编者按：钢结构凭借其卓越的强度、较轻的自重、优良的抗震特性、较高的工业化水平以及节能环保的显著优势，被广泛采纳。在诸如美国、日本等发达国家，钢结构所覆盖的建筑面积已超过总建筑规模的半数。相较之下，我国目前钢结构建筑在整体建筑中所占的比例尚不足10%。我国城镇化进程的加速，使得钢结构建筑前景光明，具有极大的发展潜力。在此背景下，研发新型钢材，以适应钢结构用钢市场的需求，对于我国钢铁企业而言，仍然是一项艰巨的任务。为此，本报特地策划了这次专题报道，旨在为企业在钢结构产品研发领域提供有益的参考。
钢结构初期发展回顾
塞文河桥，这座世界上首座铸铁桥，其建造始于1779年。伴随着与底吹转炉技术相关的精炼技术的创新与进步，一种兼具强度和韧性等多重功能的钢材应运而生，并逐渐成为钢结构领域的基础材料。
日本在钢结构领域的发展始于桥梁工程，而首个采用钢结构的建筑则诞生于1894年的秀英舍印刷厂建设过程中。
桥梁的发展和钢材
图1展示了吊桥、斜拉桥以及桁架桥等典型桥梁的最大跨度和钢材需求量的演变趋势。在1960年代至2000年代初的四十余年间，日本每年大约使用约50万吨钢材来建造桥梁。进入1990年代，这一数字飙升至年均90万吨。明石海峡大桥，作为世界上最长的大桥，于1998年落成，其所采用的缆绳钢丝强度在当时达到了前所未有的高度，从1600N/mm²提升至1800N/mm²。
图1 日本主要桥梁形式的最大中间跨度及其钢材订货量的变化
明石海峡大桥的建设过程中，为了提升梁的制造速度，研发了低预热型800N/mm²级钢板。以此为起点，自1990年代开始，陆续研发了适用于桥梁建设的高性能钢材（SBHS），其屈服强度达到500、700N/mm²级，不仅具备高强度，还兼具高韧性、优良的焊接性能以及出色的耐大气腐蚀能力。东京京门大桥于2012年落成，其中广泛运用了SBHS钢。该桥在建设过程中，创新性地采用了无螺栓的全断面焊接节点结构，这一技术在大型桁架桥领域堪称全球首例，且以其优美的钢结构设计享誉全球。此外，还研发了一种无需涂装即可保证耐腐蚀性能的钢材。
建筑、铁塔用钢材
日本研发了众多高性能钢材，主要用于建筑领域，随后这些钢材逐渐被应用于中低层建筑。日本建筑及铁塔的钢结构加工需求量极大，在过去40年间，其年均消费量稳定在600万吨，是桥梁用钢消费量的10倍有余。在1990年钢材的屈服比，这一加工量达到了1200万吨，几乎等同于英国当年全年的粗钢产量。
1968年，霞关大厦（156m）拔地而起，其高度超过100m，从而拉开了日本高层建筑发展的序幕。名古屋电视塔竣工后，东京塔（333m）又成为了当时世界之最。到了2012年，东京天空树塔（634m）的建成，更是将这一纪录刷新。可以说，它汇聚了日本最尖端的钢结构制作技术，成为集大成者。
日本作为一个地震频发的国家，导致其在建筑领域对高强度钢的应用相较于桥梁领域晚了大约20至30年。这是因为高强度钢的延伸性和韧性均不如普通钢，人们对其抗震性能持有疑虑。为了克服这一难题，日本于1981年颁布了一项新的抗震设计法，该法充分考虑了建筑物的塑性变形能力。
1993年，横滨陆上灯塔采用了抗拉强度达到600N/mm²级别的钢材；到了1998年，小仓火车站大楼也开始使用抗拉强度为800N/mm²级别的钢材。这些用于建筑的钢材在技术参数上与桥梁用钢材存在差异，它们属于具有优良塑性变形性能的建筑专用钢材。在研发这些新型钢材的过程中，还提出了以“制振结构”为核心的新抗震结构理念，这一理念推动了日本高层建筑的广泛普及。2010年，此类制振结构开始广泛运用。那时，成功研发了一种新型钢材，其焊接性能优异，焊接效率高，抗拉强度达到800N/mm²级别，且适用于建筑用途。此外，还研制出了一种最高强度为1000N/mm²级的钢种。这两种钢材均经过实际建筑应用的测试。其中，新开发的800N/mm²级高强度钢，对东京天空树塔的建设起到了重要作用。在增强钢材强度的过程中，成功研发了屈服点较低的钢材，包括屈服强度达到100N/mm²和200N/mm²级别的钢材，这些钢材被用作制振结构内部吸收地震能量的阻尼器材料。此外，2004年还研制出了一种适用于大线能量焊接的高HAZ韧性钢，该钢材能够确保焊接部位的韧性。
在追求钢材性能提升和抗震能力增强的过程中，我国成功研发了新型建筑材料——耐火钢材。此外，日本还创新性地推出了钢结构住宅，即薄板轻量型钢制房屋，其主体结构采用厚度不足2.3毫米的薄钢板（镀锌钢板），这一创新不仅有助于钢材取代木材，还显著提升了低层住宅的建设效率。
本篇内容节选自2017年该报第36期B08版块，欲深入了解，敬请关注报纸A版与B版的相关资讯。亦可通过访问本报手机应用程序或访问网站新域名，查阅完整版文章。如需引用钢材的屈服比，请务必注明来源。
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