1.4　現代社會的綠色建筑——抗震耐火鋼結構

1.4.1　建筑鋼結構及其發展

（1）建筑用鋼與建筑鋼結構的含義

建筑用鋼是指用于工程建設的各種鋼材。現代建筑工程中大量使用的鋼材主要有兩大類：一類是鋼筋混凝土用鋼材，與混凝土共同構成受力構件；另一類則為鋼結構用鋼材，充分利用其輕質高強的優點，用于建造大跨度、大空間或超高層建筑。

建筑鋼結構是以鋼材制作為主的建筑結構，它是指用鋼板、鋼管、型鋼（包括鋼絲、鋼繩、鋼絞線、鋼棒）等，通過焊接、螺栓、鉚釘、粘接等連接方式組成房屋、橋梁等結構。其具有自重輕、強度高、整體剛性好、變形能力強、施工快、空間大、品質均勻的特點，能承受沖擊振動荷載，拆除后應用殘值高，廣泛應用于大跨度結構、多層及高層建筑、受動力荷載結構、重型工業廠房結構、大跨度空間結構（如圖1-12、圖1-13所示）、輕鋼結構之中。它不僅能夠進一步提高建筑結構的安全性與抗震性，而且可以創造更大的建筑使用空間，同時能夠實現鋼材的循環利用，降低能耗和不可再生資源消耗量以及碳排放量，符合我國可持續發展戰略以及節能環保型社會創建的理念，屬于綠色環保建筑體系，是現代建筑工程中最重要的結構類型之一。

（2）建筑鋼結構的發展

鋼結構建筑自20世紀50年代從歐洲興起以來，因具有結構輕、土地利用率高、空間大、可工業化生產、工期短、環保節能和循環回收等優點，已成為高層建筑的發展趨勢。在日本，高度超過200m的高層建筑全部采用鋼結構，美國和西歐新建的高層建筑也以鋼結構為主。鋼結構尤其是在高層、超高層、大跨度空間等領域更顯示出其強大的生命力。但鋼結構也存在一個較大的缺陷即防火防腐蝕性能較差，鋼材雖為非燃燒材料，但鋼并不耐火。其主要原因是：在火災高溫作用下，鋼材內部晶格結構發生變化，強度、彈性模量等基本力學性能隨溫度升高降低明顯，而鋼材的熱導率大，截面上溫度均勻分布，火更容易損傷內部材料，使其出現高溫軟化問題。當普通建筑用鋼溫度為400℃時，鋼材的屈服強度將降至室溫強度的一半；當溫度達600℃時，鋼材基本喪失強度和剛度。因此，當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時，裸露的普通鋼結構在火災中15～20min即會發生倒塌破壞。特別是“9·11”事件后，鋼結構的耐火性能已被各國政府及設計部門高度重視，其防火設計也成為各國保證建筑安全的必要措施。為了提高采用普通建筑用鋼建造的建筑物抵抗火災的能力，一般要求建筑物在發生火災時（短時高溫達1000℃）必須能承受3h以上的耐火時間，為此需要噴涂很厚的防火涂料隔熱或覆蓋防火板等措施。

耐火鋼的概念是20世紀80年代末由日本提出的，日本研究者通過在鋼中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素開發出了耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼，該鋼在600℃的高溫屈服強度保持在室溫值的2/3以上。歐洲的Creusot-Loire鋼廠完成了能經受住900～1000℃火災溫度的含Mo耐火鋼的研究，但由于成本過高而未能推廣應用。由于耐火鋼室溫性能符合建筑用鋼的要求，同時600℃時屈服強度不低于室溫屈服強度的2/3，因此，使用耐火鋼可明顯減薄或省去耐火涂層或防火板，并能保證鋼材在高溫下保持較高的強度水平，還可縮短建造周期，減輕建筑物質量，增加建筑的安全性，降低建造成本，增加使用空間，在環保、維護方便等方面，都具有顯著的經濟效益和社會效益。

我國鋼結構的應用雖與國外有很大差距但也有了很大的發展，不論在數量或質量上都遠遠超過了過去。在設計、制造和安裝等技術方面都達到較高水平。掌握了各種復雜建筑物的設計和施工技術，在全國各地已建造了許多規模巨大而且結構復雜的鋼結構廠房、大跨度鋼結構民用建筑及鐵路橋梁等，如我國的人民大會堂鋼屋架、北京和上海等地的體育館的鋼結構、陜西秦始皇兵馬俑陳列館的三角鋼拱架等。圖1-12所示的國家體育場“鳥巢”，是國內外體育場館建設中用鋼量最多、規模最大、施工難度特別大的工程之一，尤其是巢結構受力最大的柱腳部位，母材的質量、焊接質量的高低直接影響到整個工程的安全性。為了能有效支撐整體結構，設計中采用了高強度的Q460鋼材。但此種鋼材此前一直依靠國外進口，是我國舞陽特鋼廠的工程技術人員經過努力，最終用國產的Q460撐起了“鳥巢”的鐵骨鋼筋。在國家標準中Q460系列的鋼最大厚度僅100mm，但“鳥巢”使用的鋼板厚度史無前例地達到110mm。如不用Q460這種高強度、高性能的鋼，而采用別的鋼，可能會更浪費，甚至可能會引起其他方面的問題。作為世界上最大的鋼結構工程，“鳥巢”外部鋼結構的鋼材用量為4.2萬噸，整個工程包括混凝土中的鋼材、螺紋鋼等，總用鋼量達到了11萬噸，全部為國產鋼。

鋼結構的發展對建筑用鋼也提出了新的要求。噴涂耐火材料使建筑物成本成倍增加、延長工期、減少室內有效使用面積，噴涂作業還污染環境。因此，現代建筑發展趨勢之一就是要求減少防火涂層，開發新型建筑用耐火鋼的要求由此產生。耐火鋼正是為滿足現代建筑發展的要求開發的具有功能性的新型建筑結構用鋼。

（3）建筑結構用鋼的開發與應用現狀

由于鋼結構符合發展省地節能建筑和低碳經濟可持續發展的要求，在高層建筑、大跨度空間結構、交通能源工程、住宅建筑中更能發揮其自身優勢。目前，美國、日本等國鋼結構用鋼量已超過鋼材消費量的35％，鋼結構建筑面積已超過建筑總面積的40％以上；而一般國家鋼結構用鋼量的比例也達到了10％左右。

①在品種規格上　型鋼、中厚板、彩色涂層板等產品已成為發達國家鋼結構建筑用鋼的主體材料。具有良好焊接性能的建筑用特厚鋼板和特厚H型鋼也已研制成功，鋼板最厚達150mm，H型鋼翼緣最厚達125mm。

②在強度級別上　隨著建筑結構的超高層、超大跨度和超重載發展，歐美等國鋼結構建筑廣泛采用高強度鋼材，如德國柏林Sony Center（460MPa和690MPa）、澳大利亞悉尼的Star City（650MPa和690MPa）、日本橫濱的Landmark Tower（600MPa）等；瑞典的軍用快速安裝橋則采用了最高達1100MPa的鋼材，大大減輕了結構自重。目前，低合金高強度鋼約占發達國家鋼產量的15％以上。

③在功能性上　由于鋼結構建筑存在鋼的腐蝕和火災時鋼的軟化等缺陷，發達國家先后開發出了耐候、耐火等建筑用鋼；同時，為滿足高安全服役性能要求，還先后開發出了抗震、減震等建筑用鋼。

我國是地震多發的國家，保護人民生命財產安全不僅是黨和政府的責任，也是設計、生產、建筑部門的莊嚴使命。因此，生產、開發抗震建筑鋼結構必須達到具有低屈強比的要求。在防止火災方面，要求建筑鋼結構具有一定的抵抗火災能力，至少在火災發生后2～3h內鋼結構不軟化坍塌，即在600℃下屈服強度大于常溫下強度的2/3。目前，馬鋼、萊鋼的耐火鋼相繼開發成功，應用于渤海、黃海、東海的石油鉆井平臺以及上海浦東裕安大廈、南京長江隧道等重點工程。

（4）積極發展高性能建筑鋼結構是社會發展的必需

發展高性能建筑鋼結構不僅是鋼鐵企業自身發展的需要，也是改變目前我國建筑用材普遍資源浪費大、品種少、技術含量低、附加值低、標準要求低的現實需要。這是因為鋼的強度級別每提高100MPa，可少用鋼材10％～20％。按高性能建筑鋼節材15％計算，國內建筑業可減少用鋼量1000余萬噸，其中，鋼結構用鋼節約150萬噸。從理論上分析，335MPa級鋼升級為460MPa可節材27％以上，400MPa升級為460MPa級鋼可節材13％。更重要的是在實現強度等級的同時，不需要消耗大量微合金化元素的資源，有利于科學發展。

推廣應用高性能建筑鋼結構可提高建筑物安全性，延長使用壽命，同時改善環境。鋼結構建筑具有自重輕、強度高、空間利用率高、施工周期短、抗風抗震、可工廠化生產、施工建設與使用過程環境污染少、可回收循環使用等特點，提高了環境保護和資源綜合利用水平，節能降耗，符合可持續發展和循環經濟理念。與混凝土建筑相比，鋼結構建筑更有利于生態環境保護，被稱為現代社會的綠色建筑。像北京鳥巢體育場、五棵松體育館、國家大劇院、首都機場3號航站樓、浦東機場、上海盧浦大橋等雄偉工程就是杰出代表。

1.4.2　抗震耐火鋼的性能要求

建筑材料是建筑業的基礎和先導，鋼結構的發展大力推進了建筑用鋼的發展和使用。與此同時，鋼結構的發展也對建筑用鋼提出了新的要求。因此，建筑用鋼的發展趨勢主要表現在對鋼材性能有更高的要求。具體技術要求是：在降低成本上，要求結構材料繼續提高強度，從而減薄結構鋼厚度，減輕結構重量，降低材料運輸、結構制作、連接安裝和整體工程成本。在提高安全可靠性上，要求材料具有低抗脆性斷裂能力的高沖擊韌性，對于高強度鋼板這種韌性和延展性要求更高，必須與可以接受的缺陷尺寸相平衡。在焊接連接方式上，要求材料具有足夠的碳當量和裂紋敏感性及可焊性。

將耐火鋼的耐火溫度定在600℃。建筑抗震耐火鋼的具體技術要求如下。

①良好的高溫強度　Rp0.2（600℃）≥2/3Rp0.2（室溫）。耐火鋼要求具有良好的高溫性能，因為主要作為常溫下的承載材料，所以只要求在遇到火災的較短時間內的（通常為1～3h）高溫條件下能夠保持較高的屈服強度。常溫下鋼材屈服強度的2/3相當于該材料的長期允許應力值。當發生火災時，如果耐火鋼的屈服點仍然能保持此值以上，建筑物就不會倒塌。因此，要求耐火鋼在一定高溫下其屈服強度不低于室溫屈服強度的2/3。

②滿足普通建筑用鋼的標準要求　其室溫力學性能等同或優于普通建筑用鋼。

③高的抗震性能與窄的屈服強度波動范圍　其室溫屈服強度比（Rp0.2/Rm）應≤80％，降低屈服強度波動范圍。這是因為屈強比的大小反映鋼材塑性變形時抵抗應力集中的能力。研究發現，屈強比越低，鋼材的均勻伸長率即鋼材斷裂前產生穩定塑性變形的能力越高，鋼材越能將塑性變形均勻分布到較廣的范圍。而作為建筑用結構材料，總是希望盡量提高鋼材吸收地震能量的能力，若鋼的屈強比較低，有利于地震時吸收能量，故一般要求抗震耐火鋼的屈強比不大于80％。另外控制建筑用鋼的屈服強度波動范圍也非常重要，當屈服強度波動較小時，鋼結構是一種整體破壞機制，其整體的塑性變形能力很高，抗震性能優良。因此，對抗震設計來說，要求采用窄屈服區間的鋼材也是很必要的。

④良好焊接性　優于普通建筑用鋼。

隨著建筑結構的高層化和大跨距的發展，在高層建筑物和大跨距框架中，支柱上易產生高應力狀態，若建筑中使用490MPa鋼，則鋼板厚度過大，可達到100mm，這樣在加工和焊接施工中都易產生質量問題。根據這種需要，建筑用鋼的強度必須達到590MPa和780MPa，而且性能要滿足建筑用鋼的要求。建筑結構使用高強度鋼可減輕結構重量，降低建造成本，減少鋼板的厚度，提高結構的可靠性。

1.4.3　抗震耐火鋼中的合金元素作用

（1）抗震耐火鋼的合金化

抗震耐火鋼的關鍵性能要求是高溫強度。耐火鋼的高溫氧化機理通常包括兩個方面，即固溶強化作用和第二相的析出強化作用。研究表明，Mo、Cr是提高鋼的高溫強度最有效的合金元素，Nb、V、Ti與Mo復合添加具有更好的高溫強化效果。鋼中的Mo、Cr固溶于鐵素體中，強化了鐵素體基體，可顯著提高鋼的高溫強度。但鋼中添加大量的這類合金元素，將大幅度增加生產成本，這對使用量大、使用面廣的結構材料來說是不行的。另外，Mo、Cr等合金元素增加鋼的淬透性，提高碳當量則對焊接性不利。因此，抗震耐火鋼中這類合金元素含量遠低于耐熱鋼。

抗震耐火鋼的另一個主要強化方式是碳化物的析出強化作用。在耐火鋼中，析出相提高高溫強度的一個首要條件就是這些析出相必須具有良好的高溫穩定性。相對而言，微合金元素Nb、V、Ti析出物具有良好的高溫穩定性，對提高高溫強度會產生有益的影響。大量研究表明，微合金元素Nb、V、Ti在鐵素體基體中析出，可顯著提高鋼的高溫強度。

（2）合金元素對高溫性能的影響

①C的影響　C和N是強烈的間隙固溶強化元素。研究表明，隨溫度的提高，C和N在鋼中的溶解度增加，提高鋼的高溫強度。但碳含量的增加會對焊接性產生不利影響，因此建筑用鋼的碳含量應控制在0.2％以下。目前，耐火鋼合金元素設計總的趨勢是降低碳含量，最高含量為0.11％。

②微合金元素　Nb是抗震耐火鋼中的主要添加元素，其為強碳化物形成元素，在鋼中形成細小的NbC第二相，具有很高的組織穩定性。其主要作用是細化奧氏體晶粒尺寸，還可起到一定的沉淀強化作用。當Nb與Mo復合添加時，NbC質點更細小，不易聚集長大，具有更高的組織穩定性，由其造成的沉淀強化使鋼保持較高的高溫強度和蠕變強度。

V、Ti微合金化元素的作用與Nb相似。同Nb相比，V在奧氏體中的固溶度更高，一般在相變后鐵素體析出，起沉淀強化作用。Ti則主要起細化奧氏體晶粒的作用。而Nb、V、Ti等元素的復合添加，一般形成混合混合型的MC析出相。這種混合析出相具有更高的穩定性，在高溫下不易聚集長大，其尺寸更加細小，彌散程度更高，對提高鋼的高溫強度有利。

③Mo的影響　Mo是提高鋼的高溫強度最有效的元素，目前已有的抗震耐火鋼中均以Mo作為高溫強化元素。

Mo固溶于鐵素體中，強化鐵素體基體。高溫下Mo在鐵素體中的擴散速度較慢，顯著提高了鋼的高溫強度與蠕變強度。此外，固溶的Mo易在晶界處偏聚，起強化晶界的作用。Mo的這種固溶強化作用是提高耐火鋼高溫強度的第一個原因。

Mo對相變過程產生顯著影響，從而改變鋼中微觀組織結構是提高鋼的高溫強度的第二個原因。Mo增加了過冷奧氏體的穩定性，使奧氏體向鐵素體轉變曲線右移，相變后能得到更加細小的鐵素體組織。其次，隨著Mo含量的增加，鋼中貝氏體體積分數增加，細小的多邊形鐵素體和高位錯密度的貝氏體組織能使耐火鋼獲得良好的高溫性能。

Mo在鋼中析出形成碳化物是提高高溫強度的第三個原因。Mo與C結合形成多種形式的碳化物，包括MoC、Mo2C、Mo23C6及Mo6C等。MC型碳化物細小彌散的分布在基體中，提高鋼的強度。此外，在Mo含量較高的耐火鋼中，Mo2C的二次硬化作用也是提高含Mo高溫強度的一個重要原因。在550～650℃溫度范圍內，Mo2C大量析出形成二次硬化峰，從而提高鋼的高溫強度。

Mo與微合金元素復合添加時，高溫強度的增加超過了單純添加的總和。例如，0.5％Mo就0.02％Nb同時加入鋼中，使600℃高溫屈服強度增加101MPa，而單獨加入0.5％ Mo或0.02％ Nb使鋼600℃屈服強度分別提高74MPa和20MPa。這是由于Mo和Nb復合添加時，MC第二相顯著細化且單位體積內數目增加。

④Cr的影響　在耐熱鋼中，Cr是一個主要添加元素。由于Cr可有效提高鋼的高溫抗氧化性和抗蠕變性能。但Cr對耐火鋼性能影響比較復雜，特別是與Mo、V等元素共同加入時，這種影響更為復雜。Cr在鐵素體中的擴散系數較高，易與C結合形成碳化物。例如Cr7C3碳化物最低在500℃左右就析出，但穩定性較差，容易聚集長大。Cr的另一個不利作用是降低Mo2C的組織穩定性，并使二次硬化溫度降低。在耐火鋼中廣泛采用了Cr，一方面是用于提高高溫強度和蠕變強度；另一方面用途是提高鋼的耐候性。

1.4.4　典型的抗震耐火鋼及其應用

近年來，隨著材料科學的進步與冶金制造工藝的發展，鋼結構用鋼品種不斷向高強度、新型高性能鋼材趨勢發展。

（1）高強度結構鋼（以下簡稱“高強鋼”）

高強鋼是指采用微合金化和TMCP技術生產出的具有高強度（強度等級≥460MPa）、良好延性、韌性以及加工性能的結構鋼材。屈服強度高于690MPa的鋼材稱為超高強鋼。高強鋼不僅可以降低結構自重，而且能夠降低成本。相關資料表明，高強鋼代替普通強度鋼材，可節省鋼材30％左右。鋼材單位質量隨屈服強度增大而升高，因此高強鋼單位強度成本要低于普通強度鋼材。我國典型鋼材的牌號有Q460、Q500、Q550、Q690等。目前，國內尚無適用于460MPa及以上屈服強度等級鋼材鋼結構的設計規范，Q460鋼具有良好的塑性、韌性及耗能能力，但規范的限值規定限制了更高強度結構鋼材的應用。

我國在國家體育場（鳥巢）的鋼結構工程中的關鍵部位應用了700tQ460等級的鋼材，從而滿足了設計要求，取得了很好的效果。國家游泳中心（水立方）工程應用了2600t Q420鋼，是國內單體工程中應用較多的工程。深圳會展中心的鋼架梁下弦桿采用了國產LG460MPa高強鋼拉桿（材質為35CrMo熱處理調質合金鋼），直徑為150mm，是國內鋼結構工程應用的最大直徑高強鋼拉桿。這些工程中采用的高強度結構鋼全部是由國內的鋼廠生產和供貨的，并在鋼材選用過程中組織了多次專家論證會。通過高強度結構鋼在實際工程中的應用，證明了我國生產的高強度結構鋼的質量完全滿足相關技術要求，并且能夠滿足建筑用鋼的要求。

（2）新型高性能鋼材

新型高性能鋼是指通過減少碳、硫等元素含量以改善鋼材的可焊性，同時通過TMCP技術與添加合金元素等手段，提高鋼材的強度、斷裂韌性與冷彎性能，具有良好的抗疲勞性能。新型高性能鋼材近10年來在國外工程建設中逐漸得到應用，如日本的橋梁采用高性能鋼BHS500W與BHS700W等，美國的建筑結構用高性能鋼A992與橋梁用高性能鋼A709等。

隨著國民經濟的不斷發展，建筑用鋼的用量將會不斷地增加。耐火鋼因其綜合性能優良，故近期在我國面臨著良好的發展機遇，在鋼結構應用領域中的應用將越來越廣泛。同時，低成本合金化設計、力學性能指標系列化及兼顧防腐、抗震性能的耐火鋼將成為近期的發展趨勢。