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1、JFE 技报 No. 8 (2006年10月)新型建筑框架用550 N/mm2 级别高强钢材料的特点MURAKAMI Yukio*1FUJISAWA Seiji*2FUJISAWA Kazuyoshi*3摘要: JFE钢厂采用其先进的Super-OLAC（在线快速冷却）快冷技术研发了下限抗拉强度550 N/mm2的新系列框架用高强钢产品。该产品系列目前包括钢板 “HBL385” ， 圆形钢管“P-385”和方形钢管 “P Colume G385” 。这些产品在保证常规钢种焊接性能的同时实现了高强度和优异的抗地震性能。 使用方形钢管的试验结果证明立柱要求的累计延性系数30能够充分保证。轧制的H-
2、型钢, “HBL-H385” 也正在研发之中。曾经展开了一次设计试验，研究这些产品的定质优点和问题。结果显示，很难保证在所有楼层取代横梁必要的设计标准，因为由于降低了刚性，楼层偏移量超过了20%，但是取代立柱在实际使用中没有出现问题。如果设计从开始阶段准备好使用这些产品，可以进一步扩大产品的应用范围。1. 序言 高层建筑使用的钢材通常是SN材料或490 N/mm2 级的热机控轧工艺钢。现在有了590 N/mm2 级高强钢产品 ，但是出于各种原因，该材料还没有进入普遍应用的阶段。在其缺点当中，在生产过程中需要添加合金元素和进行复杂的热处理，并且在焊接过程中需要例如预热控制和线能输入限制之类的特殊
3、控制。鉴于这个背景，有了对拥有良好焊接性能和抗震性能的高强钢产品的需求。为满足此需求， JFE 钢厂通过采用公司先进在线快速冷却装置 Super- OLAC 技术研发了550 N/mm2 级下限抗拉强度建筑框架用系列高强钢产品，并满足了快速和均匀冷却的要求。2. 产品特点新开发的550 N/mm2 级建筑框架用高强钢拥有385 N/mm2的设计标准强度。目前的产品有钢板“HBL385”，圆形钢管 “P-385”和方形钢管 “P Column G385” ， (以下统称为385系列)。轧制H-型钢“HBL-H385”目前正处于研发阶段。385系列的化学成分如表1所示；力学性能如表2所示。2.1
4、钢板“HBL385”HBL385 经过日本国土交通省于2002年2月批准的TMCP钢板并达到其作为热轧材料的最大参考强度 (385 N/mm2) (不经过回火加淬火处理)。力学性能的例子示于图1，图2和表3。高强度和低屈强比（YR）通过最佳的成分设计、充分利用JFE钢厂Super-OLAC快速冷却和均匀冷却技术得以实现。表 1 385 系列化学成分表 2 385 系列力学性能 表 3 HBL385的力学性能 图. 1 应力-应变关系 (t 32 mm) 图. 2 夏比冲击系能 (t 32 mm)通过将Ceq 和 PCM 保持到520 N/mm2 钢的水平实现了优异的焊接性能。 (有关更详细的内
5、容，包括焊接接头性能，参见Ref. 1)。因为该产品兼顾了优异的抗震性能和焊接性能，其卓越性已经自开始销售时得到高度评价，在著名大型建筑商的大量使用始于2004年。2.2 圆形钢管 “P-385”P-385 是经过日本国土交通省与2003年8月批准的原型钢管并且可以采用UOE工艺和压弯两个制管工艺生产。因为是圆形钢管(i.e., 通过弯板生产), 其屈服强度(YS) 范围、抗拉强度 (TS) 范围和YR符合JIS中的STKN标准，但是所有其它材料性能符合 HBL385。2.3 方形钢管 “P Column G385”P Column G385 是550 N/mm2 级的冷压成型的方形钢管，由J
6、FE钢厂和Seikei公司共同开发，于2004年11月Seikei公司获得了部省批准。钢管产品制作用钢板由JFE钢厂生产，制管和销售由Seikei公司承担。除了角形件外，扁件拥有和HBL385相同的性能。设计要求符合“冷成型方形钢管的设计和加工手册” 2)。产品根据BCP325设计标准强度值385 N/mm2应用。下面在构件弯曲试验的结果介绍了P Column G385的结构性能。(1) 试验概况试验的概况示于图3和表4。采用相当于构件塑性力矩Mp的标准位移 p ，周期载荷用于两个周期，各为1倍、2倍、4倍、6倍、8倍, . . . , p。试样在中心焊接了一个贯通隔板，如图3使用表4中的3号
7、试样作为标准试样，2号试样准备用来研究负荷输入方向的影响；4号试样用来研究非脆性断裂焊接方法的影响 (NBFW; 用来防止脆性断裂的焊接方法; 有关详情，参见Ref. 2); 5号试样用来分别研究宽度-厚度比的影响。以上所有试样都是极限状态要断裂的FA级试样。此外，为了考虑局部鼓肚原因造成的极限状态，同样是FA级试样的1号试样也需要准备。表5显示了各个试样的力学性能。在所有情况下，试样显示较高的角部韧性。还 可以注意到， 由于立柱角部的最大强度是654 N/mm2, YGW21 (JIS Z 3312) 被用作隔板焊接的耗材。 图. 3 试验装置表 4 试样列表 表 5 材料性能(2) 实验结
8、果图4 显示了3号试样的滞后回线作为典型事例。试样承受住了高达6p 的形变，其滞后回线也呈现了稳定的梭形。照片1显示了试验完成后隔板区的区。已经采用NBFW法焊接的3号试样，断裂线从焊缝一致延伸到立柱基材侧。相反，用常规焊接法准备的4号试样，其断裂线延伸到立柱基材侧，还有焊缝上的HAZ（热影响区）。由于此差异，3号试样的塑性变形超过了4号试样，证明了NBFW法的有效性。图5显示了和传统立柱塑性变形对比的结果该试验的结果和相应的试样号一起显示。根据这些结果预期P Column G385 的延性系数被画到图5两条线之间的区域。所有FA级试样，包括非NBFW准备的试样，超过了要求的累积延性系数30，
9、因而具有等于传统立柱的塑性变形能力。 图. 4 试验结果 (扭矩-转角关系) 照片 1 断裂部分 图5. 累计延性系数和总宽-厚比的关系曲线 这些结果证明P Column G385的塑性变形对于实际应用没有问题。2.4 轧制H型钢 “HBL-H385”HBL-H385 系本着实现等于HBL385的材料力学性能的目标采用i Super-OLAC S 工艺生产的轧制H型钢。因为该产品目前正处于开发阶段，详细的介绍将在将来的某个场合介绍。3. 详细试验本章节介绍了为确定385系列应用到高层建筑时的质量优点和问题/任务二进行的设计试验。3.1 目标建筑和设计试验方法设计试验的目标是122米高、25层高
10、层建筑，如图6所示。设计是方形的，建筑配有抗震阻尼器（ seismic dampers）。 使用了三个立柱截面型钢，一个箱型型钢（以后成为BOX，箱子）, H型钢和圆形型钢 (CFT)。表6 显示了原始设计中使用的最大构件截面。箱型型钢截面是-60080 (TMC325), H型钢截面是H-6125207080 (TMC325), 管截面是 -120050 (TMC325)。作为设计试验的方法，现有构件用根据强度差用不同的型钢替换，更换后的建筑特性得到证明。构件替换针对总共4中情况进行了研究：第一种情况，横梁被替换；第二种情况，立柱被替换；第三种情况，横梁和立柱都被替换；第四种情况，只有下十层
11、的横梁和立柱被替换。在进行这些替代中，如表6所示，是有厚度根据强度比改变了，深度和宽度保持不变。标准钢板厚度用过钢板厚度。当更换横梁时，只考虑了凸缘。表 6 最大构件截面 图6.试图设计的建筑3.2 设计试验的结果设计试验后的钢材数量示于表7.在情况1时，钢材的总重量和原始设计相比减少了4.3%。在其它情况时重量的减少量是：情况2，2.6%;情况3，6.9%；情况4，4.3%。根据构件类型，替换立柱使原始设计降低了6%重量，更换所有楼层的横梁使原始设计降低了10%的重量， 替换10楼以下横梁使原始重量降低4%。表 7 试图设计的钢材数量表 8 显示了每种情况下建筑的主要固有周期（ primar
12、y natural period ）。和原始设计比较，固有周期在替换横梁的情况1和3时增加，但是在只替换立柱的情况2时基本没有变化。下10层替换立柱和横梁的情况4显示了以上结果之间的中间值。图7显示了在第一阶段设计和第二阶段设计中的楼层偏离，假定原始设计的值是100%。应该注意到，在第二阶段设计追踪假设了非常罕见的地震。在替换横梁的情况1和3中，上部楼层刚度的降低非常明显，并且在第二阶段设计中，中上楼层的偏离相对原始设计增加了20%，并且变得不可能达到设计标准。在替换立柱的情况2，这种变化完全可能。同样在下10层替换横梁和立柱的情况4时标准也能够达到。表8 设计的主要固有周期 图7.楼层偏移图
13、 8 减震阻尼装置的分摊比 接下来，图8显示了第一阶段设计和第二阶段设计减震阻尼装置的分摊比对比。在楼层偏离标准变得严格的中高楼层，减震阻尼装置的分摊比在替换横梁的结构（即情况1和3）上大大降低。而且在情况1和3时，即使减震阻尼能力被提高以保证设计标准，也很难减少由于框架本身刚度减低所导致的变形。因此从在本建筑情况下，在所有楼层替换横梁会大大降低刚度，进而难以保证设计标准。在替换立柱的情况2时，保准可以充分得到保证，实际应用中没有问题。在情况4时下10层替换横梁具有同样的效果。基于本次研究的结果，可以通过用HBL385替代490 N/mm2 立柱降低钢材重量，从设计标准的观点方面是没有问题的。
14、当替换仅限于低楼层时，也完全可以将HBL395用到横梁上。尽管本次研究工作中的设计试验对490 N/mm2 钢做了改变，但是如果设计从一开始就准备使用HBL385钢，就可能进一步地夸大使用范围。4. 结论JFE钢厂研发了385系列作为用于建筑框架的拥有优异焊接性能的550 N/mm2 级高强钢。主要用于建筑框架的构建型材的商业化已经通过钢板、圆形钢管和方形钢管完成，并且已经证明了其作为建筑框架用产品的性能。设计试验表明通过应用385系列钢材有可能降低建筑中使用钢材的重量。基于这个结果，385系列钢材，作为JFE钢厂的唯一产品，能够应对多样化的建筑设计需求。目前，轧制H型钢的研发也在进行中，并将形成系列，使得有可能供应完整的建筑框架产品参考文献1) Hayashi, K.; Fujisawa, S.; Nakagawa, I. JFE Steel Technical Report. no. 5, 2004, p. 45.2) The Building Center of Japan. Manual for the Design and Fabrication of Cold-Formed Square Tubes. 2003.