“钢结构用钢材要从目前的以‘Q235+Q345’为主，过渡到以‘Q345+Q390’为主，就是要提高钢材强度，这是钢结构行业发展的趋势，也是高强度、高性能钢结构用钢材研发的重要趋势。”近日，清华大学土木工程系教授石永久在高性能钢材与结构技术交流专题论坛上阐述了今后结构钢研发的方向。

把握结构钢发展的三大趋势

中国钢结构协会2015年的调查报告显示，在目前的结构钢应用中，钢板占61%、钢管占14%、热轧型钢占16%、冷弯型钢占5%。该数据说明，目前我国的结构钢仍以焊接结构为主，型钢所占比例较少，其应用潜力巨大。该调查报告还显示：结构钢的牌号中，Q345占62%，Q235占28%，Q390占3%，Q420占3%，Q460及其他占4%。

“Q345和Q235加起来的比例达到90%，剩下10%是强度比较高的和强度比较低的。所以，从目前的应用情况来讲，高强度钢的前景是非常广阔的。”石永久表示。

结构钢的基本性能要求包括：机械性能（屈服强度和抗拉强度高，断裂韧性高），受力性能（强度稳定，波动幅度小），加工性能（高可焊性<洁净钢、碳当量低>），耐久性能（耐腐蚀、耐高温），抗震性能（延性好，减震耗能低）。

基于以上结构钢的基本性能要求，石永久认为，新型结构钢发展的三大趋势是高性能化、高强度化和特厚大型化。其中，高性能化包括高焊接性能、低屈强比、窄屈服点、耐火钢、耐候钢；高强度化是指屈服强度从现在的345MPa上升到460MPa、550MPa、690MPa，甚至到960MPa；特厚大型化可以减少焊接工作量，增强结构稳定性，如特厚钢板、特厚H钢、特厚钢管等。

“高性能的结构钢，要达到一些特定的指标，如高强度、高塑性、高韧性、高可焊性，以及耐候性和耐火性。”石永久进一步解释道，对强度的要求为屈服强度≥460MPa；高塑性方面，目前应用较多的是低屈服点钢，伸长率＞40%；高韧性方面，要求冲击韧性＞50J，断面收缩率＞35%，如Z向钢；高可焊性钢，也称为洁净钢，其碳当量低，小于0.45，对桥梁建设非常重要。

对于耐候钢的标准，目前国际上争议较多，标准并不统一。美国ASTM G101提出的钢材抗腐蚀指数（I）与化学成分有关，耐候钢的抗腐蚀指数应在6.0或以上。而日本JIS G3140提出了另一个耐候指数（V），该指数适用于%Ni≤5的范围，其耐候钢的耐候指数应在1.0或以上。目前，国际上对耐候钢达成的共识是：加入Cu、Cr、Ni，使钢材表面形成密实的氧化膜，阻碍锈蚀向内扩散和发展，以减缓锈蚀速度。加入Cu、Cr、Ni后所形成的耐候钢，其抗大气腐蚀能力可比普通钢提高2~8倍，可减少或不用防锈保护，提高结构耐久性。

“目前，我国对耐候钢标准的判定，参考的是美国的指标，即抗腐蚀指数（I）应在6.0或以上，而Ni含量比较高的钢材采用日本的耐候指数（V）。”石永久表示。

耐火钢是在钢材中添加适量Cr、Mo和Nb等合金元素，可以提高钢材的高温强度。当温度达到600℃时，屈服强度不低于室温屈服强度的2/3，室温力学性能等同或优于普通建筑钢材，并具有良好的焊接性。

“此外，从结构钢的利用率来讲，发展高性能型钢也十分重要，其主要指标是：高承载力截面，如大尺寸热轧型钢、高强热轧型钢；高效截面，如圆管、方管、矩形管；轻型截面，如冷弯型钢等。”石永久补充道。

高强度钢材是未来发展方向

目前，欧洲钢结构设计标准Eurocode 3已经对S460~S690级结构钢应用做出了初步设计规定。美国建筑采用450MPa级结构钢，且AASTHO指南规定了485MPa和690MPa级高性能结构钢在桥梁中的应用。同时，日本、澳大利亚、德国在建筑中应用了690MPa级结构钢。

石永久表示：“这些都表明，在建筑方面，发达国家开始逐步使用690MPa级钢材，高强度钢材必将是未来建筑钢材的发展趋势。”

我国国家标准中，对低合金高强度结构钢（GB/T1591-2008）屈服强度的规定为Q460~Q690，伸长率≥14%，碳当量≤0.49~0.55。对桥梁结构用钢（GB/T714-2008）屈服强度的规定为Q460~Q690，伸长率≥14%，碳当量≤0.38~0.56。

“在国家标准中，强度等级已经提高到了690MPa级，这从另一方面说明，我国钢铁行业已经具备了生产高强钢的能力，下一步就是如何把这些高强钢应用于建筑、桥梁和其他领域中。这其中还有诸多设计、制作、安装的问题需要去研究和解决。”石永久补充道。

目前的国家标准中，建筑结构用钢板（GB/T19879-2008）为Q235GJ~Q460GJ五个等级，规定了最小、最大屈服强度，屈强比≤0.85，伸长率≥17%，碳当量≤0.49；正在修订的GB/T19879，高强钢为Q690 GJ，屈强比≤0.85，伸长率≥14%。抗震结构用型钢（GB/T28414-2012）为Q235KZ~Q460KZ四个等级，规定了最小、最大屈服强度，屈强比≥1.10，伸长率≥16%，碳当量≤0.49。耐候结构钢（GB/T4171-2008）为Q235NH~Q550NH，共7个等级，力学性能与同级别低合金钢结构相当，耐腐蚀系数为6.0或以上。耐火结构用钢板及钢带（GB/T28415-2012）为Q235FR~Q460FR，600℃塑性延伸强度不低于室温屈服强度的2/3。建筑用低屈服点钢板（GB/T28905-2012）为LY100、LY160、LY225三个等级，伸长率≥40%，用于防屈曲支撑和消能器等。

“在耐候钢的标准中，最高强度为550MPa级。该标准参照了美国的耐候系数标准，要求耐候系数为6.0或以上。耐火钢则要满足600℃塑性延伸强度不低于室温屈服强度的2/3的要求。”石永久补充说。

据了解，美国45%的钢桥采用耐候钢，其抗大气锈蚀指数≥6.0，冲击韧性指标高，达到40J以上，强度无厚度折减。日本15%的钢桥采用耐候钢，强度无厚度折减，其伸长率和冲击韧性指标更高。

“对桥梁用钢来讲，我国在解决钢材强度的厚度折减效应方面，仍与国外有很大的差距，未来我们还要做很多研究工作。”石永久表示。

好钢要用在刀刃上

“虽然高强度、高性能结构钢具有很多优点，但毕竟其成本比普通钢材要高，因此，在使用过程中更要遵循‘好钢用在刀刃上’的原则。使得在强度为控制因素时，高强钢能够发挥用武之地；在有高性能要求的地方，高性能结构钢也可以发挥其作用。”

高强度、高性能结构钢的应用范围包括：主要由强度控制的构件；大跨度屋盖中的构件，高层框架柱；板厚大于40mm的承重梁和柱；大轴力拉杆；高延性构件，支撑、阻尼器；外露的结构构件、钢桥。低屈服点钢材主要用于抗震、耗能的构件，以及阻尼器、钢材减震墙、防屈曲支撑等。例如，国家体育场、上海国际金融中心使用Q460，深圳湾体育中心、凤凰国际传媒中心使用Q460GJ，武钢技术中心大厦、中国残疾人体育艺术培训基地使用耐火耐候钢等。

2013年左右，我国生产的桥梁耐候钢的性能趋于稳定，开始建设免涂装耐候钢的桥梁。欧洲、澳大利亚、日本的很多工程也在使用460MPa级和660MPa级耐候钢。但这些高强度、高性能的钢材主要应用于负载较大、对强度要求高的工程的关键部位。

同时，采用690MPa级，甚至960MPa级等强度比较高的钢材，可以减少钢管的厚度，降低桥梁本身的自重，从而能够以更小的空间承受桥墩的荷载。从军事角度来讲，在承载力要求更高的工程中，采用960MPa级钢材可以使临时桥梁更轻，搭建也更方便。

目前，我国耐候钢应用于桥梁工程的情况不是很多，而美国已经应用了50多年，有一万多座桥梁中使用了免涂装的耐候钢。对美国50多年间的耐候钢进行对比检测的结果表明：有涂装和无涂装的钢桥，其损伤退化基本一致。

“这表明，耐候钢经受住了时间的考验，能够满足工程的安全性要求。对于我国来讲，耐候钢也具有很大的发展空间。”石永久表示。

石永久认为，为了满足工程建设的要求，采用高强度、高性能结构钢是提高钢结构安全性的有效途径，对抗震、厚板、焊接钢结构应优先采用。在未来，需要批量生产高强度、高性能的结构钢。同时，还要开发结构钢新品种，研发厚板强度折减少的结构钢。此外，石永久还建议更新结构钢技术标准，使屈强比≤0.85，伸长率≥20%。同时，还需要研发与高强度、高性能结构钢相匹配的焊接和螺栓材料、表面处理工艺、焊接工艺和节点构造技术。