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介紹了日本高層建筑最常用的支撐構(gòu)件——高強(qiáng)度大直徑厚壁鋼管的使用概況，JFE公司生產(chǎn)的建筑用大直徑厚壁鋼管的研發(fā)進(jìn)展以及該類鋼管在力學(xué)性能和焊接性等方面的特殊要求。通過調(diào)整鋼板的化學(xué)成分及制造工藝，以減小鋼管基體材料的屈強(qiáng)比；同時還要考慮制管前后鋼板力學(xué)性能的變化，通過調(diào)整制管工藝減少加工硬化，如加熱成型或制管后進(jìn)行熱處理等，以保證所生產(chǎn)的鋼管具有低屈強(qiáng)比和足夠的韌性，滿足高層建筑的使用要求。

    高強(qiáng)度大直徑厚壁鋼管已成為高層建筑不可缺少的支撐構(gòu)件。據(jù)日本JFE公司統(tǒng)計(jì)，高層建筑最常用的鋼管直徑為600～800 mm，壁厚為20～40 mm，廣泛采用UOE工藝。然而，每年都有一些工程的設(shè)計(jì)采用壁厚在40～100 mm之間，直徑接近2 000 mm的大直徑厚壁鋼管。對此，日本JFE公司開發(fā)了一系列抗拉強(qiáng)度在490～780 MPa，屈服強(qiáng)度在385～630MPa的高強(qiáng)度、大直徑厚壁鋼管，工程實(shí)踐表明，這些大直徑厚壁鋼管完全能滿足高層建筑的性能要求。

1  建筑結(jié)構(gòu)用鋼管的性能要求

1.1  力學(xué)性能

    當(dāng)前日本的建筑設(shè)計(jì)廣泛采用彈靼性設(shè)計(jì)理念，其核心思想是通過構(gòu)件的塑性變形及吸收功防止構(gòu)件失效。彈塑性設(shè)計(jì)主要利用鋼材的高塑性變形能力。與彈性設(shè)計(jì)相比，由于彈塑性設(shè)計(jì)可以減少構(gòu)件的截面積，因此更加經(jīng)濟(jì)。這就要求建筑物的主要構(gòu)件要具有規(guī)定的屈強(qiáng)比。另一方面，建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)范正在從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范向性能設(shè)計(jì)規(guī)范轉(zhuǎn)變。因此，現(xiàn)代高層建筑的漫計(jì)不僅采用彈蠼性設(shè)計(jì)，而且還采用彈性設(shè)計(jì)。基于以上兩種設(shè)計(jì)理念，彈塑性設(shè)計(jì)要求鋼管具有低屈強(qiáng)比，而彈性設(shè)計(jì)要求鋼管具有高屈強(qiáng)比。

    由于近年來地震時有發(fā)生，對建筑用鋼管的韌性提出了更高的要求。鋼管與制管之前的鋼板相比，由于發(fā)生了塑性變形，其韌性將會降低，而最理想的情況應(yīng)該是鋼管的韌性值要保持在制管之前鋼板的水平。

1.2焊接性

    由于涉及更高的預(yù)熱溫度及更加嚴(yán)格的層間溫度控制，所以高強(qiáng)鋼的焊接通常較為困難。因此，要求鋼板應(yīng)具有較低的焊接預(yù)熱溫度，使其具有良好的焊接性。JFE公司大直徑厚壁鋼管用鋼板要求有較低的焊接裂紋敏感系數(shù)(Pcm)。

1.3研發(fā)目標(biāo)

    JFE公司提出的大直徑高強(qiáng)度厚壁鋼管目標(biāo)強(qiáng)度分為三個級別，其抗拉強(qiáng)度分別為490~550MPa，570-590 MPa和780 MPa;對于每個強(qiáng)度級別，規(guī)定了不同的屈強(qiáng)比；而對于抗拉強(qiáng)度為780MPa的鋼管，只限于高屈強(qiáng)比設(shè)計(jì)。同時，規(guī)定開發(fā)的鋼板要達(dá)到相同級別建筑用鋼的韌性及Pcm，研發(fā)日標(biāo)的規(guī)定值見表1。

2開發(fā)思路及工藝

2.1  鋼板力學(xué)性能控制

2.1.1  屈強(qiáng)比

    鋼板屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的關(guān)系如圖l所示，通常厚鋼板的屈強(qiáng)比隨強(qiáng)度的增加而增加。一般情況下，抗拉強(qiáng)度為570～610 MPa的鋼板的平均屈強(qiáng)比超過80%，抗拉強(qiáng)度為780 MPa的鋼板的屈強(qiáng)比超過85%。由表1可見，在要求高屈強(qiáng)比設(shè)計(jì)的情況下，傳統(tǒng)的鋼板可以直接使用，但如果要求鋼板具有低的屈強(qiáng)比，就要通過化學(xué)成分及制造工藝來調(diào)整。

    對于強(qiáng)度級別$550 MPa的鋼種，通過優(yōu)化控軋控冷(TMCP)工藝可以實(shí)現(xiàn)鋼板屈強(qiáng)比≤80%的目標(biāo)；對于強(qiáng)度級別更高的590 MPa和780 MPa鋼種，不僅可以通過多級熱處理實(shí)現(xiàn)鋼板屈強(qiáng)比≤85%的目標(biāo)，也可以通過在線熱處理(HOP)工藝使其屈強(qiáng)比達(dá)到要求。控制鋼板屈強(qiáng)比的生產(chǎn)工藝如圖2所示。

2.1.2冷彎成型導(dǎo)致的力學(xué)性能變化

    制管過程中的冷彎成型會導(dǎo)致在鋼管壁厚外側(cè)及內(nèi)側(cè)分別產(chǎn)生拉伸及壓縮塑性應(yīng)變，應(yīng)變大小取決于鋼板厚度與鋼管直徑的比值(t/D)。由于應(yīng)變會導(dǎo)致鋼管的力學(xué)性能惡化，因此，在制管過程中要考慮制管前后鋼板力學(xué)性能的變化。

    為使鋼管具有低屈強(qiáng)比，就要進(jìn)一步減小鋼管基體材料的屈強(qiáng)比設(shè)計(jì)目標(biāo)值，或者通過適當(dāng)?shù)墓に嚋p少加工硬化，如加熱成瓔或制管后進(jìn)行熱處理。用于制造厚壁鋼管的鋼板有必要優(yōu)化其化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝，進(jìn)而提高其制管后的韌性。

2.1.3焊接性

    JFE公司利用高精度的TMCP技術(shù)及在線加速冷卻(Super-OLAC)工藝，通過減小碳當(dāng)量及Pcm值來保證高強(qiáng)鋼良好的焊接性。表2給出了建筑用低屈強(qiáng)比鋼板、高焊接性590 MPa鋼板及低屈強(qiáng)比780 MPa鋼板的Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，強(qiáng)度低于590 MPa的鋼板焊接時可以不用預(yù)熱。

2.2  制管

2.2.1  彎曲成型

  JFE公司生產(chǎn)的建筑用鋼管中，高強(qiáng)度厚壁鋼管通過圖3所示的壓彎方法成型。采用該方法，鋼板要進(jìn)行三點(diǎn)彎曲，然后通過擴(kuò)徑機(jī)得到所要求的管徑。厚規(guī)格鋼板的塑性彎曲成型需要較高的壓力。在成型壓力超過彎板機(jī)能力的情況下，必須通過成型之前的加熱來減小變形阻力。采用這種方法時，變形阻力隨著加熱溫度的增加而減小，但是溫度增加會導(dǎo)致加工硬化條件的變化。因此，在確定壓彎條件時就必須考慮到鋼管力學(xué)性能的這種變化。

  此外，為保證鋼管的尺寸精度，控制制管前鋼板的精度、成型壓力及焊接變形非常重要。特別是對于厚壁鋼管，由于焊縫截面大需要進(jìn)行大量的填充，所以要在考慮到以上影響因素的條件下確定焊接工藝。

2.2.2熱處理

    對于具有較大t/D值的鋼管，冷彎成型中由塑性應(yīng)變產(chǎn)生的加工硬化較大。在此情況下，要通過成型過程中的加熱成型或焊接后的熱處理來減少加工硬化導(dǎo)致的屈強(qiáng)比的增加。圖4給出了熱彎成型及冷彎+回火時t/D對490MPa鋼管屈強(qiáng)比的影響。3鋼管的化學(xué)成分及性能

    抗拉強(qiáng)度為490～780 MPa鋼管的尺寸范圍較廣，其外徑在800～2 100 mm之間，壁厚在40～100 mm之間，t/D在0.042～0.078之間。JFE公司生產(chǎn)的建筑用高強(qiáng)厚壁鋼管用鋼板的化學(xué)成分見表3。

    JFE公司生產(chǎn)的建筑用高強(qiáng)厚壁鋼管及鋼板的力學(xué)性能見表4。表中鋼管及制管前鋼板的拉伸試樣均縱向截取，且均為全壁厚試樣；夏比沖擊試樣從距鋼管表畫U4處及其鋼板的對應(yīng)位置截取。

    不同鋼種的鋼管dD與屈強(qiáng)比的關(guān)系如圖5所示。雖然強(qiáng)度、厚度及管徑不同，但通過Su-per-OLAC、HOP及合適的熱處理工藝可以將屈強(qiáng)比控制在一定的范圍內(nèi)。

4結(jié)  語

    日本JFE公司開發(fā)的高強(qiáng)大直徑厚壁鋼管品種規(guī)格較多，抗拉強(qiáng)度在490~780 MPa之間（屈服強(qiáng)度在385～630 MPa之間），壁厚在40～100 mm之間，最大直徑達(dá)2000mm。值得一提的是，通過適當(dāng)?shù)墓に嚳稍谙嗤�的�?qiáng)度下獲得不同的屈強(qiáng)比。目前，中國國內(nèi)高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)已成為一種趨勢，而對于作為主要支撐構(gòu)件的大直徑厚壁鋼管的開發(fā)還相對滯后。JFE公司大直徑厚壁鋼管用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能及制管工藝等值得相關(guān)研發(fā)單位借鑒。