鋼結構用主要鋼材

鋼廠開發(fā)了各種各樣的鋼材，廣泛應用于鋼結構。所開發(fā)和應用的鋼材特征用一句話來說，就是鋼材的“多樣性”。第一特征是“強度的多樣性”，鋼材的強度范圍涵蓋了從超高強度到極低強度的各種鋼材；第二特征是“功能的多樣性”。開發(fā)了焊接性、韌性尤其是耐蝕性和變形能力高的各種鋼材。低屈強比、窄屈服點范圍和高耐火性是日本獨自設定的性能要求，一部分已被歐美標準采用；第三特征是與鋼材產品形狀有關的特征，在這里稱為“斷面的多樣性”。采用熱軋法可以生產大斷面材、極厚材和非對稱斷面材等，不僅可以為用戶提供形狀自由度高的鋼材產品，而且可以為用戶提供各種尺寸規(guī)格的鋼材產品。

1 有助于鋼結構大型化的高強度厚鋼板

在橋梁用鋼方面，將數(shù)個橫梁并排構成的桁架橋（板梁）的建造，加快了鋼材高強度化的發(fā)展。在 1950 年代使用了抗拉強度為500N/mm 2 級的厚鋼板，在 1960 年代使用了抗拉強度為 600N/mm 2 級的厚鋼板。其后，橋梁的大跨度化為桁架橋和吊橋等結構形式的創(chuàng)新起了重要作用。到了 1960 年代后期，厚鋼板的抗拉強度達到了 800N/mm 2 。當時的高強度鋼都是一些含 Ni、Mn 和 Cr等合金元素較多的鋼材。雖然這些鋼材的強度高，但焊接性是一個問題。為解決這一問題，日本在 1998 年完工的明石海峽大橋中，開發(fā)了低預熱型 800N/mm 2 級鋼作為加勁梁用鋼。該鋼種通過將當時作為最新的 TMCP 技術和析出強化技術進行組合后，可提高鋼材的焊接性，成功地將以往的預熱溫度由 100℃以上降到了 50℃左右。

自 1990 年代以來，高強度鋼在建筑物的應用取得了進展。1993 年抗拉強度為 600N/mm 2 級鋼在橫濱陸上燈塔的應用就是一個代表例。自 2000 年以來，被稱作阻尼器的抗震裝置（制振結構）得到了普及應用，它可吸收建筑物因地震而產生的振動能量，減輕建筑物的柱和梁的損壞程度。雖然高強度鋼在建筑物的應用時間比橋梁的晚，但隨著新抗震設計法和建筑物新結構形式的實施，目前，超高強度厚鋼板在建筑物的應用已超過在橋梁上的應用。

2 世界最長吊橋鋼纜用超高強度鋼絲

一般說來，高強度鋼絲的碳含量提高到 0.8% 后，會形成由硬質相和軟質相構成的珠光體組織，研究發(fā)現(xiàn)，添加Si 和 Cr 可以抑制碳的擴散，防止?jié)B碳體出現(xiàn)破碎。在明石海峽大橋用鋼絲的生產中，由于 Cr 會降低熱處理的作業(yè)效率，因此，最終采取的是添加 Si 提高強度的辦法。由于目前還可能生產抗拉強度超過 2000N/mm 2 級的鋼絲，因此，它有望應用于世界正在計劃的長大橋中（例如，挪威的松恩峽灣大橋等）。

3 解決氫脆化問題的建筑用超高強度螺栓

日本從 1950 年代開始，將高強度螺栓應用于橋梁和建筑物。初期的高強度螺栓的抗拉強度為 600-800N/mm 2級，1964 年日本首次制定了高強度螺栓的工業(yè)標準，促進了高強度螺栓的普及應用。在 1964 年的日本工業(yè)標準中，列出了抗拉強度為 700、900、1100 和1300N/mm 2 級的 4 種螺栓的工業(yè)標準。1300N/mm 2 級的螺栓在使用后，會馬上出現(xiàn)氫脆化問題（延遲斷裂），因此，在 1967 年的標準修訂中，只列出了800、1000 和 1100N/mm 2 級的 3 種螺栓的工業(yè)標準。其后，在 1100N/mm 2 級的螺栓中，也偶爾出現(xiàn)了氫脆化問題，因 此， 在 1979 年 以 后， 只 有 1000N/mm 2 級（F10T）的螺栓標準，螺栓的高強度化因氫脆化問題而停滯了大約 20年。

1999 年由于解決了建筑用高強度螺栓氫脆化的問題，一舉將高強度螺栓由以往的 1000N/mm 2 級提高到 1400N/mm 2 級（F14T）。超高強度螺栓經包括海水試驗在內的裸露試驗，已確認其具有穩(wěn)定的抗氫脆化性能，目前已應用于建筑物達 10 多年，為鋼結構部件的簡單化和省力化做出了巨大貢獻。

4 滿足多種性能要求的橋梁用高性能厚鋼板

雖然在 1960 年代，高強度鋼（抗拉強度 800N/mm 2 級）在橋梁的應用取得了快速發(fā)展，但由于為了確保淬火性而添加了很多的 C 和 B，因此，導致高強度鋼容易發(fā)生低溫裂紋等焊接性問題。為解決這一問題，開發(fā)了低預熱型800N/mm 2 級鋼（厚鋼板）。由于該鋼板可將焊接預熱溫度降低到原來的一半以下（50℃），因此，為提高橋梁的建設速度做出了貢獻。

日本于1994年開始， 進行了有關橋梁用高性能鋼的研究。2008 年SBHS500 和 SBHS700（數(shù)值表示屈服強度）已列入新型鋼材標準（JIS G3140-SBHS），2011 年又追加了 SBHS400。美國和韓國也已制定了橋梁用高性能厚鋼板的標準，但日本的 SBHS 鋼的屈服強度保證值比其他國家的都高。

5 新抗震設計法對建筑用抗震鋼材的要求

自 1980 年代以來，新建筑結構用鋼材得到了大力開發(fā)和應用。以“新抗震設計法”的實施為契機，1981 年建筑物的設計發(fā)生了巨大變化，由彈性設計變?yōu)樗苄栽O計。開發(fā)了 SN 鋼和 SA440 鋼等抗震用鋼材（厚鋼板和型鋼）。這些新抗震用鋼材的主要特征是，不僅鋼材的韌性值和板厚方向的斷面收縮率都達到了橋梁用鋼材的標準，而且屈強比（屈服強度與抗拉強度之比）的上限值和屈服強度的上下限范圍也在規(guī)定范圍內。

屈強比是表示影響鋼構件塑性變形能力的指標。也就是說，屈強比YP越低，塑性區(qū)域就越大，變形能力越高。SN 鋼和 SA440 鋼（抗拉強度為 400-600N/mm 2 級）為低屈服強度比鋼材，它以硬質相和軟質相的雙相組織為基礎，通過組織控制和晶粒度控制可獲得必要的強度和屈強比。

另一方面，屈服強度的上下限范圍是影響整個框架變形能力的性能指標。SN 鋼和 SA440 鋼的屈服強度上下限范圍規(guī)定在 100-200N/mm 2 。通過嚴格控制生產工藝中的溫度軋制條件，就可控制材料的屈服強度的上下限值。不論是屈強比和韌性值，日本的標準都是最嚴格的。歐洲的材料標準和設計標準沒有對屈強比的上限做出規(guī)定，因此有待于進一步研究。

6 鋼材斷裂的控制技術和高HAZ 韌性鋼

1995 年日本兵庫縣南部地震的特征之一是鋼材是從焊接部發(fā)生斷裂。當時使用的是 SN 鋼，無法保證 HAZ 韌性。為確保 HAZ 韌性，有效的辦法是通過控制晶粒因 Ti 和 TiO 2 等氮化物和氧化物而出現(xiàn)生長（釘扎效應），并利用晶粒內的細化作用（晶粒內鐵素體的相變），實現(xiàn)晶粒細化。為使晶粒細化，開發(fā)了能夠有效抑制 HAZ 部附近晶粒生長的技術。該技術采用的是將含有 Mg 和 Ca 且粒度為數(shù) 10nm- 數(shù) 100nm 的極細氧化物和硫化物在鋼中彌散的技術來控制晶粒的生長。另外，還開發(fā)了微量添加 B等合金來控制晶內組織的技術，并提出了各種控制 HAZ 部組織的技術。通過這些研究，開發(fā)了高 HAZ 韌性鋼，即使在焊接線能量為 100kJ/mm 的情況下，也能確保在 0℃時，具有 70J 以上的 HAZ韌性。目前，這種高 HAZ 韌性鋼已廣泛用作高層建筑的柱子用鋼材。

7 有助于降低壽命周期成本的耐候性鋼和耐蝕鋼

目前，新建橋梁的 20%-25% 采用了 JIS 耐候鋼（SMA），它可在無涂裝情況下，確保長久的耐用性，為降低壽命周期成本（LCC）做出了貢獻。耐候鋼廣泛應用于橋梁，但在海岸線附近鹽分大的環(huán)境下，因不會生成保護性銹，也就無法抑制腐蝕。為解決這一問題，開發(fā)了鎳系高耐候性鋼。該鋼的特征是Ni 的添加量為 1%-3%，此外還添加了微量的 Cu、Mo 和 Ti 等合金元素。該鋼于 1998 年首次應用于北陸新干線的橋梁和橋墩。經過15年后的裸露試驗表明，3% 鎳系高耐候性鋼受腐蝕量只有 JIS-SMA 的 2/3，為 0.17mm/100 年。最初開發(fā)的高耐候性鋼是 3%Ni-Cu 系，后來由于 Ni 的添加量和添加的合金元素不同，因此，高耐候性鋼有幾種類型，可根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同分別使用。

為更好地防止海岸線附近鹽分對鋼構產生腐蝕的影響，開發(fā)了在鋼構涂裝情況下，可延長重新涂裝周期的鋼材，如 Sn 添加鋼。根據(jù)裸露試驗和腐蝕加速試驗的結果可知，Sn 添加鋼的使用壽命比涂裝鋼板的延長 2 倍左右。Sn 添加鋼和耐候性鋼主要是根據(jù)鹽分量的不同分別使用。

除了上述鋼種外，還開發(fā)了在添加少量 Cr 和 Al 的低合金耐蝕鋼上涂覆一次性防銹用的無機含鋅粉耐蝕耐熱涂料，使其耐蝕性接近不銹鋼（SUS304）的技術，該鋼材被稱作“ARU-TEN”。

8 適用于新型建筑結構的高性能鋼（低屈服點鋼和超高強度鋼）

為進一步提高屈曲支撐和制振結構的性能，開發(fā)了阻尼器專用的鋼材。開發(fā)的鋼材為 LY100 和 LY235。在作為新型建筑結構的制振結構的普及過程中，為減小伴隨巨大地震而產生的風險，從2004 年開始，研究將制振結構和高強度鋼組合的“新型結構裝置”。除了研究幾種類型的制振結構裝置外，還開發(fā)了800N/mm 2 級高強度厚鋼板（H-SA700），其抗拉強度為 800N/mm 2 級，屈強比的上限值為 98%，分為焊接用和非焊接用兩種。另外，還開發(fā)了抗拉強度為1000N/mm 2 級的超高強度厚鋼板，并在低層建筑進行了試用。該鋼的屈服強度在 880N/mm 2 以上，抗拉強度在 950N/mm 2 以上，屈強比在 98% 以下。另外，為防止該鋼發(fā)生焊接裂紋，需要進行焊接預熱，這是一個課題，但可以通過使用軟質接頭予以解決。

9 世界最早的建筑用高溫強度保證鋼（耐火鋼）

為解決在火災高溫下，鋼材強度會急劇下降的問題，1988 年開發(fā)了具有良好高溫強度特性的耐火鋼，并在世界上首次成功應用于立體停車場。作為建筑用耐火鋼的主要特征在于，保證 600℃時的屈服強度是常溫 F 值（材料的設計強度）的 2/3 以上。耐火鋼 NSFR490B的高溫強度比普通焊接結構用鋼材要好，其屈服強度（YP）在 600℃時是常溫設計標準強度的 2/3 以上。使用耐火鋼，不僅可以省略耐火保護層、縮短工期，還可實現(xiàn)鋼結構因沒有耐火保護層而變得輕巧。

10 大斷面及尺寸自由度高的 H型鋼和鋼板樁

由于在 1980 年代后期，開發(fā)了能夠隨意調整 H 型鋼尺寸的軋制新技術，因此 H 型鋼的大型化和尺寸的自由度取得了飛躍發(fā)展。例如，根據(jù)歐洲（H 型鋼規(guī)格）和日本（外部尺寸一定的H型鋼）的梁用 H 型鋼的比較可知，歐洲的各種尺寸的 H 型鋼品種數(shù)量為 224 個，而日本超過了 600 個，日本各種尺寸的 H 型鋼品種數(shù)量占據(jù)了絕對優(yōu)勢。

另一方面，地下結構物建設用的鋼板樁也在朝著大斷面和獨特形狀方面進行開發(fā)。1931 年日本以國外技術為基礎開始生產鋼板樁，一直使用歐洲的標準生產寬度為 400mm 的 U 形鋼板樁。其后，開發(fā)了寬度為 500mm 和 600mm 的 U形鋼板樁。2005 年開發(fā)了施工性、可靠性和經濟性高的寬度為 900mm 的帽形鋼板樁。帽形鋼板樁分為高度為 230mm 的10H 和高度為 300mm 的 25H 兩種，其后還開發(fā)了高度為 370mm 左右、厚度不同的兩種大型帽形鋼板樁（45H 和 50H）。

11 其他高性能鋼材（高強度鋼筋和超高強度鋼纖維）

鋼筋混凝土結構不同于鋼結構，廣義上來說它是混凝土和鋼材（鋼筋）的合成體。混凝土是脆性材料，雖然具有抗壓性能，但抗拉性能非常低。為彌補混凝土的缺點，需用鋼筋來解決，這就是鋼筋混凝土。1988 年受國外混凝土高強度化發(fā)展的影響，日本啟動了新鋼筋混凝土計劃，開發(fā)強度是以往的 2-4 倍的建筑用鋼材。

隨著大城市超高層住宅建設的不斷發(fā)展，根據(jù)新鋼筋混凝土計劃開發(fā)的高強度混凝土和高強度鋼筋自 1995 年以后得到不斷的應用。目前，混凝土的最高強度達到了 200N/mm 3 、縱向鋼筋強度達到了 685N/mm 3 、橫向鋼筋強度達到了 1275N/mm 3 。

混凝土的高強度化，尤其是由于150-200N/mm 3 以上的混凝土非常容易發(fā)生脆性破壞，因此，在混凝土中混入超高強度的鋼纖維來增強混凝土強度的情況越來越多。這種超高強度鋼纖維，不僅能改善高強度混凝土的變形性能，而且能防止火災時高強度混凝土的爆裂。

另一方面，作為鋼筋混凝土結構形式之一有預應力混凝土結構（PC）結構。使用高強度 PC 鋼材，可以使混凝土產生預壓縮力，還能提高張力弱的混凝土的性能。這種結構使用的 PC 鋼材的抗拉強度一般為 1860N/mm 3 ，但 2230N/mm 3的鋼材也已應用于實際建筑物。