学术交流热烈。（2）按中国钢结构协会制造企业资质标准：32家特级（年产量超过5万t）构件质量优良、管理科学的钢结构制造企业走在行业前头，有的年产量己超过三十万吨，产品主要应用在国内重点大型工程中，也有不少产品出口，其制造水平达到了国际先进水平。43家一级（年产量超过1.25.0万t）钢结构制造企业承担大、中型工程的钢结构加工任务，其质量和产量均有较大的发展。一大批（近千家）中小企业发挥自己的特长，满足国内市场的需求，形成钢结构加工行业百舸争流的大好形势。（3）一大批有实力的钢结构安装企业承担了国内重点大型钢结构工程安装。新技术、新工法、新设备层出不穷，施工安装水平达到了国际先进水平。（4）钢结构配套产品齐全（高强度螺栓、栓钉、各类专用焊接材料、各种连接件及保温、隔热材料等），加工设备制造厂发展迅速，产品满足了钢结构行业的需求。2、中国钢结构总量、预测及特点（1）按46家钢结构加工企业产品分（2007年统计）：工业厂房占34、多层（7层）8.7、高层13.1、公共建筑9.0、桥梁8.5、非标钢结构17.2、其他建筑9.5。（2）按钢结构加工企业用钢材品种比例分：中厚板（包括特厚板）占70.9%，热轧H型钢占15.5%，彩涂板（包括镀锌板）占3.8%，管材6.4%左右，其他型钢及冷弯型钢约占3.4%。（3）按钢结构加工企业用钢强度级别分：Q235占27.4%，Q345占66.4%，Q390占2.0%，Q420占3.0%，Q460占1.2%，其中Q420和Q460高强度钢材采用不多。（4）按企业地域分：在上海地区、浙江、江苏长江三角洲地区相对集中，其钢结构产量2004年达到450万t，约占全国产量的1/3。河北、山东、北京、天津渤海湾地区1/3。其次是广州、深圳、珠江三角洲地区、东北、中西部地区。如按国民经济增长的比例计算，钢结构产量每年按10%速度增长，2007年达到2000万t。按目前经济发展速度，2010年钢结构产量达到2600万t的预测将要突破。表1 钢结构总量及预测年份 数量（万吨）占钢筋砼用结构用钢量%占钢材产量%20028507.94.3200414008.54.8200515809.944.26200617389.614.122007200011.24.28201026005.53、政府加强了钢结构发展的政策引导和支持（1）建筑钢结构的钢材、设计、制造、施工等有关国家行业标准、规范己编制修订完成，并编制住宅性能评定指标体系、公共建筑节能设计标准、健康住宅建筑技术标准等标准。建设部编制2010年建设事业技术政策纲要，并于2001年底发布了钢结构住宅建筑产业化技术导则。（2）编制“十一五”建筑钢结构发展目标积极扩展建筑钢结构用钢材的品种，提高产品性能。研究和开发高性能建筑专用钢材系列产品，包括优质焊接结构钢、高强度优质厚板、热成型管材、优质可焊铸钢等。扩大冷弯型钢和热轧H型钢的品种和规格，包括大截面冷弯管材、大截面H型钢和轻型H型钢等。合理推广采用耐候钢、耐火钢、Z向钢和药芯焊条等。2010年，基本实现建筑钢结构用钢国产化的目标。大力推动建筑钢结构的发展，进一步提高应用技术水平。高层和超高层建筑优先采用合理的钢结构或钢混凝土结构体系。大跨度建筑积极采用空间网格结构、立体桁架结构、索膜结构以及施加预应力的结构体系。低层建筑大力推广采用经济适用的轻型钢结构体系。总结试点经验，结合市场需求，积极开发钢结构住宅建筑体系，并逐步实现产业化。2010年，建筑钢结构用钢量争取达到国家总产钢量的6%，同时，建筑钢结构的综合技术水平接近或达到国际先进水平。4、重视和发展钢结构建筑逐渐得到了认同钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系，被誉为21世纪的“绿色建筑”之一，是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构，符合发展省地节能建筑和经济持续健康发展的要求。在高层建筑、大型工厂、大跨度空间结构、交通能源工程、住宅建筑中更能发挥其发挥钢结构建筑的自身优势。汶川震后调查又一次说明了钢结构具有较强的抗震能力，可以认为发展钢结构建筑已逐渐得到了各方面的认同。二、国家体育场用钢1、工程用钢概况国家体育场（鸟巢）钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴为332.3m、短轴为297.3；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴为185.3m，短轴为127.5m；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm1000mm，下弦杆截面基本为800mm800mm，腹杆截面基本为600mm600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶桁架矢高12.0m。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm1200mm箱型外柱和一根菱形内柱组成，每个桁架柱下设有一个T型钢柱脚，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm1000mm。设计总用钢量约42000吨，详见表2。钢板的最大厚度110mm。当钢板厚度34mm时，采用Q345钢材；当钢板厚度36mm时，采用Q345GJ钢材；当钢板厚度为100mm时，采用Q345GJ和Q460钢材；当板厚为110mm时，采用Q460钢材。上述钢材均为含铌低合金高强度钢材，具有较好的力学性能和可焊性。另外，桁架柱内柱由菱形截面向矩形截面转换处采用GS-20Mn5V级铸钢件（C19桁架柱除外），铸钢件最厚达140mm。并且设计对钢材的抗撕裂性能和冲击韧性作了明确要求。表2 国家体育场用钢统计注 （1）工程中首次采用国内钢厂生产的高强高效钢材Q460 E -Z35（2）由于国家体育场采用的箱型弯扭件及多向微扭节点，钢板的损耗量增加最终用钢量为4.8万吨。（2）由于国家体育场采用的箱型弯扭件及多向微扭节点，钢板的损耗量增加，最终用钢量为4.8万t。2、在国家体育场工程中采用国内钢厂生产的高强高效钢材Q460E-Z35，其技术达到国际先进水平针对Q460E-Z35厚板在国内外体育场馆应用缺乏资料和经验，结合国家体育场钢结构工程对Q460EZ35钢的设计要求，开展技术攻关，舞阳钢铁有限责任公司试生产出满足国家体育场钢结构工程需求的Q460EZ35厚板，制作厂和施工单位总结出一套切实可行的Q460E-Z35厚板热加工及焊接技术，确保国家体育场钢结构工程的顺利施工。主要进行了以下的工作： Q460E-Z35厚板试生产； Q460E-Z35厚板热加工及焊接性试验研究； Q460E-Z35厚板焊接工艺评定试验； 国家体育场钢结构工程Q460E-Z35厚板焊接应用研究。此外国家体育场钢结构工程设计中采用了大型复杂铸钢节点，菱形柱与箱形柱脚连接处采用了壁厚达110mm的高强度铸钢件，以实现不同截面的转换。这些铸钢件都需要与Q345钢或与Q460钢杆件焊接，根据以往工程经验采用了高韧性、低硫磷、易焊铸钢材料GS20Mn5V，但仍需要焊前充分预热，采用低氢焊接材料多层多道焊接，板厚40毫米以上时尚须后热保温缓冷。这也是工程难题之一，通过试验研究和工程实践，GS20Mn5V铸钢与Q460E、Q345D钢焊接的接头性能符合设计要求，节点的尺寸精度达到了相应验收标准要求，其技术达到国际先进水平。三、中央电视台新台址主楼工程用钢中央电视台（CCTV）主楼由两座塔楼、裙房及基座组成，设三层地下室。地上总建筑面积40万m2。两座塔楼呈倾斜状，分别为51层、44层，顶部通过14层高的悬臂结构连为一体。最大高度234m。裙房为9层，与塔楼连为一体。央视主楼钢结构选用的钢材规格品种多、用量大、强度高。钢结构用钢量达13.00万t，构件共4.15万件，主要品种有：Q235C、Q345C、390D（仅用于地下预埋的13根柱）、Q345GJ、Q420、Q460等。其中40mm以上钢板为7.5274万t，占总用量的61.8%。Q420和Q460的板厚有110mm、100mm、80mm三种。Q420钢材采用4900吨、Q460钢材采用3600t。此外还有压型钢板（t=0.9mm镀锌钢板，锌层厚275g/m2）计29.6万m2，高强螺栓115万套，栓订227.5万套、防火涂料56.7万m2，预应力锚栓（M75）约100t等。考虑到工程的重要性、抗震性能要求、超高层建筑等因素，设计对结构钢材提出下列要求。（1）Q345、Q390及Q420钢材质量应分别符合现行国家标准碳素钢结构GB/T700-2004和低合金高强度结构钢GB/T 1591-1994的规定，并具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、屈服点和硫、磷含量的合格保证，尚应具有碳含量、冷弯试验、冲击韧性的合格保证。（2）钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2；钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%。（3）钢材碳当量Ceq、焊接裂缝敏感性指数Pcm及屈服强度波动范围应符合建筑结构用钢板（GB/T19987-2005）规定。（4）采用焊接连接节点，当钢材板厚40mm，并承受沿板厚方向的拉力时，应按现行国家标准厚度方向性能钢板（GB/T5313-1985）的规定，附加板厚方向的断面收缩率要求，Z向性能等级见有关钢材产品标准。（5）交货状态对Q235、Q345钢材采用正火或热轧状态交货，对Q345附加Z向性能钢板以及Q420钢材应采用TMCP状态交货。（6）外筒结构特殊柱中要求采用Q460，对板厚15mm钢板，附加Z25厚度方向性能要求应满足现行国家标准厚度方向性能钢板（GB/T5313-1985）的规定，钢板以TMCP状态或加速冷却状态交货。（7）节点锻造钢材：在结构中的一些部位，由于有多个构件相交在同一个节点，这些节点的连接需要采用实体的锻造钢构件。锻造钢构件的强度和性能应该与所连接的构件中钢材强度等级最高的相符合。（8）热轧型钢符合热轧H型钢和部分T型钢（GB/T 112631998）的规定，角钢符合GB/T9787-1988的规定，钢管符合GB/T8162-99的规定。（9）当采用其它牌号的钢材代换时，须经设计单位认可并符合相应有关标准的规定和要求。综合考虑可焊性及结构工作温度要求，可以用Q345GJC代用Q390D（板厚50mm），其设计强度取值应经专家论证会确认方可用于施工。除对钢材性能要求严格外，央视主楼钢结构对焊接材料也提出明确要求，工程中所用的焊缝金属应与主体金属强度相适应，当不同强度的钢材焊接时，可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。由焊接材料及焊接工序所形成之焊缝，其机械性能应不低于原构件的等级。手工焊接用焊条的质量标准应符合碳钢焊条(GB/T 5117-1995)或低合金钢焊条(GB/T 5118-1995)的规定。对Q235钢宜采用E43型焊条，对Q345钢宜采用E50型焊条。对Q420钢材应选用低合金E55系列焊条，直接承受动力荷载或振动荷载、厚板焊接的结构应采用低氢型碱性焊条或超低氢型焊条。自动焊接或半自动焊接采用焊丝或焊剂的质量标准应符合熔化焊用钢丝（GB/T 14957-1994）或气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝（GB/T 8110-1995）、碳钢药芯焊丝（GB/T 10045-2001）、低合金钢药芯焊丝（GB/T 17493）、埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂（GB/T 5293）、低合金钢埋弧焊用焊剂（GB/T 12470-1990）的规定。气体保护焊所使用的氩气或二氧化碳气体应分别符合现行国家标准氩气（GB/T 4842）及焊接用二氧化碳（HG/T2537）的规定。表3序号规格与材质数量（单位t）123456央视主楼钢结构工程中，大量选用Q345及Q420、Q460高强钢材，最厚达130mm，同时对钢材的强度、延性、抗震性能、焊接性能等综合性能要求很高。正确合理选用钢材及其性能要求对保证工程质量有重要意义。该工程专家论证会经认真讨论后认为：（1）本工程原选用的Q390钢材其性能和技术指标符合设计规范，但大批量Q390钢，特别是大批量厚板在国内大型、重要建筑工程中首次采用，应用经验不足。同时Q390钢为通用性低合金钢，按本工程使用要求尚需附加屈强比、屈服强度上限与碳当量等多项补充技术要求，且Q390钢板的焊接要求高，与施工进度要求不相适应。（2）按现行冶金行业标准YB-4104高层建筑用钢板生产的高层建筑用Q345GJ厚板较Q390钢更有良好的延性，冲击韧性和焊接性能并已在国内多项大型重点工程上成功应用（国家体育场、五棵松文化体育中心等）。经分析比较，Q345GJ厚板（50mm100mm）钢的强度级别相当于Q390钢，综合性能优于Q390钢，因此本工程可用Q345GJ替代Q390D。并要求钢厂保证较为稳定的屈服强度区间，适当加密检验批次。（3）根据工程实际需要，建议考虑多渠道的钢材订货措施，如板厚35mm以上材料也可采购A572-Gr50材料，但有关材性与技术指标要求必须满足设计要求。（4）对于本工程需用的Q420或Q460（S460M）钢材，可参考目前正在实施的国家体育场钢材选用的经验。四、广州新电视塔（GZTV）用钢广州新电视塔 地上37层、地下3层，610m （塔身454m +天线桅杆156m）。目前世界最高塔。（1）本工程柱、斜撑、环梁、楼面主梁、次梁、桁架、天线等构件主要采用Q345、Q345GJ和Q390GJ钢材，其质量标准应符合现行国家标准低合金高强度结构钢（GB/T1591-1994）、建筑结构用钢板(GB/T19879-2005) 的要求，应保证材料的抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验、冲击韧性合格。当有厚度方向性能要求时，尚应符合厚度方向性能钢板（GB/T5313-85）的要求，对Q345GJ、Q390GJ建筑结构用钢板应保证碳当量Ceq和焊接裂纹敏感性指数Pcm。（2）钢材应满足建筑抗震设计规范（GB50011）的要求：钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值对Q345钢和Q345GJ钢不应大于0.83，对于Q390钢和Q390GJ钢不应大于0.85；钢材应具有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%；钢材应具有良好的可焊性和合格的冲击韧性；同时应具有冷弯试验的合格保证。（3）钢材冲击韧性要求：Q345、Q345GJ、Q390GJ均为C级钢，即0时的冲击功不小于34J。（4）钢板厚度方向性能要求：当设计对钢板厚度方向性能有要求时，厚度40mmt60mm时，其沿板厚方向截面收缩率及硫、磷等杂质含量应符合国家标准厚度方向性能钢板GB/T 5313关于Z15级的规定值。（5）圆钢管、矩形钢管：圆钢管的材质为Q345C、Q345GJC和Q390GJC，主要采用直缝焊接钢管，部分采用热轧、热扩无缝钢管。矩形钢管材质为Q345C和Q345GJC。塔体主要钢构件规格和材质列于表4。表4塔体主要钢构件规格和钢材牌号构件名称截面尺寸（mm）截面形式钢材牌号重量（t）柱2000*501200*30圆管Q345GJ16940环梁CHS80025（30）圆管Q3451690（544）CHS70025圆管Q345416斜撑CHS850（800）40圆管Q345GJ2003（2527）CHS850（800）40Q390GJ1924（674）CHS70030（40）Q3451060（697）楼面主梁楼面次梁天线连接桁架天线五、大型钢结构工程用钢特点钢结构建筑和构筑物不断向着大跨度、超高层、高速、受重荷载发展，又要承受强烈地震和各种恶劣环境（火、风、重腐蚀等）考验，因此对钢材性能提出新要求，而铌微合金化钢不断发展并应用于高强度结构用钢，就可以满足建筑钢结构发展的要求。目前在大型钢结构建筑中采用的钢材主要有：中厚板、超厚、热轧H型钢、焊接H型钢（高频焊接、焊接）、方矩管、园管（无缝、焊接）、镀锌板、彩涂板、钢绞线、建筑铸钢等。其主要钢材产品标准有：碳素结构钢（GB/T700-2004）；低合金高强度结构钢（GB/1591-2000）；建筑结构用钢板（GB/T19879-2005），代替高层建筑结构用钢板（YB4104-2000）；热轧H型钢和剖分T型钢（GB/T11236-2004）；高频焊接薄壁H型钢（JG/T137-2001）；焊接H型钢（YB-3301-2004）；结构用无缝钢管（GB/T8162-87）；直缝电焊钢管（GB/T13793-92）；低压流体输送用焊接钢管（GB/T3092-93）；冷弯型钢（GB/T6725-2002）；结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、重量及允许偏差（GB/T6728-2002）；双焊缝冷弯方、矩形钢管（LW/T02-2004）；建筑结构用冷弯矩形钢管 （JG/T 178-2005）。近几年来，从重大建筑钢结构工程选用的各种钢材中可以发现，钢结构用钢呈现新的发展趋势：（1）板厚不断增加，板材强度不断提高，焊接性能要求更加完善。一些工程Q345以上高强钢板占工程总钢材的92.6%，个别工程中达到100%。板厚从40mm以上增加到100mm，个别工程用到130mm厚钢板。由于制作和现场安装在冬季进行，在低温下焊接对钢材性能是个挑战。（2）增加型钢品种，并扩大其使用范围。由于缺乏大规格热轧H型钢（H900mm以上和