我国高性能建筑用钢开发与应用现状及未来展望

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在品种规格上,型钢、中厚板、彩色涂层板等产品已成为发达国家钢结构建筑用钢的主体材料。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,钢板最厚达 150mm,H 型钢翼缘最厚达 125mm。
在强度级别上,随着建筑结构的超高层、超大跨度和超重载发展,欧美等国钢结构建筑广泛采用高强度 钢材[1,2],如德国柏林 Sony Center(460MPa 和 690MPa)、澳大利亚悉尼的 Star City(650MPa 和 690MPa)、 日本横滨的 Landmark Tower(600MPa)等;瑞典的军用快速安装桥则采用了最高达 1100MPa 的钢材,大大减 轻了结构自重。目前,低合金高强度钢约占发达国家钢产量的 15%以上。
2010 年,中国粗钢产量 6.27 亿吨,占全球粗钢产量的 44.32%;钢材表观消费量 5.99 亿吨,占全球钢 材表观消费量的 46.70%。其中,建筑业是我国钢材消费量最大的行业,2010 年建筑业用钢占中国钢材消费 总量的 57.8%。
从中长期看,决定中国国内钢产量需求的主要因素是工业化和城镇化的进程。“十二五”规划中,2015 年我国城镇化率要达到 51.5%(2010 年为 47.5%),年平均提高 0.8 个百分点。按照年平均提高 0.8~.2 个百 分点的增长速率,我国城镇化率要达到 60%以上的中等发达国家水平,仍需 10~15 年左右。这表明未来 10~15 年我国工业化和城镇化仍将处于加速发展期,也意味着未来 10~15 年钢铁消费仍将呈稳定甚至增长态势,建 筑业和钢铁业仍是我国国民经济中的支柱产业。因此,建筑用钢的发展将关系到我国钢铁业乃至国民经济的 长期可持续发展。
第八届(2011)中国钢铁年会论文集
种规格不配套、综合性能偏低的状况,特别在抗震、耐候、耐火、特殊规格等高性能建筑用钢产品研发和应 用方面,和发达国家相比差距巨大,尚不能满足国家低碳经济发展战略的需求。为此,“十二五”期间,我 国必须大力转变钢铁工业发展方式,通过技术创新,努力开发“低成本、高性能”的资源节约型、环境友好 型钢材,加快我国建筑用钢品种优化与更新换代的步伐,降低单位 GDP 的钢材消费强度,以较少的钢铁支 撑中国的工业化和城镇化的快速发展。
国内外建筑用钢情况对比见表 1。
第八届(2011)中国钢铁年会论文集
表 1 国内外建筑用钢情况对比
钢结 构
钢混 结构
发达国家
国内 发达国家
国内
强度级别及占比
规格或应用方式
标准 功能性
规范
钢结构建筑用钢占钢材消费总量的比例 为30%以上,广泛应用高强钢(最高达
1100MPa)
钢板最厚达150mm,H型钢翼 广泛应用耐候、抗震、
Abstract This paper reviews the production and application of high performance construction steel at home and abroad,and describes the R & D and achieved results about the national science and technology support projects “Development and Application of High Economical and Efficient Construction Steel Product” during “Eleventh Five-Year”.The problems in the field of construction steel are analyed,and measures are proposed at current in China. Key words high performance construction steel,development,application
在功能型钢筋品种开发应用方面: (1)“十一五”期间,国家 863 项目及科技支撑项目先后支持了耐蚀钢筋的研发和推广,取得了初步进 展。开发的两种 400MPa 级耐蚀钢筋品种可以满足工业大气环境和海洋环境建筑的 30~50 年设计寿命要求, 但有关标准、建筑设计规范等制修订相对滞后,影响了其推广应用。同时设计寿命 100 年以上的低合金耐蚀 钢筋仅仅停留在实验室研究阶段,尚需要深入研究和产业化规模开发。 (2)尽管我国 1998 年就将 HRB500 和 HRB400 级钢筋同时纳入国家产品标准《钢筋混凝土用热轧带肋 钢筋》(GB1499—1998),但由于种种原因,HRB500 级钢筋直到本次《混凝土结构设计规范》(GB 50010 —2010)修订才正式纳入,目前只在个别试点工程中应用。 (3)我国至今尚未颁布专门的大型低温 LNG 和 LPG 储罐设计与建造规范。低温钢筋的生产及相关技术 标准为空白。所需低温钢筋品种均需进口。
完善
缘最厚达125mm
耐火钢等
钢结构建筑用钢占钢材消费总量的比例 为5%~6%,且88%为Q345以下级别,最高
仅为Q460E[3]
钢板最厚为135mm,H型钢翼 缘最厚为35mm
很少应用耐候、抗震、 耐火钢等
不成 系列
400MPa级以上钢筋占钢筋总量的95%
广泛采用套管等连接方式 广泛应用耐候、抗钢 完善
但在钢铁原燃料日趋紧张,环境压力日趋增大的情况下,钢铁工业发展的资源、能源、环境约束日益突 出。发达国家从 20 世纪 90 年代开始,就提出了“高强度、轻量化、耐腐蚀、长寿命、可回收”等用钢减量 化要求,进行了系列节约型高性能建筑结构用钢的开发。而目前我国建筑用钢总体处于消费结构不合理、品
国家科技支撑计划项目(2007BAE30B00)。 苏世怀,男,博士,正高级工程师,从事材料工程研究及钢铁企业技术管理,sshjszx@magang.com.cn
2 我国高性能建筑用钢开发与应用现状及存在问题
2.1 钢筋混凝土建筑结构用线棒材开发与应用现状及存在问题
自 2000 年起,我国房屋建筑年新增施工面积均在 20 亿平方米以上(2010 年达 37.43 亿平方米),其中 钢筋混凝土等结构的房屋建筑约占 80%。现阶段我国建筑用钢的主导产品仍为热轧钢筋和线材等长材产品。 其中,2010 年我国热轧钢筋产量达 1.31 亿吨,为我国建筑用钢最大消费品种。目前,我国热轧带肋钢筋主 要采用 HRB335,2010 年 400MPa 级(HRB400)钢筋的用量只占钢筋总量的 38.12%,与发达国家相比有较 大的差距。同时由于使用观念、施工方法的落后,钢筋主要采用焊接方式连接,导致余热处理钢筋在我国无 法推广应用,而提高钢筋强度的主要途径是采用合金化,造成资源的极大浪费和生产成本的大幅增加。
400MPa级以上钢筋占钢筋总量的38.12%
焊接方式为主
不成 很少应用耐候、抗钢
系列
建筑形式 占比
40%~50%
4% 30%~40%
80%
2.3 “十一五”期间马钢高效节约型建筑用钢产品开发及应用研究
我国高性能建筑用钢开发与应用现状及未来展望
苏世怀 孙 维 汪开忠
(马鞍山钢铁股份有限公司,马鞍山 243000) 1
摘 要 本文综述了国内外高性能建筑用钢生产和应用情况、及其技术发展趋势,简要介绍了国家“十一五”科技 支撑计划项目“高效节约型建筑用钢产品开发及应用研究”的研发情况及取得的成果,分析了我国建筑用钢领域目前 存在的问题,并提出了相应的对策。 关键词 高性能建筑用钢 开发 应用
1 国外高性能建筑用钢开发与应用现状及发展趋势
1.1 钢筋混凝土建筑结构用钢开发与应用现状
目前发达国家钢筋混凝土结构中,200MPa、300MPa 级钢筋已基本淘汰,400MPa 以上级钢筋成为普遍 应用的品种。大多数欧洲国家 400MPa 级钢筋约占钢筋消费总量的 70%,500MPa 和 600MPa 钢筋约占钢筋 消费总量的 25%;其中,德国主要采用 420MPa 和 500MPa 钢筋,英国及东南亚一带主要使用 460MPa 钢筋。 由于主要采用非焊接的套管、卡头等连接方式,国外高强度钢筋普遍采用余热处理等低成本控冷工艺。
1.2 构建筑用钢开发与应用现状
由于钢结构符合发展省地节能建筑和低碳经济可持续发展的要求,在高层建筑、大跨度空间结构、交通 能源工程、住宅建筑中更能发挥其自身优势,目前,美国、日本等国钢结构用钢量已超过钢材消费量的 35 %,钢结构建筑面积已超过建筑总面积的 40%以上;而一般国家钢结构用钢量的比例也达到了 10%左右。
除提高钢筋强度级别外,发达国家建筑结构用钢筋正向功能化方向发展: (1)在抗震性能上,国外发达国家注重改善钢筋的综合性能,除强度外,延性得到了足够的重视。国际 标准化组织早在《钢筋混凝土用冷轧钢筋及焊接钢筋的制造》ISO10544:1992(E)中就明确提出抗震钢筋均 匀伸长率 Agt 的指标要求,欧洲规范((EC-8)及模式规范(MC-90)也己明确提出针对不同抗震性能要求构件的 钢筋进行延性分级的要求。 (2)近年来,发达国家相继进行了各种低合金耐蚀钢筋的研发。如英国启动“海洋研究计划”,针对海 洋环境中钢筋混凝土的腐蚀进行研究;美国专门针对公路工程在全国范围内实施了“战略公路研究计划”, 研究公路桥梁的钢筋腐蚀问题;日本钢铁公司研制了预应力混凝土耐蚀钢筋(含镍 3.5%和钨 0.12%),在 东京湾混凝土结构中实验显示了良好的耐腐蚀性。 (3)美国、英国(欧盟)、日本等工业发达国家在耐低温钢筋品种开发方面已形成了系列产品,如 ArcelorMittal 公司的耐-50~-170℃低温系列钢筋品种,主要用于建设天然气储气罐混凝土结构等。
我国高性能建筑用钢开发与应用现状及未来展望
高强度化
特厚钢板 特厚 H 型钢 特厚钢管
1100MPa 960MPa 690MPa 620MPa 550MPa 500MPa
ห้องสมุดไป่ตู้低屈服强度
特厚大型化
高效焊接性 抗震性 减震性 耐火性 耐候性 耐蚀性 耐低温性 抗层状撕裂性 耐延迟断裂性 抗疲劳性
多功能化
图 1 高性能建筑用结构钢材的总体发展趋势
在功能性上,由于钢结构建筑存在钢的腐蚀和火灾时钢的软化等缺陷,发达国家先后开发出了耐候、耐 火等建筑用钢;同时,为满足高安全服役性能要求,还先后开发出了抗震、减震等建筑用钢。
1.3 高性能建筑用钢发展趋势
按照建设节约型社会的要求,建筑工程结构(特别是超大跨度、超高层、重载等特殊结构)轻量化、节 约化和功能化对建筑用钢性能提出了更高的要求,"高强、高韧、轻型、耐腐、防火、环保"的绿色钢材是未 来建筑用钢的发展方向。根据国外钢铁材料研究开发的最新趋势,日本、欧洲、南韩等正在通过高纯净度、 高均匀性和微米级超细组织来充分挖掘钢铁材料的潜力,最大限度优化钢的性能。建筑结构用钢材的总体发 展趋势为高强度化、多功能化、特厚大型化、高服役安全性能(见图 1)。
2.2 钢结构建筑用钢开发与应用现状及存在问题
我国在钢结构建筑用钢品种开发及相关生产技术上仍处于较低水平。钢结构建筑用钢品种较少,仍停留 在主要生产和使用 Q235 及 Q345 钢的状态(约占 88%)。大焊线能量的厚壁重型、薄壁轻型及外高恒定等特 殊产品仍属空白,H 型钢翼缘最厚仅为 35mm。近年来,虽然我国在高强度钢结构用钢方面也开展了大量研 究工作,不同企业也根据不同的要求开发出不同类型的钢结构工程用钢,但尚未形成系列;特别在材料的功 能性方面与国外相比仍存在较大的差距。高强钢结构制作与安装施工技术有待开发;与之配套的技术规范和 规程有待进一步完善,如钢结构设计规范(GB 50017—2003)中承重结构的钢材最高强度级别仅为 Q420。
Development and Application Status and Future Prospect of High Performance Construction
Steel in China
Su Shihuai Sun Wei Wang Kaizhong
(Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd., Maanshan,243000)
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