高強度結構鋼研究現狀及其在抗震設防區應用問題

曾 凡 碩

(黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 高強度結構鋼的優點

高強度結構鋼在工程建設中的應用不僅能夠有效的節約成本，還能夠為大型的復雜結構提供合理的解決方案，從而確保工程建設的順利進行。具體來說，其優點主要體現在以下幾個方面：

1)具有較高的屈服強度和抗拉強度。與普通的鋼材相比，高強度結構鋼能夠在同一受力條件下采用更小的截面尺寸，從而減少鋼材的使用量。此外，當恒荷載中結構自重所占比例較大時，也可以采用高強度結構鋼來減少用鋼量，從而有效的降低建設成本。2)可以有效的解決大型構件運輸與吊裝等問題。對于受力加大的構件而言，其在運輸和吊裝的過程中可能會出現一些困難，而要想解決這一困難，我們可以通過采用高強度結構鋼來減小構件的截面，這樣構件的質量也就在一定程度上減輕了，從而輕松的解決了大構件的運輸和吊裝問題。此外，在遇到構件厚板焊接難題的時候，也可以采用高強度結構鋼，這樣也能夠減少焊接的工作量，從而提高工作效率。3)能夠增加高層建筑的使用面積。在高層或者超高層的建筑工作中，可以利用高強度結構鋼來減小柱的截面尺寸，這樣就能夠有效的增加高層建筑物的有效使用面積。此外，這一方法還可以用在結構底層以及地下停車庫的建筑中去，從而有效的增加其使用面積。4)能夠有效的減小結構的地震作用。在建筑施工中采用高強度結構鋼能夠降低結構的自重，這樣就能夠減少上部結構對基礎的作用力，從而降低基礎造價。除此以外，高強度結構鋼還能夠應用于抗震設防區結構中去，從而減小結構的地震作用，這樣的抗震結構更為經濟有效。

2 高強度結構鋼的研究現狀分析

現階段雖然高強度結構鋼建筑已經開始應用于我國的建筑行業中，但是受技術、材料等方面因素的制約，其應用還不夠廣泛。對此，我國也逐漸認識到高強度結構鋼對建筑業發展的促進作用，并對建筑工程中高強度結構鋼的梁與柱的設計模式、數據計算公式以及鋼材料的整體穩定性等加強了相關的研究力度，并制定出了相應的計算方法和公式。目前來說，我國許多的企業也通過相關技術和經驗的學習，開發出了符合我國建筑行業所需的高強度結構鋼，并將其投入到相應的建筑工程施工項目中去，但是由于我國對高強度結構鋼的研究起步較之于發達國家來說比較晚，所以還存在著許多的問題，其主要表現在以下幾個方面：

1)種類少。高強度結構鋼的種類少是現階段我國面臨的主要問題，由于我國的生產模式缺乏系統性，這樣就使鋼結構工程在選擇的過程中沒有過多的選擇余地，現階段我國較多使用的是Q235和Q345這兩種普通的鋼材，對強度高于420 MPa的鋼材生產較少，這很難滿足工程建筑的施工要求。

2)高強度結構鋼的質量評價體系不完善。高強度結構鋼質量評價體系不僅是評判生產廠家高強度結構鋼質量的標準，同時也是確保我國高強度結構鋼穩定生產的基礎條件。但是在現階段，我國還沒有建立完善的高強度結構鋼的質量評價體系，這樣就導致生產廠家在生產的過程中，受設備以及技術等的影響而生產出質量參差不齊的高強度結構鋼，這些材料一旦在工程施工中使用，就會對整個工程的質量造成威脅。

3)高強度結構鋼的性能設計指標不明確。在高強度結構鋼生產過程中，由于缺少對高強度結構鋼的抗力分項系數以及強度設計指標，就會使得工程設計受到嚴重的影響，從而影響高強度結構鋼在工程建筑施工中的應用。

4)高強度結構鋼連接技術不完善。當前在我國的建筑工程施工中所使用到的連接技術主要為焊接和螺栓連接這兩種，但是在生產高強度結構鋼的過程中，許多生產廠家沒有考慮到這一點，從而使其所生產出來的高強度結構鋼不能與這兩種技術進行良好的結合。此外，在高強度結構鋼的生產中，由于材料中碳元素的含量比較少，這就使得高強度結構鋼有較好的韌性和焊接性能，但是由于高強度結構鋼中所含的合金成分是不同的，其在焊接的過程中所使用的材料也要不同，若在焊接的過程中，不能注意到這一點，就會嚴重的影響到工程建筑的施工質量。

5)國家制定的相關標準與規范較少。由于我國對高強度結構鋼的研究還處于起步階段，在研究的過程中還沒有對其相關的標準和規范進行完善，導致高強度結構鋼在生產和使用的過程中進行不斷的研究和分析后才可以投入使用。這樣一來不僅耗費了較多的時間，其可靠性也不高，從而限制了高強度結構鋼在我國建筑行業的使用。

3 高強度結構鋼在抗震設防區的應用

在現階段的建筑施工中，高強度結構鋼的優勢逐漸的凸顯出來，其在抗震方面的優勢與鋼筋混凝土相比占有絕對的優勢，其能夠有效的降低地震對建筑物所造成的傷害。但是如果在建筑的過程中不能合理的使用高強度結構鋼，則同樣也會出現倒塌的現象，為了減少因建筑物倒塌而對人民生命財產安全造成的嚴重后果，我們要加強對高強度結構鋼抗震性能以及抗震設計方法的研究，并在設計中對高強度結構鋼的使用方法做出詳細的規定，從而使其更好的應用于建筑工程施工中去。而高強度結構鋼在抗震設防區的應用則主要體現在以下幾個方面。

3.1 抗震設防區對高強度結構鋼的要求

在研究中我們首先對抗震設防區對結構用鋼的要求進行了簡單的研究，通過對比不同牌號的鋼材力學性能發現，隨著鋼材屈服強度的不斷提高，鋼材的屈強比就會增大，這樣鋼材的極限應變就會減少(如圖1所示)。所以，為了更好的確?？拐鹪O防區鋼結構以及構件具有足夠的塑變性能和耗能能力，主要通過了GB 50011—2010建筑抗震設計規范對結構用鋼的材料屈強比、斷后伸長率等力學性能進行了嚴格的要求。

但是隨著鋼材生產工藝的不斷提高，出現了以熱機械控制軋制工藝，這一工藝交貨狀態提高了鋼材的強度，且其碳含量低，具有良好的可焊性。所以，高強度結構鋼的屈強比在一定程度上體現了鋼材的強度儲備，同時也對構件的變形能力產生了影響。此外，其斷后伸長率也能夠體現材料的延性性能，這也是影響構件與結構延性的重要因素?？偠灾?，結構及其構件的延性對其抗震性能在一定程度上起著重要的作用。

3.2 高強度結構鋼在地震設防區的設計思路

建筑抗震設計中較多采用的是“三水準設防，兩階段設計”。這一設計方式主要分為兩個階段，第一階段的設計多為地震作用下對結構的承載能力、彈性變形等進行驗算，其目的主要是為了減少地震對建筑物的損害。第二階段的設計則主要是為罕見大地震作用下對結構薄弱部位彈塑性變形進行計算，從而有效的預防大地震對建筑物的損害。除此以外，還應該使結構具備足夠的延性，使其滿足大震作用下的變形與耗能要求。

首先，我們應該提高延性較差的高強度結構鋼的地震作用(如圖2所示)。對于那些延性較好的結構，可以用塑性變形耗能以及耗散地震作用能量的方式來防止建筑物發生坍塌，其結構的承載力可以稍微設計的低一些；而對于那些延性不好的結構，其承載力應該設計的高一些，這樣在設計地震作用下，結構的延性需求就可以相對的降低一些。

其次，要限制高強度結構鋼構件使其達到屈服。也就是說要合理的控制高強度結構鋼的塑性鉸出現的位置和順序，并通過延性構件屈服后的耗能來確保非延性構件能夠在大地震的作用下處于彈性階段，這樣才能夠使建筑物在大地震的作用下不會發生坍塌的現象。對此，在設計的過程中，我們應該要求結構具有足夠的變形能力和耗能能力，并采用半剛性框架結構。此外，為了確保高強度結構鋼具備一定的能力來抵抗地震作用以及在地震作用下有足夠的耗能能力，還可以設置抗側力耗能構件，并根據不同的抗側力體系來選擇低屈服點。