摘要：为了探讨高强度钢材在大型冶金工业厂房中应用的优势，本文选取了两个具有代表性的大型冶金工业厂房，通过对其分别采用普通钢材和高强度钢材进行设计对比分析，得到了采用普通钢材和采用高强度钢材的实际耗钢量经济指标对比结果，验证了高强度钢材在大型冶金工业厂房中应用的优势。
关键词：高强度钢材；普通钢材；工业厂房；经济指标；耗钢量
Abstract: in order to discuss the high strength steel products in large metallurgical industry application advantages of plant, this paper selects the two representative large metallurgical industry workshop, through its using common respectively of the steel and high strength steel design contrast analysis has been using common steel and high strength steel actual consumption of steel quantity economic index comparison result shows high strength steel products in large metallurgical industry workshop of the applications of the advantage.
Key words: high strength steel; Ordinary steel; Industrial workshop; Economic indicator; Steel consumption amount
中图分类号： TG142 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
随着中国冶金工业的快速发展，现代化高炉的容积越建越大，新兴炼钢厂房吊车的起吊吨位越来越重，采用普通钢材只会使构件的截面增大，安全性降低，耗钢量增大，经济性变差。这些都说明普通钢材也越来越不能满足大跨度厂房柱、屋架、大吨位吊车梁等结构的设计需要。在大型冶金工业厂房中采用高强度钢材将更经济，有利于我国可持续发展战略和保护环境基本国策的实施。
相对于普通钢材，大型冶金工业厂房钢结构采用高强度钢材具有以下优势：
(1)在经济性方面，能够减小构件尺寸和结构重量，相应地减少焊接工作量和焊接材料用量，减少各种涂层(防锈、防火等)的用量及其施工工作量，使得运输和施工安装更加容易，降低钢结构的加工制作、运输和施工安装成本；同时在建筑物使用方面，减小构件尺寸能够创造更大的使用净空间；特别是，能够减小所需钢板的厚度，从而相应减小焊缝厚度，改善焊缝质量，提高结构疲劳使用寿命。以上这些都能够直接创造良好的经济效益。【2】
(2)大型冶金工业厂房钢结构采用高强度钢材，有利于我国可持续发展战略和保护环境基本国策的实施。高强度钢材钢结构能够降低钢材用量，从而大大减少铁矿石资源的消耗。而前述的焊接材料和各种涂层(防锈、防火等)用量的减少，也能够大大减少其他不可再生资源的消耗，同时能够减少因资源开采对环境的破坏，这对于我国实施可持续发展战略、改变“高资源消耗”的传统工业化发展模式、充分利用技术进步建立“效益优先型”、“资源节约型”和“环境友好型”国民经济体系都有极大的促进作用。【2】
2 工程实例对比分析
为了系统的分析高强度钢材在大型冶金工业厂房中应用的优势，本文选取了两个具有代表性的大型冶金工业厂房为实例模型进行了对比设计分析。
实例一选用已建成的马来西亚2580m3高炉工程铁水脱硫厂房。厂房为两跨排架结构，局部为单跨。厂房跨度均为27m，排架柱间距为18m、24m；厂房内一跨有两台260/80t A7级 铸造桥式起重机，另一跨有一台100/30t A6级 吊钩桥式起重机，吊车轨面标高25m、28m，为一典型的冶金工业厂房。
实例二为马钢300吨转炉炼钢与钢水精炼工程主厂房。厂房为多跨排架结构，厂房跨度30m、33m、25m、27m不等，排架柱间距以27m为主；厂房内有150/100t A7级桥式吊车两台，480/100t A7级桥式吊车两台，另一跨有两台480/100t A8级桥式吊车，吊车轨面标高30.2m。转炉规模及吊车吨位均为目前国内前列。
按照厂房设计时各系统划分的惯例，本文分厂房柱子系统、吊车梁系统、屋面系统等三个系统对厂房各主要受力构件采用不同强度钢材进行设计计算，最后对其断面进行对比。这样能够直观地了解到各系统在不同工况下采用高强钢的经济指标，便于以后工程中灵活地应用高强钢。
2.1 厂房柱子系统
本文通过PK软件对两个实例进行了计算分析，验证高强钢材在设计中的实际效果，得到采用高强钢材设计后的实际耗钢量经济指标，设计中以应力幅0.8~0.85为统一标准。与已完成的工程实际经济指标进行对比，对比结果分别见表1，表2。
表1 马来西亚2580m3高炉工程铁水脱硫厂房排架单元计算结果分析：
表2 马钢300吨转炉炼钢与钢水精炼工程厂房排架单元计算结果分析：
从对比结果可以看出：在应力控制的厂房排架柱中，采用Q390钢既能有效节省钢材也能使侧移控制在理想范围。而当采用更高强度的钢材（如Q420）时，虽能节省钢材，但侧移增大效果会比较明显。对于有480t，A8级吊车的排架柱，由于受排架横向变形控制，该吊车所在跨及相邻跨柱子的刚度不能再减小，仅将远离此吊车的其它跨柱子采用高强钢，其减少用钢量指标的影响不明显。 同时排架柱设计中需要考虑的重要因素还有局部稳定，由翼缘局部稳定公式可知，当钢材强度越高，对其局部稳定的要求也随之提高，同时通过采用高强钢，钢材厚度得到减小，翼缘的自由外伸宽度与板厚之比b/t值也愈大，局部稳定也许会比整体稳定更加对设计起控制作用。
2.2 厂房吊车梁系统
本文利用PKPM软件对两个实例中的吊车梁系统经行了计算分析，并得到采用高强钢材设计后的实际耗钢量经济指标，并与已完成的工程实际经济指标进行对比。 从对比结果可以看出：对于应力控制的大跨度，大吨位的吊车梁，采用Q345GJ后可以节省钢材2.77%～7.89％，刷油面积可以节省到0.31％～8.31％。对于由挠度控制的吊车梁，采用高强度钢材提高钢材强度对减少用钢量指标几乎没有影响。根据《钢结构设计规范》4.3局部稳定这一节，我们可以看到规范对高强度钢材的局部稳定控制更严一些。所以当钢材强度提高后，构件长宽比限值反而降低。对于由挠度控制的吊车梁，改用高强钢材后，截面尺寸可能需要增大，才能满足长宽比要求。所以高强度钢材只适合于由应力控制的大吨位，大跨度的吊车梁。
2.3 厂房屋盖系统
本文通过PKPM软件中的桁架模块对两个实例中的屋盖系统经行了计算分析，得到采用高强钢材设计后的实际耗钢量经济指标，并与已完成的工程实际经济指标进行对比。 从对比结果可以看出：对于应力控制的大跨度，屋面荷载较大的屋架或托架上下弦杆，采用Q345GJ后可以节省上下弦杆钢材的6.351%～35.669％。采用Q390后可以节省上下弦杆钢材的5.054%～38.380％。对于由挠度控制的屋架或托架，采用高强钢提高钢材强度对减少用钢量指标几乎没有影响。所以高强度钢材只适用于由应力控制的大跨度屋架或托架。
2.4 高强度钢材的焊接连接相关技术要求
高强钢在焊接中易造成气孔、夹渣、未熔合、焊接热影响区脆化软化和产生热裂纹等缺陷，结果产生较大焊接裂纹，对于高强钢材来说，这些尤为严重。《钢结构焊接规范》（报批稿）提出了钢结构焊接连接构造设计、制作、材料、工艺、质量控制、人员等技术要求。针对不同强度高强钢给出了对应焊材的选取范围，这为高强钢的实际应用提供了技术支持。
3 结论与建议
通过对马来西亚2580m3高炉工程铁水脱硫厂房和马钢300吨转炉炼钢与钢水精炼工程主厂房两个典型工程系统的对比计算分析，可以看出对于在大跨度，大吨位的柱子系统，吊车梁系统及屋面系统中由应力控制的结构构件，采用高强度钢材后可以明显的减小构件断面从而降低造价；对于由变形控制的构件，采用高强度钢材对减小构件断面降低造价基本没有影响。因此合理应用高强度钢材才能有效降低结构造价。
参考文献：
【1】 陈振明，张耀林，彭明祥，张琨。国产高强钢及厚板在央视新台址主楼建筑中的应用。钢结构 2009年第2期第24卷总第117期。
【2】 施刚，石永久，王元清。超高强度钢材钢结构的工程应用。建筑钢结构进展2008年8月第10卷第4期。
【3】 钢结构设计规范（GB50017-2003）。
【4】 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）。
【5】 褚燕凤，戴国欣，聂诗东，蔡益燕，郁银泉，申林，常跃峰，赵文忠。Q345GJ结构钢材性试验与参数估计。第七届全国现代结构工程学术研讨会。
【6】 陈骥。钢结构稳定理论与设计【M】。北京：科学出版社，2001。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。