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介(jie)紹了(le)日(ri)本(ben)高層建(jian)筑最常用的支撐構件——高強度大直徑厚壁鋼管的使用概況，JFE公司生產的建筑用大直徑厚壁鋼管的(de)研(yan)發進展以(yi)及(ji)該(gai)類鋼(gang)管在力(li)學性(xing)能(neng)和焊(han)接性(xing)等(deng)方面的(de)特(te)殊要求。通過調整鋼(gang)板(ban)的(de)化學成分(fen)及(ji)制造工藝(yi)，以(yi)減小鋼(gang)管基體(ti)材料的(de)屈(qu)強(qiang)比；同時還要考(kao)慮制管前后鋼(gang)板(ban)力(li)學性(xing)能(neng)的(de)變化，通過調整制管工藝(yi)減少(shao)加(jia)工硬化，如加(jia)熱(re)成型或制管后進行熱(re)處(chu)理(li)等(deng)，以(yi)保證所生(sheng)產的(de)鋼(gang)管具有低屈(qu)強(qiang)比和足(zu)夠的(de)韌性(xing)，滿足(zu)高層建筑的(de)使(shi)用要求。

    高強度大直(zhi)徑厚壁鋼管已成為(wei)高層建筑不可缺少的(de)支撐構件(jian)。據(ju)日本JFE公司統計，高(gao)層建筑最常用(yong)的鋼管直徑為600～800 mm，壁(bi)厚為20～40 mm，廣泛采用(yong)UOE工藝。然而(er)，每年都(dou)有一些工程(cheng)的設計采用壁厚在40～100 mm之(zhi)間，直徑(jing)接近2 000 mm的大直徑厚壁鋼管。對此，日本JFE公司(si)開發了一(yi)系列抗拉強(qiang)度在490～780 MPa，屈(qu)服強度在385～630MPa的高強度、大直(zhi)徑(jing)厚(hou)壁(bi)鋼管(guan)，工程(cheng)實(shi)踐表(biao)明，這(zhe)些大直(zhi)徑(jing)厚(hou)壁(bi)鋼管(guan)完全能(neng)滿足(zu)高層(ceng)建筑的性能(neng)要求。

1  建(jian)筑結構(gou)用(yong)鋼管的性能要求

1.1  力(li)學性能

    當前(qian)日本的(de)建筑(zhu)(zhu)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)廣泛(fan)采用(yong)彈(dan)靼(da)性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)理念(nian)，其核心思想是通(tong)過構(gou)件的(de)塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)及吸收功防(fang)止構(gou)件失(shi)效。彈(dan)塑性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)主(zhu)要(yao)利(li)用(yong)鋼(gang)材的(de)高塑性(xing)(xing)變(bian)形(xing)能力。與彈(dan)性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)相比，由于(yu)彈(dan)塑性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)可以減(jian)少構(gou)件的(de)截(jie)面積，因此更加經濟。這(zhe)就要(yao)求(qiu)建筑(zhu)(zhu)物(wu)的(de)主(zhu)要(yao)構(gou)件要(yao)具(ju)有規(gui)(gui)(gui)定的(de)屈強(qiang)(qiang)比。另一方面，建筑(zhu)(zhu)物(wu)的(de)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)規(gui)(gui)(gui)范正在從標(biao)準設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)規(gui)(gui)(gui)范向性(xing)(xing)能設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)規(gui)(gui)(gui)范轉變(bian)。因此，現代高層(ceng)建筑(zhu)(zhu)的(de)漫計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)不僅采用(yong)彈(dan)蠼性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，而且還采用(yong)彈(dan)性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)。基于(yu)以上(shang)兩種(zhong)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)理念(nian)，彈(dan)塑性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)要(yao)求(qiu)鋼(gang)管具(ju)有低屈強(qiang)(qiang)比，而彈(dan)性(xing)(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)要(yao)求(qiu)鋼(gang)管具(ju)有高屈強(qiang)(qiang)比。

    由于(yu)近年來地震時(shi)有發生，對建筑用鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)的(de)韌性(xing)提出了更高的(de)要求。鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)與制管(guan)(guan)之前(qian)的(de)鋼(gang)(gang)(gang)板相比，由于(yu)發生了塑性(xing)變形，其韌性(xing)將會(hui)降低，而最理(li)想的(de)情況應該是鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)(guan)的(de)韌性(xing)值(zhi)要保持在制管(guan)(guan)之前(qian)鋼(gang)(gang)(gang)板的(de)水平。

1.2焊接(jie)性(xing)

    由于涉及更高的(de)預熱溫(wen)度(du)及更加嚴格(ge)的(de)層間(jian)溫(wen)度(du)控制，所以高強鋼的(de)焊(han)接(jie)(jie)通常較為(wei)困(kun)難。因此，要(yao)求鋼板應具(ju)(ju)有較低(di)的(de)焊(han)接(jie)(jie)預熱溫(wen)度(du)，使其具(ju)(ju)有良好的(de)焊(han)接(jie)(jie)性。JFE公司大直徑厚壁(bi)鋼管用鋼板要求有(you)較低(di)的焊接裂紋敏感系數(Pcm)。

1.3研(yan)發目標

    JFE公司提(ti)出的大直徑高強(qiang)度厚壁(bi)鋼管目標強(qiang)度分(fen)為三個級別(bie)，其抗拉強(qiang)度分(fen)別(bie)為490~550MPa，570-590 MPa和(he)780 MPa;對于每個強度級別，規定了不(bu)同的屈強比；而(er)對于抗拉(la)強度為780MPa的鋼管，只限于高屈強比(bi)設計。同時，規定開(kai)發(fa)的鋼板要達(da)到相同級別(bie)建筑用鋼的韌性及Pcm，研發日標(biao)的規定值(zhi)見表1。

2開發思路及工藝

2.1  鋼(gang)板力學(xue)性能控制

2.1.1  屈強比(bi)

    鋼板(ban)屈服強度和屈強比(bi)的關系如圖l所示，通常厚(hou)鋼板的屈強比隨強度的增(zeng)加而(er)增(zeng)加。一般情況下，抗拉強度為570～610 MPa的鋼板的平均屈(qu)強(qiang)比超過80%，抗拉強度為(wei)780 MPa的(de)鋼板的(de)屈強比(bi)超過85%。由(you)表1可見，在要求高屈強(qiang)比設計的情況下，傳統的鋼板(ban)可以直接使(shi)用，但如果要求鋼板(ban)具有低的屈強(qiang)比，就(jiu)要通過化學(xue)成分及制造工(gong)藝(yi)來(lai)調整。

    對于強度(du)級(ji)別$550 MPa的(de)鋼種，通過(guo)優化控軋(ya)控冷(TMCP)工藝(yi)可(ke)以(yi)實現(xian)鋼板屈強比≤80%的目標；對于強度級別更高(gao)的590 MPa和780 MPa鋼種，不僅(jin)可以通過多級(ji)熱處理實現鋼板(ban)屈強比(bi)≤85%的目標，也(ye)可(ke)以通過在線熱處理(HOP)工(gong)藝使(shi)其屈強比達(da)到要求。控制鋼板(ban)屈強比的生產工(gong)藝如圖2所示(shi)。

2.1.2冷(leng)彎(wan)成型(xing)導致的(de)力學性(xing)能變(bian)化

    制管過程中(zhong)的冷彎成型(xing)會導致(zhi)在鋼管壁(bi)厚外側及內側分別產(chan)生拉伸(shen)及壓(ya)縮塑(su)性應(ying)變，應(ying)變大小(xiao)取決于(yu)鋼板(ban)厚度(du)與鋼管直(zhi)徑的比值(t/D)。由于(yu)應變會導致鋼(gang)管的力學性能惡化，因(yin)此，在(zai)制管過程中要考慮制管前后鋼(gang)板力學性能的變化。

    為使鋼(gang)管(guan)具有低屈(qu)強比，就要進(jin)(jin)一步減小鋼(gang)管(guan)基體材料的屈(qu)強比設計目(mu)標值，或者(zhe)通過適當的工藝減少(shao)加工硬(ying)化(hua)(hua)，如(ru)加熱(re)成瓔或制(zhi)(zhi)管(guan)后(hou)進(jin)(jin)行熱(re)處理。用(yong)于制(zhi)(zhi)造(zao)厚(hou)壁鋼(gang)管(guan)的鋼(gang)板有必要優化(hua)(hua)其化(hua)(hua)學成分及(ji)生產工藝，進(jin)(jin)而提高其制(zhi)(zhi)管(guan)后(hou)的韌性。

2.1.3焊接性

    JFE公司(si)利用高精度的TMCP技術及在線加速冷卻(Super-OLAC)工藝，通(tong)過減小(xiao)碳(tan)當量及Pcm值來保證(zheng)高強鋼良好的焊(han)接性。表2給出了(le)建筑用低屈強比鋼板、高(gao)焊接(jie)性590 MPa鋼板(ban)及低屈強比780 MPa鋼(gang)板的Y形坡口焊接裂紋試驗(yan)結(jie)果。可以看出，強度低于(yu)590 MPa的鋼板焊接時(shi)可以不用預熱。

2.2  制管

2.2.1  彎曲成型

  JFE公司(si)生(sheng)產(chan)的建筑用鋼管中，高強(qiang)度(du)厚壁鋼管通過圖3所示的(de)壓彎方(fang)法(fa)成型(xing)。采用該方(fang)法(fa)，鋼(gang)(gang)板要進行(xing)三點彎曲(qu)，然后通過擴徑機得(de)到(dao)所要求的(de)管徑。厚規格鋼(gang)(gang)板的(de)塑性(xing)彎曲(qu)成型(xing)需要較(jiao)高的(de)壓力(li)(li)。在成型(xing)壓力(li)(li)超過彎板機能力(li)(li)的(de)情況下(xia)，必須(xu)通過成型(xing)之前的(de)加(jia)熱來減小(xiao)(xiao)變(bian)形阻(zu)力(li)(li)。采用這(zhe)種方(fang)法(fa)時(shi)，變(bian)形阻(zu)力(li)(li)隨著加(jia)熱溫度(du)的(de)增加(jia)而減小(xiao)(xiao)，但(dan)是(shi)溫度(du)增加(jia)會導致加(jia)工硬化(hua)條(tiao)件(jian)的(de)變(bian)化(hua)。因此，在確(que)定(ding)壓彎條(tiao)件(jian)時(shi)就必須(xu)考慮到(dao)鋼(gang)(gang)管力(li)(li)學性(xing)能的(de)這(zhe)種變(bian)化(hua)。

  此(ci)外，為保證鋼管(guan)(guan)的(de)(de)尺寸(cun)精(jing)度(du)，控制(zhi)制(zhi)管(guan)(guan)前鋼板的(de)(de)精(jing)度(du)、成型壓力及焊(han)接變(bian)形非常重要。特別是對于(yu)厚壁鋼管(guan)(guan)，由于(yu)焊(han)縫截面大需要進行大量的(de)(de)填充，所以要在考慮到以上影響(xiang)因(yin)素的(de)(de)條件下(xia)確定焊(han)接工藝。

2.2.2熱(re)處理

    對(dui)于具有較大t/D值的(de)(de)(de)鋼(gang)管，冷彎成(cheng)型中由塑性應變產(chan)生的(de)(de)(de)加(jia)(jia)工(gong)(gong)硬化(hua)較大(da)。在此(ci)情(qing)況下(xia)，要通過成(cheng)型過程中的(de)(de)(de)加(jia)(jia)熱(re)成(cheng)型或焊(han)接(jie)后的(de)(de)(de)熱(re)處理來(lai)減少加(jia)(jia)工(gong)(gong)硬化(hua)導致的(de)(de)(de)屈強比的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)。圖4給出(chu)了熱彎成型及(ji)冷彎+回火時t/D對490MPa鋼管屈強比(bi)的影響。3鋼管的化(hua)學(xue)成分及(ji)性能

    抗拉強(qiang)度為490～780 MPa鋼管的尺寸范圍較廣(guang)，其外(wai)徑在800～2 100 mm之間(jian)，壁厚在(zai)40～100 mm之間，t/D在0.042～0.078之(zhi)間。JFE公司生產的建筑(zhu)用高強厚壁鋼(gang)管用鋼(gang)板的化學成分見表3。

    JFE公司生產(chan)的建(jian)筑(zhu)用(yong)高強厚壁鋼(gang)管及鋼(gang)板的力學(xue)性(xing)能見表4。表(biao)(biao)中(zhong)鋼管及制管前鋼板的拉伸試樣均(jun)(jun)縱(zong)向截取，且(qie)均(jun)(jun)為全壁厚試樣；夏比(bi)沖擊試樣從距鋼管表(biao)(biao)畫U4處及其鋼(gang)板(ban)的對應位置(zhi)截取。

    不同鋼種的鋼管dD與屈(qu)強比(bi)的關系如圖5所示。雖然(ran)強度、厚度及管徑不同，但通(tong)過Su-per-OLAC、HOP及合適的(de)熱處理(li)工藝可(ke)以將屈強比控制在一定的(de)范圍內。

4結  語(yu)

    日本JFE公司開發的高強大直徑厚壁鋼管(guan)品種(zhong)規格(ge)較多，抗拉強度在490~780 MPa之間（屈服強度(du)在385～630 MPa之間），壁厚在40～100 mm之間，最(zui)大直(zhi)徑達2000mm。值得(de)一提的(de)是，通過適(shi)當的(de)工藝(yi)可在相同(tong)的(de)強度下獲得(de)不同(tong)的(de)屈強比。目前，中國國內高層建筑(zhu)采用(yong)鋼(gang)結(jie)構已(yi)成(cheng)為一種(zhong)趨勢，而(er)對于作為主要支撐構件的(de)大直(zhi)徑厚壁(bi)鋼(gang)管的(de)開(kai)發還相對滯后。JFE公司大直徑厚(hou)壁(bi)鋼管用(yong)鋼的化(hua)學成分、力(li)學性(xing)能及制管工藝等值得相關研發(fa)單位借鑒。