鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土等傳統(tǒng)建筑材料相比，具有獨特的物理性能和應(yīng)用優(yōu)勢，在我國廣泛用于多種建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展離不開鋼材材料和生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新改進，尤其在近幾年來，鋼材生產(chǎn)工藝的大幅度提高衍生出了超高強度鋼材，在鋼材強度和加工性能方面實現(xiàn)了突破性進展。
一、超高強度鋼材性能
超高強度鋼材需經(jīng)淬火和回火的特殊工藝處理，每一種超高強度鋼材的最低屈服強度、抗拉強度和最小伸長率均不同。根據(jù)超高強度鋼材的沖擊韌性，可以將其分為Q、QL、QL1三個等級，不同等級鋼材的化學(xué)成分存在較大差異，化學(xué)成分之間的差異性造就了鋼材獨特的焊接性能和加工特點。
二、超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢
鋼材的整體穩(wěn)定系數(shù)β由極限應(yīng)力a和屈服強度f共同決定，三者之間的關(guān)系可以表述為β=a/f，研究顯示，當(dāng)結(jié)構(gòu)軸心受壓條件一致時，采用超高強度鋼材加工而成的鋼柱，在達到整體穩(wěn)定極限承載力時，其整體穩(wěn)定系數(shù)β要比相同結(jié)構(gòu)比例的鋼結(jié)構(gòu)鋼柱更高。究其原因，主要是因為普通鋼結(jié)構(gòu)鋼柱存在的初始缺陷對鋼材鋼柱的影響作用要明顯大于超高強度鋼材鋼柱。
?。ㄒ唬堄鄩簯?yīng)力與鋼材屈服強度沒有直接關(guān)聯(lián)
在超高強度鋼材鋼柱截面起控制作用關(guān)鍵部位，殘余壓應(yīng)力與鋼材屈服強度之前的比值要小于普通鋼材鋼柱，正是這一特點決定了超高強度鋼材鋼柱的整體穩(wěn)定系數(shù)。對于超高強度鋼材截面，試驗所得名義強度為710MPa，真實值為670MPa，翼緣測得的殘余壓應(yīng)力為136MPa，腹板殘余壓應(yīng)力為35MPa，明顯小于我國相關(guān)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的278MPa和235MPa。
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已有研究顯示，在僅考慮鋼材幾何初始缺陷的影響下，對于兩種不同剛度的鋼材（230MPa和690MPa），分析其H型截面的整體穩(wěn)定承載力，結(jié)果表明超高強度鋼材（690MPa）的整體穩(wěn)定系數(shù)要遠遠高于普通鋼材（230MPa）。
三、超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用實例分析
?。ㄒ唬┙ㄖこ虘?yīng)用
1、索尼中心大樓
位于德國柏林的索尼中心大樓，屋頂桁架跨度為60m，高度為12m，桿件采用690MPa強度標(biāo)準的S690型鋼材，可有效減少鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面面積。方案設(shè)計之初，還會S690型鋼材進行了低溫脆性斷裂試驗，結(jié)果表明該強度標(biāo)準的鋼材能夠完全保證該結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和安全性。
2、Latitude大廈
Latitude大廈位于澳大利亞悉尼的世界廣場，于2005年底建成，整個大廈共有55層，二期工程需要在已有地上部分進行擴建，因此，需要對原有柱結(jié)構(gòu)進行加固處理。為實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，工程師決定在建筑物的第16層采用超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)換層，以此來連接新增建筑結(jié)構(gòu)與已有建筑結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換層中，所采用的超高強度鋼材鋼板高7m，厚度為16mm，強度標(biāo)準為690MPa，不僅降低了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)重量，而且應(yīng)用效果也更為顯著。
3、星城飯店
位于澳大利亞悉尼市中區(qū)西部達令港的星城飯店，由娛樂場、劇院、酒店等組成，整個建筑物共有13層，地上8層和地下5層。在星城飯店中共有兩個位置采用了超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)。一個是地下室支撐柱，另一個是劇院屋頂桁架。由于該建筑物共有2500個停車位，地下車庫面積較大，但支撐柱截面尺寸不能超過500mm，因此，唯一的方法就是利用超高強度鋼材和混凝土組成超高強度組合柱，在不增加支撐柱截面積的同時，又能增強底部建筑荷載。劇院屋頂桁架所采用的都是跨度為30m的超高強度鋼材，保證了大跨度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)。
?。ǘ蛄汗こ虘?yīng)用
1、德國萊茵河大橋
位于德國萊茵河上的萊茵河大橋，是一座典型的斜拉橋梁。由于該橋附近有杜塞爾多夫機場，因此，橋塔的設(shè)計高度就受到限制。兩個橋塔之間的鋼梁為S460型鋼材，與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，大大減小了鋼板截面厚度和焊縫尺寸，從而保證了橋梁的使用壽命。此外，焊縫尺寸的減小也降低了焊接作業(yè)量，縮短施工周期，經(jīng)濟效益顯著。
2、法國Millau大橋
法國Millau大橋是一座典型的斜拉跨橋，建筑高度為343m，是世界上最高的一座橋梁。橋面全長2460m，整個橋面由6個主跨結(jié)構(gòu)和2個輔跨結(jié)構(gòu)組成，橋面中心截面主梁和一些其他連接構(gòu)建所采用的鋼材就是S460型鋼板，在橋梁結(jié)構(gòu)重量不變的影響下，結(jié)構(gòu)承載力得到顯著提升，而且結(jié)構(gòu)自重輕，便于工程施工和材料運輸。
四、超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用優(yōu)勢
通過以上工程應(yīng)用實例分析，可以將超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用優(yōu)勢概括為以下幾點：
?。ㄒ唬┙?jīng)濟效益顯著
與普通鋼材相比，超高強度鋼材特有的剛度標(biāo)準能夠減小鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和尺寸，使焊接材料用量、焊接工作量和涂層施工量相應(yīng)地減少。鋼結(jié)構(gòu)自重的降低使材料運輸和安裝變得更加便捷，運輸成本和施工成本較低。在建筑物施工方面，減小構(gòu)件尺寸能夠減小鋼板厚度，為建筑物創(chuàng)造更多的有效使用空間。上述種種都會促進經(jīng)濟效益的提高。
（二）有利于保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略
超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)能夠明顯降低鋼材使用量，從而大大減少了需要開采的鐵礦石資源，鋼材表面積的縮小也使得焊接材料和表面涂層的用量隨之減少，節(jié)約了大部分的可再生資源。因此，超高強度鋼材的應(yīng)用有利于資源節(jié)約和環(huán)境保護，改變往日工業(yè)生產(chǎn)中高資源消耗的情況，對在全社會建立“環(huán)境友好型”和“資源節(jié)約型”社會具有極大的促進作用。
?。ㄈ┙档蛦挝簧a(chǎn)總值能耗
“十一五”規(guī)劃提出后，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域逐步掀起了一陣降低生產(chǎn)能耗的技術(shù)改革浪潮。我國GDP總量呈逐年上升趨勢，但單位生產(chǎn)總值所消耗的能源卻依然居高不下，導(dǎo)致能耗降低目標(biāo)無法實現(xiàn)。鋼鐵工業(yè)是主要的能源消耗產(chǎn)業(yè)，超高強度鋼材的應(yīng)用在降低鐵礦石開采資源的同時，也能夠減少相應(yīng)的鋼材冶煉耗能，最終促使單位生產(chǎn)總值的能耗降低。
五、結(jié)語
超高強度鋼材在國外許多建筑工程中都得到了實際應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用效果。超高強度鋼材以其特有的剛度特性，在建筑工程和橋梁工程中的應(yīng)用，不僅降低了結(jié)構(gòu)自重，而且減小了鋼板厚度和焊縫尺寸，大大提高了焊縫疲勞強度，從而提高了整個建筑、橋梁的使用壽命，應(yīng)用成果顯著。
一、超高強度鋼材性能
超高強度鋼材需經(jīng)淬火和回火的特殊工藝處理，每一種超高強度鋼材的最低屈服強度、抗拉強度和最小伸長率均不同。根據(jù)超高強度鋼材的沖擊韌性，可以將其分為Q、QL、QL1三個等級，不同等級鋼材的化學(xué)成分存在較大差異，化學(xué)成分之間的差異性造就了鋼材獨特的焊接性能和加工特點。
二、超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢
鋼材的整體穩(wěn)定系數(shù)β由極限應(yīng)力a和屈服強度f共同決定，三者之間的關(guān)系可以表述為β=a/f，研究顯示，當(dāng)結(jié)構(gòu)軸心受壓條件一致時，采用超高強度鋼材加工而成的鋼柱，在達到整體穩(wěn)定極限承載力時，其整體穩(wěn)定系數(shù)β要比相同結(jié)構(gòu)比例的鋼結(jié)構(gòu)鋼柱更高。究其原因，主要是因為普通鋼結(jié)構(gòu)鋼柱存在的初始缺陷對鋼材鋼柱的影響作用要明顯大于超高強度鋼材鋼柱。
?。ㄒ唬堄鄩簯?yīng)力與鋼材屈服強度沒有直接關(guān)聯(lián)
在超高強度鋼材鋼柱截面起控制作用關(guān)鍵部位，殘余壓應(yīng)力與鋼材屈服強度之前的比值要小于普通鋼材鋼柱，正是這一特點決定了超高強度鋼材鋼柱的整體穩(wěn)定系數(shù)。對于超高強度鋼材截面，試驗所得名義強度為710MPa，真實值為670MPa，翼緣測得的殘余壓應(yīng)力為136MPa，腹板殘余壓應(yīng)力為35MPa，明顯小于我國相關(guān)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的278MPa和235MPa。
?。ǘ缀纬跏既毕莸挠绊?span id="69mgu8c" class=Apple-converted-space>
已有研究顯示，在僅考慮鋼材幾何初始缺陷的影響下，對于兩種不同剛度的鋼材（230MPa和690MPa），分析其H型截面的整體穩(wěn)定承載力，結(jié)果表明超高強度鋼材（690MPa）的整體穩(wěn)定系數(shù)要遠遠高于普通鋼材（230MPa）。
三、超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用實例分析
?。ㄒ唬┙ㄖこ虘?yīng)用
1、索尼中心大樓
位于德國柏林的索尼中心大樓，屋頂桁架跨度為60m，高度為12m，桿件采用690MPa強度標(biāo)準的S690型鋼材，可有效減少鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面面積。方案設(shè)計之初，還會S690型鋼材進行了低溫脆性斷裂試驗，結(jié)果表明該強度標(biāo)準的鋼材能夠完全保證該結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和安全性。
2、Latitude大廈
Latitude大廈位于澳大利亞悉尼的世界廣場，于2005年底建成，整個大廈共有55層，二期工程需要在已有地上部分進行擴建，因此，需要對原有柱結(jié)構(gòu)進行加固處理。為實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化，工程師決定在建筑物的第16層采用超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)換層，以此來連接新增建筑結(jié)構(gòu)與已有建筑結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)換層中，所采用的超高強度鋼材鋼板高7m，厚度為16mm，強度標(biāo)準為690MPa，不僅降低了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)重量，而且應(yīng)用效果也更為顯著。
3、星城飯店
位于澳大利亞悉尼市中區(qū)西部達令港的星城飯店，由娛樂場、劇院、酒店等組成，整個建筑物共有13層，地上8層和地下5層。在星城飯店中共有兩個位置采用了超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)。一個是地下室支撐柱，另一個是劇院屋頂桁架。由于該建筑物共有2500個停車位，地下車庫面積較大，但支撐柱截面尺寸不能超過500mm，因此，唯一的方法就是利用超高強度鋼材和混凝土組成超高強度組合柱，在不增加支撐柱截面積的同時，又能增強底部建筑荷載。劇院屋頂桁架所采用的都是跨度為30m的超高強度鋼材，保證了大跨度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)。
?。ǘ蛄汗こ虘?yīng)用
1、德國萊茵河大橋
位于德國萊茵河上的萊茵河大橋，是一座典型的斜拉橋梁。由于該橋附近有杜塞爾多夫機場，因此，橋塔的設(shè)計高度就受到限制。兩個橋塔之間的鋼梁為S460型鋼材，與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，大大減小了鋼板截面厚度和焊縫尺寸，從而保證了橋梁的使用壽命。此外，焊縫尺寸的減小也降低了焊接作業(yè)量，縮短施工周期，經(jīng)濟效益顯著。
2、法國Millau大橋
法國Millau大橋是一座典型的斜拉跨橋，建筑高度為343m，是世界上最高的一座橋梁。橋面全長2460m，整個橋面由6個主跨結(jié)構(gòu)和2個輔跨結(jié)構(gòu)組成，橋面中心截面主梁和一些其他連接構(gòu)建所采用的鋼材就是S460型鋼板，在橋梁結(jié)構(gòu)重量不變的影響下，結(jié)構(gòu)承載力得到顯著提升，而且結(jié)構(gòu)自重輕，便于工程施工和材料運輸。
四、超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用優(yōu)勢
通過以上工程應(yīng)用實例分析，可以將超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用優(yōu)勢概括為以下幾點：
?。ㄒ唬┙?jīng)濟效益顯著
與普通鋼材相比，超高強度鋼材特有的剛度標(biāo)準能夠減小鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和尺寸，使焊接材料用量、焊接工作量和涂層施工量相應(yīng)地減少。鋼結(jié)構(gòu)自重的降低使材料運輸和安裝變得更加便捷，運輸成本和施工成本較低。在建筑物施工方面，減小構(gòu)件尺寸能夠減小鋼板厚度，為建筑物創(chuàng)造更多的有效使用空間。上述種種都會促進經(jīng)濟效益的提高。
（二）有利于保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略
超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)能夠明顯降低鋼材使用量，從而大大減少了需要開采的鐵礦石資源，鋼材表面積的縮小也使得焊接材料和表面涂層的用量隨之減少，節(jié)約了大部分的可再生資源。因此，超高強度鋼材的應(yīng)用有利于資源節(jié)約和環(huán)境保護，改變往日工業(yè)生產(chǎn)中高資源消耗的情況，對在全社會建立“環(huán)境友好型”和“資源節(jié)約型”社會具有極大的促進作用。
?。ㄈ┙档蛦挝簧a(chǎn)總值能耗
“十一五”規(guī)劃提出后，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域逐步掀起了一陣降低生產(chǎn)能耗的技術(shù)改革浪潮。我國GDP總量呈逐年上升趨勢，但單位生產(chǎn)總值所消耗的能源卻依然居高不下，導(dǎo)致能耗降低目標(biāo)無法實現(xiàn)。鋼鐵工業(yè)是主要的能源消耗產(chǎn)業(yè)，超高強度鋼材的應(yīng)用在降低鐵礦石開采資源的同時，也能夠減少相應(yīng)的鋼材冶煉耗能，最終促使單位生產(chǎn)總值的能耗降低。
五、結(jié)語
超高強度鋼材在國外許多建筑工程中都得到了實際應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用效果。超高強度鋼材以其特有的剛度特性，在建筑工程和橋梁工程中的應(yīng)用，不僅降低了結(jié)構(gòu)自重，而且減小了鋼板厚度和焊縫尺寸，大大提高了焊縫疲勞強度，從而提高了整個建筑、橋梁的使用壽命，應(yīng)用成果顯著。
