钢结构用主要钢材

钢厂开发了各种各样的钢材，广泛应用于钢结构。所开发和应用的钢材特征用一句话来说，就是钢材的“多样性”。第一特征是“强度的多样性”，钢材的强度范围涵盖了从超高强度到极低强度的各种钢材；第二特征是“功能的多样性”。开发了焊接性、韧性尤其是耐蚀性和变形能力高的各种钢材。低屈强比、窄屈服点范围和高耐火性是日本独自设定的性能要求，一部分已被欧美标准采用；第三特征是与钢材产品形状有关的特征，在这里称为“断面的多样性”。采用热轧法可以生产大断面材、极厚材和非对称断面材等，不仅可以为用户提供形状自由度高的钢材产品，而且可以为用户提供各种尺寸规格的钢材产品。

1 有助于钢结构大型化的高强度厚钢板

在桥梁用钢方面，将数个横梁并排构成的桁架桥（板梁）的建造，加快了钢材高强度化的发展。在 1950 年代使用了抗拉强度为500N/mm 2 级的厚钢板，在 1960 年代使用了抗拉强度为 600N/mm 2 级的厚钢板。其后，桥梁的大跨度化为桁架桥和吊桥等结构形式的创新起了重要作用。到了 1960 年代后期，厚钢板的抗拉强度达到了 800N/mm 2 。当时的高强度钢都是一些含 Ni、Mn 和 Cr等合金元素较多的钢材。虽然这些钢材的强度高，但焊接性是一个问题。为解决这一问题，日本在 1998 年完工的明石海峡大桥中，开发了低预热型 800N/mm 2 级钢作为加劲梁用钢。该钢种通过将当时作为最新的 TMCP 技术和析出强化技术进行组合后，可提高钢材的焊接性，成功地将以往的预热温度由 100℃以上降到了 50℃左右。

自 1990 年代以来，高强度钢在建筑物的应用取得了进展。1993 年抗拉强度为 600N/mm 2 级钢在横滨陆上灯塔的应用就是一个代表例。自 2000 年以来，被称作阻尼器的抗震装置（制振结构）得到了普及应用，它可吸收建筑物因地震而产生的振动能量，减轻建筑物的柱和梁的损坏程度。虽然高强度钢在建筑物的应用时间比桥梁的晚，但随着新抗震设计法和建筑物新结构形式的实施，目前，超高强度厚钢板在建筑物的应用已超过在桥梁上的应用。

2 世界最长吊桥钢缆用超高强度钢丝

一般说来，高强度钢丝的碳含量提高到 0.8% 后，会形成由硬质相和软质相构成的珠光体组织，研究发现，添加Si 和 Cr 可以抑制碳的扩散，防止渗碳体出现破碎。在明石海峡大桥用钢丝的生产中，由于 Cr 会降低热处理的作业效率，因此，最终采取的是添加 Si 提高强度的办法。由于目前还可能生产抗拉强度超过 2000N/mm 2 级的钢丝，因此，它有望应用于世界正在计划的长大桥中（例如，挪威的松恩峡湾大桥等）。

3 解决氢脆化问题的建筑用超高强度螺栓

日本从 1950 年代开始，将高强度螺栓应用于桥梁和建筑物。初期的高强度螺栓的抗拉强度为 600-800N/mm 2级，1964 年日本首次制定了高强度螺栓的工业标准，促进了高强度螺栓的普及应用。在 1964 年的日本工业标准中，列出了抗拉强度为 700、900、1100 和1300N/mm 2 级的 4 种螺栓的工业标准。1300N/mm 2 级的螺栓在使用后，会马上出现氢脆化问题（延迟断裂），因此，在 1967 年的标准修订中，只列出了800、1000 和 1100N/mm 2 级的 3 种螺栓的工业标准。其后，在 1100N/mm 2 级的螺栓中，也偶尔出现了氢脆化问题，因 此， 在 1979 年 以 后， 只 有 1000N/mm 2 级（F10T）的螺栓标准，螺栓的高强度化因氢脆化问题而停滞了大约 20年。

1999 年由于解决了建筑用高强度螺栓氢脆化的问题，一举将高强度螺栓由以往的 1000N/mm 2 级提高到 1400N/mm 2 级（F14T）。超高强度螺栓经包括海水试验在内的裸露试验，已确认其具有稳定的抗氢脆化性能，目前已应用于建筑物达 10 多年，为钢结构部件的简单化和省力化做出了巨大贡献。

4 满足多种性能要求的桥梁用高性能厚钢板

虽然在 1960 年代，高强度钢（抗拉强度 800N/mm 2 级）在桥梁的应用取得了快速发展，但由于为了确保淬火性而添加了很多的 C 和 B，因此，导致高强度钢容易发生低温裂纹等焊接性问题。为解决这一问题，开发了低预热型800N/mm 2 级钢（厚钢板）。由于该钢板可将焊接预热温度降低到原来的一半以下（50℃），因此，为提高桥梁的建设速度做出了贡献。

日本于1994年开始， 进行了有关桥梁用高性能钢的研究。2008 年SBHS500 和 SBHS700（数值表示屈服强度）已列入新型钢材标准（JIS G3140-SBHS），2011 年又追加了 SBHS400。美国和韩国也已制定了桥梁用高性能厚钢板的标准，但日本的 SBHS 钢的屈服强度保证值比其他国家的都高。

5 新抗震设计法对建筑用抗震钢材的要求

自 1980 年代以来，新建筑结构用钢材得到了大力开发和应用。以“新抗震设计法”的实施为契机，1981 年建筑物的设计发生了巨大变化，由弹性设计变为塑性设计。开发了 SN 钢和 SA440 钢等抗震用钢材（厚钢板和型钢）。这些新抗震用钢材的主要特征是，不仅钢材的韧性值和板厚方向的断面收缩率都达到了桥梁用钢材的标准，而且屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）的上限值和屈服强度的上下限范围也在规定范围内。

屈强比是表示影响钢构件塑性变形能力的指标。也就是说，屈强比YP越低，塑性区域就越大，变形能力越高。SN 钢和 SA440 钢（抗拉强度为 400-600N/mm 2 级）为低屈服强度比钢材，它以硬质相和软质相的双相组织为基础，通过组织控制和晶粒度控制可获得必要的强度和屈强比。

另一方面，屈服强度的上下限范围是影响整个框架变形能力的性能指标。SN 钢和 SA440 钢的屈服强度上下限范围规定在 100-200N/mm 2 。通过严格控制生产工艺中的温度轧制条件，就可控制材料的屈服强度的上下限值。不论是屈强比和韧性值，日本的标准都是最严格的。欧洲的材料标准和设计标准没有对屈强比的上限做出规定，因此有待于进一步研究。

6 钢材断裂的控制技术和高HAZ 韧性钢

1995 年日本兵库县南部地震的特征之一是钢材是从焊接部发生断裂。当时使用的是 SN 钢，无法保证 HAZ 韧性。为确保 HAZ 韧性，有效的办法是通过控制晶粒因 Ti 和 TiO 2 等氮化物和氧化物而出现生长（钉扎效应），并利用晶粒内的细化作用（晶粒内铁素体的相变），实现晶粒细化。为使晶粒细化，开发了能够有效抑制 HAZ 部附近晶粒生长的技术。该技术采用的是将含有 Mg 和 Ca 且粒度为数 10nm- 数 100nm 的极细氧化物和硫化物在钢中弥散的技术来控制晶粒的生长。另外，还开发了微量添加 B等合金来控制晶内组织的技术，并提出了各种控制 HAZ 部组织的技术。通过这些研究，开发了高 HAZ 韧性钢，即使在焊接线能量为 100kJ/mm 的情况下，也能确保在 0℃时，具有 70J 以上的 HAZ韧性。目前，这种高 HAZ 韧性钢已广泛用作高层建筑的柱子用钢材。

7 有助于降低寿命周期成本的耐候性钢和耐蚀钢

目前，新建桥梁的 20%-25% 采用了 JIS 耐候钢（SMA），它可在无涂装情况下，确保长久的耐用性，为降低寿命周期成本（LCC）做出了贡献。耐候钢广泛应用于桥梁，但在海岸线附近盐分大的环境下，因不会生成保护性锈，也就无法抑制腐蚀。为解决这一问题，开发了镍系高耐候性钢。该钢的特征是Ni 的添加量为 1%-3%，此外还添加了微量的 Cu、Mo 和 Ti 等合金元素。该钢于 1998 年首次应用于北陆新干线的桥梁和桥墩。经过15年后的裸露试验表明，3% 镍系高耐候性钢受腐蚀量只有 JIS-SMA 的 2/3，为 0.17mm/100 年。最初开发的高耐候性钢是 3%Ni-Cu 系，后来由于 Ni 的添加量和添加的合金元素不同，因此，高耐候性钢有几种类型，可根据腐蚀环境的不同分别使用。

为更好地防止海岸线附近盐分对钢构产生腐蚀的影响，开发了在钢构涂装情况下，可延长重新涂装周期的钢材，如 Sn 添加钢。根据裸露试验和腐蚀加速试验的结果可知，Sn 添加钢的使用寿命比涂装钢板的延长 2 倍左右。Sn 添加钢和耐候性钢主要是根据盐分量的不同分别使用。

除了上述钢种外，还开发了在添加少量 Cr 和 Al 的低合金耐蚀钢上涂覆一次性防锈用的无机含锌粉耐蚀耐热涂料，使其耐蚀性接近不锈钢（SUS304）的技术，该钢材被称作“ARU-TEN”。

8 适用于新型建筑结构的高性能钢（低屈服点钢和超高强度钢）

为进一步提高屈曲支撑和制振结构的性能，开发了阻尼器专用的钢材。开发的钢材为 LY100 和 LY235。在作为新型建筑结构的制振结构的普及过程中，为减小伴随巨大地震而产生的风险，从2004 年开始，研究将制振结构和高强度钢组合的“新型结构装置”。除了研究几种类型的制振结构装置外，还开发了800N/mm 2 级高强度厚钢板（H-SA700），其抗拉强度为 800N/mm 2 级，屈强比的上限值为 98%，分为焊接用和非焊接用两种。另外，还开发了抗拉强度为1000N/mm 2 级的超高强度厚钢板，并在低层建筑进行了试用。该钢的屈服强度在 880N/mm 2 以上，抗拉强度在 950N/mm 2 以上，屈强比在 98% 以下。另外，为防止该钢发生焊接裂纹，需要进行焊接预热，这是一个课题，但可以通过使用软质接头予以解决。

9 世界最早的建筑用高温强度保证钢（耐火钢）

为解决在火灾高温下，钢材强度会急剧下降的问题，1988 年开发了具有良好高温强度特性的耐火钢，并在世界上首次成功应用于立体停车场。作为建筑用耐火钢的主要特征在于，保证 600℃时的屈服强度是常温 F 值（材料的设计强度）的 2/3 以上。耐火钢 NSFR490B的高温强度比普通焊接结构用钢材要好，其屈服强度（YP）在 600℃时是常温设计标准强度的 2/3 以上。使用耐火钢，不仅可以省略耐火保护层、缩短工期，还可实现钢结构因没有耐火保护层而变得轻巧。

10 大断面及尺寸自由度高的 H型钢和钢板桩

由于在 1980 年代后期，开发了能够随意调整 H 型钢尺寸的轧制新技术，因此 H 型钢的大型化和尺寸的自由度取得了飞跃发展。例如，根据欧洲（H 型钢规格）和日本（外部尺寸一定的H型钢）的梁用 H 型钢的比较可知，欧洲的各种尺寸的 H 型钢品种数量为 224 个，而日本超过了 600 个，日本各种尺寸的 H 型钢品种数量占据了绝对优势。

另一方面，地下结构物建设用的钢板桩也在朝着大断面和独特形状方面进行开发。1931 年日本以国外技术为基础开始生产钢板桩，一直使用欧洲的标准生产宽度为 400mm 的 U 形钢板桩。其后，开发了宽度为 500mm 和 600mm 的 U形钢板桩。2005 年开发了施工性、可靠性和经济性高的宽度为 900mm 的帽形钢板桩。帽形钢板桩分为高度为 230mm 的10H 和高度为 300mm 的 25H 两种，其后还开发了高度为 370mm 左右、厚度不同的两种大型帽形钢板桩（45H 和 50H）。

11 其他高性能钢材（高强度钢筋和超高强度钢纤维）

钢筋混凝土结构不同于钢结构，广义上来说它是混凝土和钢材（钢筋）的合成体。混凝土是脆性材料，虽然具有抗压性能，但抗拉性能非常低。为弥补混凝土的缺点，需用钢筋来解决，这就是钢筋混凝土。1988 年受国外混凝土高强度化发展的影响，日本启动了新钢筋混凝土计划，开发强度是以往的 2-4 倍的建筑用钢材。

随着大城市超高层住宅建设的不断发展，根据新钢筋混凝土计划开发的高强度混凝土和高强度钢筋自 1995 年以后得到不断的应用。目前，混凝土的最高强度达到了 200N/mm 3 、纵向钢筋强度达到了 685N/mm 3 、横向钢筋强度达到了 1275N/mm 3 。

混凝土的高强度化，尤其是由于150-200N/mm 3 以上的混凝土非常容易发生脆性破坏，因此，在混凝土中混入超高强度的钢纤维来增强混凝土强度的情况越来越多。这种超高强度钢纤维，不仅能改善高强度混凝土的变形性能，而且能防止火灾时高强度混凝土的爆裂。

另一方面，作为钢筋混凝土结构形式之一有预应力混凝土结构（PC）结构。使用高强度 PC 钢材，可以使混凝土产生预压缩力，还能提高张力弱的混凝土的性能。这种结构使用的 PC 钢材的抗拉强度一般为 1860N/mm 3 ，但 2230N/mm 3的钢材也已应用于实际建筑物。