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介紹了日本(ben)高層建(jian)筑最常用的支撐構件——高強度大直徑厚壁鋼管的使用概況，JFE公司生產的建筑用大直徑厚壁(bi)鋼管的(de)(de)(de)研發進展以(yi)及(ji)該(gai)類(lei)鋼(gang)管在力學性能(neng)和焊接性等方面的(de)(de)(de)特(te)殊要(yao)求(qiu)(qiu)。通(tong)(tong)過調整(zheng)鋼(gang)板的(de)(de)(de)化(hua)學成分及(ji)制(zhi)造(zao)工藝，以(yi)減(jian)(jian)小鋼(gang)管基體(ti)材料的(de)(de)(de)屈強比(bi)；同時還要(yao)考(kao)慮制(zhi)管前后(hou)鋼(gang)板力學性能(neng)的(de)(de)(de)變化(hua)，通(tong)(tong)過調整(zheng)制(zhi)管工藝減(jian)(jian)少加工硬化(hua)，如加熱(re)成型或(huo)制(zhi)管后(hou)進行熱(re)處理(li)等，以(yi)保證所(suo)生(sheng)產的(de)(de)(de)鋼(gang)管具有低屈強比(bi)和足夠的(de)(de)(de)韌性，滿足高層(ceng)建(jian)筑(zhu)的(de)(de)(de)使用要(yao)求(qiu)(qiu)。

    高強度大(da)直(zhi)徑厚壁鋼管已成為高層建筑不可(ke)缺少的支撐構件(jian)。據日(ri)本JFE公(gong)司統計，高層(ceng)建(jian)筑最常用(yong)的鋼管直徑為600～800 mm，壁厚為20～40 mm，廣泛采用UOE工藝(yi)。然而，每年(nian)都有一些工程的設計采用壁厚在40～100 mm之間，直(zhi)徑接近2 000 mm的大直(zhi)徑厚壁(bi)鋼管。對此(ci)，日(ri)本(ben)JFE公司開(kai)發了一系(xi)列抗拉(la)強度在490～780 MPa，屈服強度(du)在385～630MPa的(de)高強度(du)、大直徑厚壁(bi)鋼管(guan)(guan)，工程實踐(jian)表明，這些大直徑厚壁(bi)鋼管(guan)(guan)完(wan)全(quan)能滿足高層建筑的(de)性能要(yao)求。

1  建筑結構用鋼管(guan)的性能要求

1.1  力學性能

    當(dang)前日本的(de)(de)建筑設(she)(she)(she)(she)計(ji)廣泛采用彈(dan)(dan)靼性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)理(li)念，其核心思(si)想(xiang)是(shi)通過構(gou)件的(de)(de)塑性(xing)變形及(ji)吸(xi)收(shou)功防止(zhi)構(gou)件失效(xiao)。彈(dan)(dan)塑性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)主要(yao)(yao)利(li)用鋼材的(de)(de)高(gao)塑性(xing)變形能力。與彈(dan)(dan)性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)相比(bi)(bi)，由于彈(dan)(dan)塑性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)可以減(jian)少構(gou)件的(de)(de)截面積，因(yin)此更加經濟。這就要(yao)(yao)求建筑物(wu)的(de)(de)主要(yao)(yao)構(gou)件要(yao)(yao)具(ju)有(you)(you)規(gui)(gui)(gui)定的(de)(de)屈(qu)強(qiang)比(bi)(bi)。另(ling)一方面，建筑物(wu)的(de)(de)設(she)(she)(she)(she)計(ji)規(gui)(gui)(gui)范(fan)正在(zai)從標(biao)準設(she)(she)(she)(she)計(ji)規(gui)(gui)(gui)范(fan)向性(xing)能設(she)(she)(she)(she)計(ji)規(gui)(gui)(gui)范(fan)轉(zhuan)變。因(yin)此，現代高(gao)層建筑的(de)(de)漫計(ji)不僅采用彈(dan)(dan)蠼性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)，而且還采用彈(dan)(dan)性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)。基于以上兩種設(she)(she)(she)(she)計(ji)理(li)念，彈(dan)(dan)塑性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)要(yao)(yao)求鋼管具(ju)有(you)(you)低屈(qu)強(qiang)比(bi)(bi)，而彈(dan)(dan)性(xing)設(she)(she)(she)(she)計(ji)要(yao)(yao)求鋼管具(ju)有(you)(you)高(gao)屈(qu)強(qiang)比(bi)(bi)。

    由于近年來地震時有發生，對建筑用鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)的(de)韌性(xing)提出(chu)了更高的(de)要(yao)求。鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)與(yu)制管(guan)之(zhi)前(qian)的(de)鋼(gang)(gang)(gang)板相比，由于發生了塑性(xing)變形(xing)，其韌性(xing)將會降低(di)，而最理想(xiang)的(de)情(qing)況應該是鋼(gang)(gang)(gang)管(guan)的(de)韌性(xing)值要(yao)保(bao)持在(zai)制管(guan)之(zhi)前(qian)鋼(gang)(gang)(gang)板的(de)水平。

1.2焊接性

    由于涉及更高的(de)預(yu)熱溫度(du)及更加嚴格的(de)層間溫度(du)控制，所以高強(qiang)鋼的(de)焊接(jie)通常較(jiao)為困難。因此，要求鋼板應具(ju)有(you)較(jiao)低的(de)焊接(jie)預(yu)熱溫度(du)，使其具(ju)有(you)良好的(de)焊接(jie)性(xing)。JFE公司大(da)直徑厚壁鋼管用鋼板要求有較低的焊接裂紋敏感系(xi)數(Pcm)。

1.3研(yan)發目(mu)標

    JFE公司提出的大直(zhi)徑高強(qiang)度厚(hou)壁鋼管目標強(qiang)度分為(wei)三(san)個(ge)級別，其抗拉強(qiang)度分別為(wei)490~550MPa，570-590 MPa和780 MPa;對于每個強度級(ji)別，規定了(le)不同的屈強比；而對于抗(kang)拉強度為(wei)780MPa的鋼(gang)管，只限于(yu)高屈強比設(she)計。同(tong)時(shi)，規定開發的鋼(gang)板要達到相同(tong)級別建筑用鋼(gang)的韌性及Pcm，研發日標(biao)的規(gui)定值見表1。

2開發思路(lu)及工(gong)藝

2.1  鋼板力(li)學性(xing)能控制

2.1.1  屈強比

    鋼(gang)板屈服強度(du)和屈強比的關系如圖l所示，通常厚鋼板的屈強(qiang)比隨強(qiang)度的增加而增加。一般情況(kuang)下，抗拉強(qiang)度為570～610 MPa的鋼板的平均屈強(qiang)比超(chao)過80%，抗拉強度(du)為(wei)780 MPa的鋼板的屈強比超(chao)過85%。由表1可見，在要(yao)求高屈強(qiang)比設計(ji)的(de)情況下，傳(chuan)統的(de)鋼板可以(yi)直接(jie)使用(yong)，但如(ru)果要(yao)求鋼板具(ju)有(you)低(di)的(de)屈強(qiang)比，就(jiu)要(yao)通過化學成分及(ji)制造工藝來調整。

    對于強度級別$550 MPa的(de)鋼種，通過(guo)優化控軋控冷(leng)(TMCP)工(gong)藝可以實(shi)現鋼板屈強比≤80%的目標；對于強度級別更高的590 MPa和780 MPa鋼(gang)種(zhong)，不僅可以通過多(duo)級(ji)熱處理實現鋼(gang)板屈強比(bi)≤85%的目標，也可(ke)以(yi)通(tong)過在線熱處理(HOP)工(gong)藝使其屈強(qiang)比達到要求(qiu)。控(kong)制鋼板(ban)屈強(qiang)比的(de)生(sheng)產工(gong)藝如圖2所示。

2.1.2冷彎成型導致的(de)力學性能變化

    制(zhi)管過程中的(de)(de)冷(leng)彎成型會導(dao)致(zhi)在鋼(gang)(gang)管壁厚(hou)外側(ce)及內(nei)側(ce)分別產生拉伸及壓縮塑性(xing)應(ying)變，應(ying)變大(da)小取決于鋼(gang)(gang)板(ban)厚(hou)度(du)與鋼(gang)(gang)管直徑的(de)(de)比值(t/D)。由于應變(bian)會導致鋼管(guan)的(de)力學性能惡化，因此，在制(zhi)管(guan)過程中要考慮制(zhi)管(guan)前后(hou)鋼板力學性能的(de)變(bian)化。

    為使鋼管(guan)具有低屈(qu)強比，就要進(jin)一步(bu)減小鋼管(guan)基體材料的(de)屈(qu)強比設計(ji)目標值，或(huo)者通過(guo)適當(dang)的(de)工(gong)(gong)藝(yi)減少加工(gong)(gong)硬化(hua)，如加熱成(cheng)瓔或(huo)制(zhi)(zhi)管(guan)后進(jin)行(xing)熱處理。用于制(zhi)(zhi)造厚壁鋼管(guan)的(de)鋼板(ban)有必(bi)要優(you)化(hua)其(qi)化(hua)學成(cheng)分及(ji)生產(chan)工(gong)(gong)藝(yi)，進(jin)而提(ti)高其(qi)制(zhi)(zhi)管(guan)后的(de)韌(ren)性。

2.1.3焊接(jie)性

    JFE公司利用高精度的(de)TMCP技術及在線加速冷卻(que)(Super-OLAC)工藝，通過減小碳當量及Pcm值來保(bao)證高強(qiang)鋼良好(hao)的焊接性。表2給出了建筑(zhu)用低屈強比鋼板(ban)、高焊接性(xing)590 MPa鋼板(ban)及低屈(qu)強比780 MPa鋼板的Y形坡口焊(han)接裂紋試驗(yan)結(jie)果(guo)。可以看出，強度(du)低于590 MPa的鋼板焊接(jie)時可(ke)以不用(yong)預熱。

2.2  制管(guan)

2.2.1  彎曲成型

  JFE公(gong)司(si)生產(chan)的建筑用鋼管中，高強度厚壁鋼管通過圖(tu)3所(suo)(suo)示(shi)的(de)壓(ya)彎方(fang)(fang)法成(cheng)(cheng)型(xing)。采(cai)用該(gai)方(fang)(fang)法，鋼(gang)板要(yao)(yao)進(jin)行三點彎曲，然(ran)后通過(guo)擴(kuo)徑機得到所(suo)(suo)要(yao)(yao)求的(de)管徑。厚規(gui)格鋼(gang)板的(de)塑性(xing)彎曲成(cheng)(cheng)型(xing)需要(yao)(yao)較高的(de)壓(ya)力。在成(cheng)(cheng)型(xing)壓(ya)力超過(guo)彎板機能(neng)力的(de)情(qing)況下，必(bi)須通過(guo)成(cheng)(cheng)型(xing)之前的(de)加熱來減小(xiao)變(bian)形(xing)阻力。采(cai)用這(zhe)種方(fang)(fang)法時，變(bian)形(xing)阻力隨著加熱溫(wen)度的(de)增(zeng)加而(er)減小(xiao)，但(dan)是溫(wen)度增(zeng)加會(hui)導致加工硬化條(tiao)(tiao)件的(de)變(bian)化。因此，在確(que)定壓(ya)彎條(tiao)(tiao)件時就必(bi)須考慮(lv)到鋼(gang)管力學性(xing)能(neng)的(de)這(zhe)種變(bian)化。

  此外，為保證鋼管(guan)的(de)尺寸精(jing)度，控制制管(guan)前鋼板的(de)精(jing)度、成型壓力及(ji)焊(han)接變形非常(chang)重要。特(te)別是對于(yu)(yu)厚壁(bi)鋼管(guan)，由于(yu)(yu)焊(han)縫截面(mian)大(da)(da)需(xu)要進(jin)行大(da)(da)量的(de)填充(chong)，所以要在考慮到以上影(ying)響因素的(de)條(tiao)件下確定焊(han)接工藝。

2.2.2熱處理

    對(dui)于具(ju)有較大t/D值的(de)鋼管，冷(leng)彎(wan)成型(xing)中由塑性應變產生的(de)加(jia)工(gong)硬化(hua)較大(da)。在此情況下(xia)，要通(tong)過成型(xing)過程(cheng)中的(de)加(jia)熱(re)成型(xing)或焊接后的(de)熱(re)處理來(lai)減少加(jia)工(gong)硬化(hua)導致的(de)屈強比(bi)的(de)增(zeng)加(jia)。圖4給出了熱(re)彎(wan)成型及冷彎(wan)+回火時t/D對(dui)490MPa鋼管屈強比的影響。3鋼管(guan)的化學(xue)成分及性能

    抗拉強(qiang)度為490～780 MPa鋼管的尺(chi)寸范圍較廣，其(qi)外徑(jing)在800～2 100 mm之(zhi)間，壁厚在(zai)40～100 mm之間，t/D在0.042～0.078之間(jian)。JFE公(gong)司生產的(de)建筑用高(gao)強厚壁鋼管用鋼板的(de)化學成分見(jian)表(biao)3。

    JFE公司(si)生產(chan)的建筑用(yong)高強厚壁鋼(gang)(gang)管及鋼(gang)(gang)板的力學(xue)性能見(jian)表4。表(biao)中(zhong)鋼(gang)管(guan)及制管(guan)前鋼(gang)板的拉伸試樣(yang)均縱向截取(qu)，且均為(wei)全壁厚試樣(yang)；夏比(bi)沖擊試樣(yang)從距鋼(gang)管(guan)表(biao)畫U4處及其鋼板的對應位置截取。

    不同鋼(gang)種(zhong)的鋼(gang)管dD與屈(qu)強比的關系如(ru)圖(tu)5所示(shi)。雖然強度、厚度及管(guan)徑不(bu)同(tong)，但(dan)通過Su-per-OLAC、HOP及合適的熱處理工(gong)藝可以(yi)將屈強比控制在一定的范圍內。

4結  語

    日本JFE公司開發(fa)的(de)高強(qiang)大(da)直徑厚(hou)壁鋼管品(pin)種規格較多，抗(kang)拉強(qiang)度(du)在490~780 MPa之間（屈服強度在385～630 MPa之(zhi)間），壁(bi)厚在40～100 mm之間，最大直徑達(da)2000mm。值得(de)一(yi)提的(de)(de)是，通(tong)過(guo)適當的(de)(de)工藝可在相同的(de)(de)強(qiang)度(du)下獲得(de)不同的(de)(de)屈強(qiang)比。目(mu)前，中國(guo)(guo)國(guo)(guo)內高(gao)層建(jian)筑采用(yong)鋼結(jie)構已成為(wei)(wei)一(yi)種趨(qu)勢，而對于作為(wei)(wei)主要支撐(cheng)構件的(de)(de)大直徑厚壁鋼管的(de)(de)開發還相對滯(zhi)后(hou)。JFE公司大直徑厚壁鋼管用鋼的(de)化學成分、力學性能及制管工藝等值得相關(guan)研發單位借鑒。