1.4　现代社会的绿色建筑——抗震耐火钢结构

1.4.1　建筑钢结构及其发展

（1）建筑用钢与建筑钢结构的含义

建筑用钢是指用于工程建设的各种钢材。现代建筑工程中大量使用的钢材主要有两大类：一类是钢筋混凝土用钢材，与混凝土共同构成受力构件；另一类则为钢结构用钢材，充分利用其轻质高强的优点，用于建造大跨度、大空间或超高层建筑。

建筑钢结构是以钢材制作为主的建筑结构，它是指用钢板、钢管、型钢（包括钢丝、钢绳、钢绞线、钢棒）等，通过焊接、螺栓、铆钉、粘接等连接方式组成房屋、桥梁等结构。其具有自重轻、强度高、整体刚性好、变形能力强、施工快、空间大、品质均匀的特点，能承受冲击振动荷载，拆除后应用残值高，广泛应用于大跨度结构、多层及高层建筑、受动力荷载结构、重型工业厂房结构、大跨度空间结构（如图1-12、图1-13所示）、轻钢结构之中。它不仅能够进一步提高建筑结构的安全性与抗震性，而且可以创造更大的建筑使用空间，同时能够实现钢材的循环利用，降低能耗和不可再生资源消耗量以及碳排放量，符合我国可持续发展战略以及节能环保型社会创建的理念，属于绿色环保建筑体系，是现代建筑工程中最重要的结构类型之一。

（2）建筑钢结构的发展

钢结构建筑自20世纪50年代从欧洲兴起以来，因具有结构轻、土地利用率高、空间大、可工业化生产、工期短、环保节能和循环回收等优点，已成为高层建筑的发展趋势。在日本，高度超过200m的高层建筑全部采用钢结构，美国和西欧新建的高层建筑也以钢结构为主。钢结构尤其是在高层、超高层、大跨度空间等领域更显示出其强大的生命力。但钢结构也存在一个较大的缺陷即防火防腐蚀性能较差，钢材虽为非燃烧材料，但钢并不耐火。其主要原因是：在火灾高温作用下，钢材内部晶格结构发生变化，强度、弹性模量等基本力学性能随温度升高降低明显，而钢材的热导率大，截面上温度均匀分布，火更容易损伤内部材料，使其出现高温软化问题。当普通建筑用钢温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温强度的一半；当温度达600℃时，钢材基本丧失强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，裸露的普通钢结构在火灾中15～20min即会发生倒塌破坏。特别是“9·11”事件后，钢结构的耐火性能已被各国政府及设计部门高度重视，其防火设计也成为各国保证建筑安全的必要措施。为了提高采用普通建筑用钢建造的建筑物抵抗火灾的能力，一般要求建筑物在发生火灾时（短时高温达1000℃）必须能承受3h以上的耐火时间，为此需要喷涂很厚的防火涂料隔热或覆盖防火板等措施。

耐火钢的概念是20世纪80年代末由日本提出的，日本研究者通过在钢中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素开发出了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢，该钢在600℃的高温屈服强度保持在室温值的2/3以上。欧洲的Creusot-Loire钢厂完成了能经受住900～1000℃火灾温度的含Mo耐火钢的研究，但由于成本过高而未能推广应用。由于耐火钢室温性能符合建筑用钢的要求，同时600℃时屈服强度不低于室温屈服强度的2/3，因此，使用耐火钢可明显减薄或省去耐火涂层或防火板，并能保证钢材在高温下保持较高的强度水平，还可缩短建造周期，减轻建筑物质量，增加建筑的安全性，降低建造成本，增加使用空间，在环保、维护方便等方面，都具有显著的经济效益和社会效益。

我国钢结构的应用虽与国外有很大差距但也有了很大的发展，不论在数量或质量上都远远超过了过去。在设计、制造和安装等技术方面都达到较高水平。掌握了各种复杂建筑物的设计和施工技术，在全国各地已建造了许多规模巨大而且结构复杂的钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁等，如我国的人民大会堂钢屋架、北京和上海等地的体育馆的钢结构、陕西秦始皇兵马俑陈列馆的三角钢拱架等。图1-12所示的国家体育场“鸟巢”，是国内外体育场馆建设中用钢量最多、规模最大、施工难度特别大的工程之一，尤其是巢结构受力最大的柱脚部位，母材的质量、焊接质量的高低直接影响到整个工程的安全性。为了能有效支撑整体结构，设计中采用了高强度的Q460钢材。但此种钢材此前一直依靠国外进口，是我国舞阳特钢厂的工程技术人员经过努力，最终用国产的Q460撑起了“鸟巢”的铁骨钢筋。在国家标准中Q460系列的钢最大厚度仅100mm，但“鸟巢”使用的钢板厚度史无前例地达到110mm。如不用Q460这种高强度、高性能的钢，而采用别的钢，可能会更浪费，甚至可能会引起其他方面的问题。作为世界上最大的钢结构工程，“鸟巢”外部钢结构的钢材用量为4.2万吨，整个工程包括混凝土中的钢材、螺纹钢等，总用钢量达到了11万吨，全部为国产钢。

钢结构的发展对建筑用钢也提出了新的要求。喷涂耐火材料使建筑物成本成倍增加、延长工期、减少室内有效使用面积，喷涂作业还污染环境。因此，现代建筑发展趋势之一就是要求减少防火涂层，开发新型建筑用耐火钢的要求由此产生。耐火钢正是为满足现代建筑发展的要求开发的具有功能性的新型建筑结构用钢。

（3）建筑结构用钢的开发与应用现状

由于钢结构符合发展省地节能建筑和低碳经济可持续发展的要求，在高层建筑、大跨度空间结构、交通能源工程、住宅建筑中更能发挥其自身优势。目前，美国、日本等国钢结构用钢量已超过钢材消费量的35％，钢结构建筑面积已超过建筑总面积的40％以上；而一般国家钢结构用钢量的比例也达到了10％左右。

①在品种规格上　型钢、中厚板、彩色涂层板等产品已成为发达国家钢结构建筑用钢的主体材料。具有良好焊接性能的建筑用特厚钢板和特厚H型钢也已研制成功，钢板最厚达150mm，H型钢翼缘最厚达125mm。

②在强度级别上　随着建筑结构的超高层、超大跨度和超重载发展，欧美等国钢结构建筑广泛采用高强度钢材，如德国柏林Sony Center（460MPa和690MPa）、澳大利亚悉尼的Star City（650MPa和690MPa）、日本横滨的Landmark Tower（600MPa）等；瑞典的军用快速安装桥则采用了最高达1100MPa的钢材，大大减轻了结构自重。目前，低合金高强度钢约占发达国家钢产量的15％以上。

③在功能性上　由于钢结构建筑存在钢的腐蚀和火灾时钢的软化等缺陷，发达国家先后开发出了耐候、耐火等建筑用钢；同时，为满足高安全服役性能要求，还先后开发出了抗震、减震等建筑用钢。

我国是地震多发的国家，保护人民生命财产安全不仅是党和政府的责任，也是设计、生产、建筑部门的庄严使命。因此，生产、开发抗震建筑钢结构必须达到具有低屈强比的要求。在防止火灾方面，要求建筑钢结构具有一定的抵抗火灾能力，至少在火灾发生后2～3h内钢结构不软化坍塌，即在600℃下屈服强度大于常温下强度的2/3。目前，马钢、莱钢的耐火钢相继开发成功，应用于渤海、黄海、东海的石油钻井平台以及上海浦东裕安大厦、南京长江隧道等重点工程。

（4）积极发展高性能建筑钢结构是社会发展的必需

发展高性能建筑钢结构不仅是钢铁企业自身发展的需要，也是改变目前我国建筑用材普遍资源浪费大、品种少、技术含量低、附加值低、标准要求低的现实需要。这是因为钢的强度级别每提高100MPa，可少用钢材10％～20％。按高性能建筑钢节材15％计算，国内建筑业可减少用钢量1000余万吨，其中，钢结构用钢节约150万吨。从理论上分析，335MPa级钢升级为460MPa可节材27％以上，400MPa升级为460MPa级钢可节材13％。更重要的是在实现强度等级的同时，不需要消耗大量微合金化元素的资源，有利于科学发展。

推广应用高性能建筑钢结构可提高建筑物安全性，延长使用寿命，同时改善环境。钢结构建筑具有自重轻、强度高、空间利用率高、施工周期短、抗风抗震、可工厂化生产、施工建设与使用过程环境污染少、可回收循环使用等特点，提高了环境保护和资源综合利用水平，节能降耗，符合可持续发展和循环经济理念。与混凝土建筑相比，钢结构建筑更有利于生态环境保护，被称为现代社会的绿色建筑。像北京鸟巢体育场、五棵松体育馆、国家大剧院、首都机场3号航站楼、浦东机场、上海卢浦大桥等雄伟工程就是杰出代表。

1.4.2　抗震耐火钢的性能要求

建筑材料是建筑业的基础和先导，钢结构的发展大力推进了建筑用钢的发展和使用。与此同时，钢结构的发展也对建筑用钢提出了新的要求。因此，建筑用钢的发展趋势主要表现在对钢材性能有更高的要求。具体技术要求是：在降低成本上，要求结构材料继续提高强度，从而减薄结构钢厚度，减轻结构重量，降低材料运输、结构制作、连接安装和整体工程成本。在提高安全可靠性上，要求材料具有低抗脆性断裂能力的高冲击韧性，对于高强度钢板这种韧性和延展性要求更高，必须与可以接受的缺陷尺寸相平衡。在焊接连接方式上，要求材料具有足够的碳当量和裂纹敏感性及可焊性。

将耐火钢的耐火温度定在600℃。建筑抗震耐火钢的具体技术要求如下。

①良好的高温强度　Rp0.2（600℃）≥2/3Rp0.2（室温）。耐火钢要求具有良好的高温性能，因为主要作为常温下的承载材料，所以只要求在遇到火灾的较短时间内的（通常为1～3h）高温条件下能够保持较高的屈服强度。常温下钢材屈服强度的2/3相当于该材料的长期允许应力值。当发生火灾时，如果耐火钢的屈服点仍然能保持此值以上，建筑物就不会倒塌。因此，要求耐火钢在一定高温下其屈服强度不低于室温屈服强度的2/3。

②满足普通建筑用钢的标准要求　其室温力学性能等同或优于普通建筑用钢。

③高的抗震性能与窄的屈服强度波动范围　其室温屈服强度比（Rp0.2/Rm）应≤80％，降低屈服强度波动范围。这是因为屈强比的大小反映钢材塑性变形时抵抗应力集中的能力。研究发现，屈强比越低，钢材的均匀伸长率即钢材断裂前产生稳定塑性变形的能力越高，钢材越能将塑性变形均匀分布到较广的范围。而作为建筑用结构材料，总是希望尽量提高钢材吸收地震能量的能力，若钢的屈强比较低，有利于地震时吸收能量，故一般要求抗震耐火钢的屈强比不大于80％。另外控制建筑用钢的屈服强度波动范围也非常重要，当屈服强度波动较小时，钢结构是一种整体破坏机制，其整体的塑性变形能力很高，抗震性能优良。因此，对抗震设计来说，要求采用窄屈服区间的钢材也是很必要的。

④良好焊接性　优于普通建筑用钢。

随着建筑结构的高层化和大跨距的发展，在高层建筑物和大跨距框架中，支柱上易产生高应力状态，若建筑中使用490MPa钢，则钢板厚度过大，可达到100mm，这样在加工和焊接施工中都易产生质量问题。根据这种需要，建筑用钢的强度必须达到590MPa和780MPa，而且性能要满足建筑用钢的要求。建筑结构使用高强度钢可减轻结构重量，降低建造成本，减少钢板的厚度，提高结构的可靠性。

1.4.3　抗震耐火钢中的合金元素作用

（1）抗震耐火钢的合金化

抗震耐火钢的关键性能要求是高温强度。耐火钢的高温氧化机理通常包括两个方面，即固溶强化作用和第二相的析出强化作用。研究表明，Mo、Cr是提高钢的高温强度最有效的合金元素，Nb、V、Ti与Mo复合添加具有更好的高温强化效果。钢中的Mo、Cr固溶于铁素体中，强化了铁素体基体，可显著提高钢的高温强度。但钢中添加大量的这类合金元素，将大幅度增加生产成本，这对使用量大、使用面广的结构材料来说是不行的。另外，Mo、Cr等合金元素增加钢的淬透性，提高碳当量则对焊接性不利。因此，抗震耐火钢中这类合金元素含量远低于耐热钢。

抗震耐火钢的另一个主要强化方式是碳化物的析出强化作用。在耐火钢中，析出相提高高温强度的一个首要条件就是这些析出相必须具有良好的高温稳定性。相对而言，微合金元素Nb、V、Ti析出物具有良好的高温稳定性，对提高高温强度会产生有益的影响。大量研究表明，微合金元素Nb、V、Ti在铁素体基体中析出，可显著提高钢的高温强度。

（2）合金元素对高温性能的影响

①C的影响　C和N是强烈的间隙固溶强化元素。研究表明，随温度的提高，C和N在钢中的溶解度增加，提高钢的高温强度。但碳含量的增加会对焊接性产生不利影响，因此建筑用钢的碳含量应控制在0.2％以下。目前，耐火钢合金元素设计总的趋势是降低碳含量，最高含量为0.11％。

②微合金元素　Nb是抗震耐火钢中的主要添加元素，其为强碳化物形成元素，在钢中形成细小的NbC第二相，具有很高的组织稳定性。其主要作用是细化奥氏体晶粒尺寸，还可起到一定的沉淀强化作用。当Nb与Mo复合添加时，NbC质点更细小，不易聚集长大，具有更高的组织稳定性，由其造成的沉淀强化使钢保持较高的高温强度和蠕变强度。

V、Ti微合金化元素的作用与Nb相似。同Nb相比，V在奥氏体中的固溶度更高，一般在相变后铁素体析出，起沉淀强化作用。Ti则主要起细化奥氏体晶粒的作用。而Nb、V、Ti等元素的复合添加，一般形成混合混合型的MC析出相。这种混合析出相具有更高的稳定性，在高温下不易聚集长大，其尺寸更加细小，弥散程度更高，对提高钢的高温强度有利。

③Mo的影响　Mo是提高钢的高温强度最有效的元素，目前已有的抗震耐火钢中均以Mo作为高温强化元素。

Mo固溶于铁素体中，强化铁素体基体。高温下Mo在铁素体中的扩散速度较慢，显著提高了钢的高温强度与蠕变强度。此外，固溶的Mo易在晶界处偏聚，起强化晶界的作用。Mo的这种固溶强化作用是提高耐火钢高温强度的第一个原因。

Mo对相变过程产生显著影响，从而改变钢中微观组织结构是提高钢的高温强度的第二个原因。Mo增加了过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体向铁素体转变曲线右移，相变后能得到更加细小的铁素体组织。其次，随着Mo含量的增加，钢中贝氏体体积分数增加，细小的多边形铁素体和高位错密度的贝氏体组织能使耐火钢获得良好的高温性能。

Mo在钢中析出形成碳化物是提高高温强度的第三个原因。Mo与C结合形成多种形式的碳化物，包括MoC、Mo2C、Mo23C6及Mo6C等。MC型碳化物细小弥散的分布在基体中，提高钢的强度。此外，在Mo含量较高的耐火钢中，Mo2C的二次硬化作用也是提高含Mo高温强度的一个重要原因。在550～650℃温度范围内，Mo2C大量析出形成二次硬化峰，从而提高钢的高温强度。

Mo与微合金元素复合添加时，高温强度的增加超过了单纯添加的总和。例如，0.5％Mo就0.02％Nb同时加入钢中，使600℃高温屈服强度增加101MPa，而单独加入0.5％ Mo或0.02％ Nb使钢600℃屈服强度分别提高74MPa和20MPa。这是由于Mo和Nb复合添加时，MC第二相显著细化且单位体积内数目增加。

④Cr的影响　在耐热钢中，Cr是一个主要添加元素。由于Cr可有效提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能。但Cr对耐火钢性能影响比较复杂，特别是与Mo、V等元素共同加入时，这种影响更为复杂。Cr在铁素体中的扩散系数较高，易与C结合形成碳化物。例如Cr7C3碳化物最低在500℃左右就析出，但稳定性较差，容易聚集长大。Cr的另一个不利作用是降低Mo2C的组织稳定性，并使二次硬化温度降低。在耐火钢中广泛采用了Cr，一方面是用于提高高温强度和蠕变强度；另一方面用途是提高钢的耐候性。

1.4.4　典型的抗震耐火钢及其应用

近年来，随着材料科学的进步与冶金制造工艺的发展，钢结构用钢品种不断向高强度、新型高性能钢材趋势发展。

（1）高强度结构钢（以下简称“高强钢”）

高强钢是指采用微合金化和TMCP技术生产出的具有高强度（强度等级≥460MPa）、良好延性、韧性以及加工性能的结构钢材。屈服强度高于690MPa的钢材称为超高强钢。高强钢不仅可以降低结构自重，而且能够降低成本。相关资料表明，高强钢代替普通强度钢材，可节省钢材30％左右。钢材单位质量随屈服强度增大而升高，因此高强钢单位强度成本要低于普通强度钢材。我国典型钢材的牌号有Q460、Q500、Q550、Q690等。目前，国内尚无适用于460MPa及以上屈服强度等级钢材钢结构的设计规范，Q460钢具有良好的塑性、韧性及耗能能力，但规范的限值规定限制了更高强度结构钢材的应用。

我国在国家体育场（鸟巢）的钢结构工程中的关键部位应用了700tQ460等级的钢材，从而满足了设计要求，取得了很好的效果。国家游泳中心（水立方）工程应用了2600t Q420钢，是国内单体工程中应用较多的工程。深圳会展中心的钢架梁下弦杆采用了国产LG460MPa高强钢拉杆（材质为35CrMo热处理调质合金钢），直径为150mm，是国内钢结构工程应用的最大直径高强钢拉杆。这些工程中采用的高强度结构钢全部是由国内的钢厂生产和供货的，并在钢材选用过程中组织了多次专家论证会。通过高强度结构钢在实际工程中的应用，证明了我国生产的高强度结构钢的质量完全满足相关技术要求，并且能够满足建筑用钢的要求。

（2）新型高性能钢材

新型高性能钢是指通过减少碳、硫等元素含量以改善钢材的可焊性，同时通过TMCP技术与添加合金元素等手段，提高钢材的强度、断裂韧性与冷弯性能，具有良好的抗疲劳性能。新型高性能钢材近10年来在国外工程建设中逐渐得到应用，如日本的桥梁采用高性能钢BHS500W与BHS700W等，美国的建筑结构用高性能钢A992与桥梁用高性能钢A709等。

随着国民经济的不断发展，建筑用钢的用量将会不断地增加。耐火钢因其综合性能优良，故近期在我国面临着良好的发展机遇，在钢结构应用领域中的应用将越来越广泛。同时，低成本合金化设计、力学性能指标系列化及兼顾防腐、抗震性能的耐火钢将成为近期的发展趋势。