高强度结构钢研究现状及其在抗震设防区应用问题

曾 凡 硕

(黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 高强度结构钢的优点

高强度结构钢在工程建设中的应用不仅能够有效的节约成本，还能够为大型的复杂结构提供合理的解决方案，从而确保工程建设的顺利进行。具体来说，其优点主要体现在以下几个方面：

1)具有较高的屈服强度和抗拉强度。与普通的钢材相比，高强度结构钢能够在同一受力条件下采用更小的截面尺寸，从而减少钢材的使用量。此外，当恒荷载中结构自重所占比例较大时，也可以采用高强度结构钢来减少用钢量，从而有效的降低建设成本。2)可以有效的解决大型构件运输与吊装等问题。对于受力加大的构件而言，其在运输和吊装的过程中可能会出现一些困难，而要想解决这一困难，我们可以通过采用高强度结构钢来减小构件的截面，这样构件的质量也就在一定程度上减轻了，从而轻松的解决了大构件的运输和吊装问题。此外，在遇到构件厚板焊接难题的时候，也可以采用高强度结构钢，这样也能够减少焊接的工作量，从而提高工作效率。3)能够增加高层建筑的使用面积。在高层或者超高层的建筑工作中，可以利用高强度结构钢来减小柱的截面尺寸，这样就能够有效的增加高层建筑物的有效使用面积。此外，这一方法还可以用在结构底层以及地下停车库的建筑中去，从而有效的增加其使用面积。4)能够有效的减小结构的地震作用。在建筑施工中采用高强度结构钢能够降低结构的自重，这样就能够减少上部结构对基础的作用力，从而降低基础造价。除此以外，高强度结构钢还能够应用于抗震设防区结构中去，从而减小结构的地震作用，这样的抗震结构更为经济有效。

2 高强度结构钢的研究现状分析

现阶段虽然高强度结构钢建筑已经开始应用于我国的建筑行业中，但是受技术、材料等方面因素的制约，其应用还不够广泛。对此，我国也逐渐认识到高强度结构钢对建筑业发展的促进作用，并对建筑工程中高强度结构钢的梁与柱的设计模式、数据计算公式以及钢材料的整体稳定性等加强了相关的研究力度，并制定出了相应的计算方法和公式。目前来说，我国许多的企业也通过相关技术和经验的学习，开发出了符合我国建筑行业所需的高强度结构钢，并将其投入到相应的建筑工程施工项目中去，但是由于我国对高强度结构钢的研究起步较之于发达国家来说比较晚，所以还存在着许多的问题，其主要表现在以下几个方面：

1)种类少。高强度结构钢的种类少是现阶段我国面临的主要问题，由于我国的生产模式缺乏系统性，这样就使钢结构工程在选择的过程中没有过多的选择余地，现阶段我国较多使用的是Q235和Q345这两种普通的钢材，对强度高于420 MPa的钢材生产较少，这很难满足工程建筑的施工要求。

2)高强度结构钢的质量评价体系不完善。高强度结构钢质量评价体系不仅是评判生产厂家高强度结构钢质量的标准，同时也是确保我国高强度结构钢稳定生产的基础条件。但是在现阶段，我国还没有建立完善的高强度结构钢的质量评价体系，这样就导致生产厂家在生产的过程中，受设备以及技术等的影响而生产出质量参差不齐的高强度结构钢，这些材料一旦在工程施工中使用，就会对整个工程的质量造成威胁。

3)高强度结构钢的性能设计指标不明确。在高强度结构钢生产过程中，由于缺少对高强度结构钢的抗力分项系数以及强度设计指标，就会使得工程设计受到严重的影响，从而影响高强度结构钢在工程建筑施工中的应用。

4)高强度结构钢连接技术不完善。当前在我国的建筑工程施工中所使用到的连接技术主要为焊接和螺栓连接这两种，但是在生产高强度结构钢的过程中，许多生产厂家没有考虑到这一点，从而使其所生产出来的高强度结构钢不能与这两种技术进行良好的结合。此外，在高强度结构钢的生产中，由于材料中碳元素的含量比较少，这就使得高强度结构钢有较好的韧性和焊接性能，但是由于高强度结构钢中所含的合金成分是不同的，其在焊接的过程中所使用的材料也要不同，若在焊接的过程中，不能注意到这一点，就会严重的影响到工程建筑的施工质量。

5)国家制定的相关标准与规范较少。由于我国对高强度结构钢的研究还处于起步阶段，在研究的过程中还没有对其相关的标准和规范进行完善，导致高强度结构钢在生产和使用的过程中进行不断的研究和分析后才可以投入使用。这样一来不仅耗费了较多的时间，其可靠性也不高，从而限制了高强度结构钢在我国建筑行业的使用。

3 高强度结构钢在抗震设防区的应用

在现阶段的建筑施工中，高强度结构钢的优势逐渐的凸显出来，其在抗震方面的优势与钢筋混凝土相比占有绝对的优势，其能够有效的降低地震对建筑物所造成的伤害。但是如果在建筑的过程中不能合理的使用高强度结构钢，则同样也会出现倒塌的现象，为了减少因建筑物倒塌而对人民生命财产安全造成的严重后果，我们要加强对高强度结构钢抗震性能以及抗震设计方法的研究，并在设计中对高强度结构钢的使用方法做出详细的规定，从而使其更好的应用于建筑工程施工中去。而高强度结构钢在抗震设防区的应用则主要体现在以下几个方面。

3.1 抗震设防区对高强度结构钢的要求

在研究中我们首先对抗震设防区对结构用钢的要求进行了简单的研究，通过对比不同牌号的钢材力学性能发现，随着钢材屈服强度的不断提高，钢材的屈强比就会增大，这样钢材的极限应变就会减少(如图1所示)。所以，为了更好的确保抗震设防区钢结构以及构件具有足够的塑变性能和耗能能力，主要通过了GB 50011—2010建筑抗震设计规范对结构用钢的材料屈强比、断后伸长率等力学性能进行了严格的要求。

但是随着钢材生产工艺的不断提高，出现了以热机械控制轧制工艺，这一工艺交货状态提高了钢材的强度，且其碳含量低，具有良好的可焊性。所以，高强度结构钢的屈强比在一定程度上体现了钢材的强度储备，同时也对构件的变形能力产生了影响。此外，其断后伸长率也能够体现材料的延性性能，这也是影响构件与结构延性的重要因素。总而言之，结构及其构件的延性对其抗震性能在一定程度上起着重要的作用。

3.2 高强度结构钢在地震设防区的设计思路

建筑抗震设计中较多采用的是“三水准设防，两阶段设计”。这一设计方式主要分为两个阶段，第一阶段的设计多为地震作用下对结构的承载能力、弹性变形等进行验算，其目的主要是为了减少地震对建筑物的损害。第二阶段的设计则主要是为罕见大地震作用下对结构薄弱部位弹塑性变形进行计算，从而有效的预防大地震对建筑物的损害。除此以外，还应该使结构具备足够的延性，使其满足大震作用下的变形与耗能要求。

首先，我们应该提高延性较差的高强度结构钢的地震作用(如图2所示)。对于那些延性较好的结构，可以用塑性变形耗能以及耗散地震作用能量的方式来防止建筑物发生坍塌，其结构的承载力可以稍微设计的低一些；而对于那些延性不好的结构，其承载力应该设计的高一些，这样在设计地震作用下，结构的延性需求就可以相对的降低一些。

其次，要限制高强度结构钢构件使其达到屈服。也就是说要合理的控制高强度结构钢的塑性铰出现的位置和顺序，并通过延性构件屈服后的耗能来确保非延性构件能够在大地震的作用下处于弹性阶段，这样才能够使建筑物在大地震的作用下不会发生坍塌的现象。对此，在设计的过程中，我们应该要求结构具有足够的变形能力和耗能能力，并采用半刚性框架结构。此外，为了确保高强度结构钢具备一定的能力来抵抗地震作用以及在地震作用下有足够的耗能能力，还可以设置抗侧力耗能构件，并根据不同的抗侧力体系来选择低屈服点。