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日本建筑用鋼及鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展
2016-08-11 16:28 鋼構(gòu)之窗 系統(tǒng)管理員
在建筑領(lǐng)域，鋼材發(fā)揮著巨大作用。日本的鋼骨結(jié)構(gòu)動工面積占總使用面積的30%-40%左右，遠(yuǎn)超其他國家鋼骨結(jié)構(gòu)所占比例。鋼結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于各種大型項(xiàng)目中，5層以下的低層建筑物按開工的使用面積計算，已超過總體的90%。在橋梁領(lǐng)域，也有如東京門戶大橋這種特殊的鋼橋。可確保鋼骨品質(zhì)和抗震性能的鋼材，是建設(shè)安全、放心的社區(qū)不可或缺的因素。本文將對日本建筑用鋼及鋼骨結(jié)構(gòu)的演變及其相關(guān)環(huán)境背景進(jìn)行介紹。
從黎明期到發(fā)展期
以1868年建設(shè)“鐵橋”為開端，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為軌道等基礎(chǔ)設(shè)施中不可缺少的存在。各地誕生了眾多的鋼鐵廠，鋼鐵技術(shù)逐步推廣。隨著戰(zhàn)后日本復(fù)興開始，各地對鋼鐵的需求迅速擴(kuò)大。在經(jīng)濟(jì)高速增長、東京奧運(yùn)會等日本國內(nèi)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的背景下，相繼建成了東京塔、首都高速公路、琵琶湖大橋等著名建筑物。
建筑鋼材也根據(jù)不同的用途，出現(xiàn)了各種新品種。從1955年出現(xiàn)輕型型鋼開始，相繼開發(fā)出了如輥壓H型鋼（1961年）、超厚H型鋼（1964年）、冷成型方鋼管（1969年）等，目前被普遍采用的建筑用鋼的基礎(chǔ)鋼種，基本上都產(chǎn)生于這一時期。
這些建筑用鋼投入應(yīng)用后，不僅增加了建筑物的跨度，提高了空間的自由度，還便利了未來的設(shè)計變更，而工廠制作使現(xiàn)場施工量減少，從而縮短建設(shè)工期。
追求抗震性的開始
鋼結(jié)構(gòu)本身具有較強(qiáng)的抗震性能，在此基礎(chǔ)上，受1978年宮城縣近海地震的啟示，開始實(shí)施新的抗震設(shè)計法，進(jìn)一步發(fā)揮出建筑用鋼的作用。隨后，在基于土地神話的泡沫經(jīng)濟(jì)期，各地相繼竣工了大量高層建筑。1990年的鋼骨加工量達(dá)到1200萬噸以上，迎來了最高峰，鋼材領(lǐng)域也迅速開始著手提高抗震性的研究。當(dāng)時，各種符合新抗震設(shè)計法要求的鋼材被開發(fā)出來。不會損壞的主體結(jié)構(gòu)與高強(qiáng)度的設(shè)計理念結(jié)合而開發(fā)出的鋼材包括SN鋼材、建筑結(jié)構(gòu)用冷成型方鋼管（Column、BCR、BCP等）、高強(qiáng)鋼（590MPa）、TMCP鋼、建筑結(jié)構(gòu)用低屈服點(diǎn)鋼等。
SN鋼材作為可吸收地震能量的建筑結(jié)構(gòu)用鋼材，同時還兼?zhèn)淞己煤附有缘膬?yōu)勢，被收錄于1994年頒布的建筑結(jié)構(gòu)專用的JIS標(biāo)準(zhǔn)中。
作為鋼骨結(jié)構(gòu)柱材普及的大口徑方鋼管（Column）也具有抗震性。BCR （輥壓成形） 和BCP （沖壓成形）均與SN鋼材具有相同的品質(zhì)，并獲得了國土交通省的認(rèn)證。作為建筑鋼骨的柱材使用時，規(guī)定其品質(zhì)需相當(dāng)于SN鋼材的B種。BCP還有相當(dāng)于C種的標(biāo)準(zhǔn)，在梁柱接合部位采用內(nèi)隔板的形式用于柱體。
應(yīng)對社會發(fā)展的多樣化需求
在高度經(jīng)濟(jì)成長期和泡沫經(jīng)濟(jì)期，在鋼骨結(jié)構(gòu)普及的同時，不僅對抗震性，而且對加工便利性、施工性等方面提出了要求。590MPa鋼為高強(qiáng)鋼的一種，可實(shí)現(xiàn)鋼材減重和CO2排放量降低，且與SN鋼材同樣具有80%屈強(qiáng)比上限，可確保部件的塑性變形能力。無論板厚如何，強(qiáng)度一定，通過將碳當(dāng)量控制在低位，可確保較高的焊接性。建筑結(jié)構(gòu)用低屈服點(diǎn)鋼用于使地震能量集中在制振結(jié)構(gòu)中。與普通鋼材相比，590MPa鋼屈服點(diǎn)低且波動小，延展性能突出。由于具有這些特性，590MPa鋼適用于滯后減震。外部尺寸固定型H型鋼可應(yīng)對高層大廈、大型橋梁（如明石大橋等）等多種設(shè)計手法。
阪神淡路大地震的影響
1995年發(fā)生了阪神淡路大地震。通過從地震中汲取的教訓(xùn)和積累的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)知識，開發(fā)了面向未來的新技術(shù)。回顧阪神大地震發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑也有受損的情況。大致上印證了1981年制訂的新抗震設(shè)計法的正確性，同時發(fā)現(xiàn)了由于焊接問題導(dǎo)致的接合部位的損壞問題。受此啟發(fā)，在2000年建筑基準(zhǔn)法的修訂中，追加規(guī)定了接頭和榫接部位的構(gòu)成方法。
在金融危機(jī)后的2009財年，鋼骨的需求降至峰值（1990年）的1/3，為400萬噸/年，大量企業(yè)從鋼骨事業(yè)中退出。近年來，不僅從事抗震技術(shù)的人員減少，隨著需求見頂，從事建筑業(yè)的人員也有減少的趨勢。但在提高抗震性、工程省力化、短工期、結(jié)構(gòu)建筑長壽化、基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)化、減排CO2等方面均存在著需求。鋼鐵生產(chǎn)及二次加工企業(yè)相繼開發(fā)了與鋼材自身?xiàng)l件相對應(yīng)的施工方法。
東日本地震后面臨的新課題
2011年發(fā)生的日本大地震中，地震及其引發(fā)的海嘯都造成了損失。根據(jù)日本鋼鐵聯(lián)盟的統(tǒng)計，鋼鐵結(jié)構(gòu)的建筑盡管由于地震產(chǎn)生了加固筋等材料的壓曲、斷裂以及與RC結(jié)構(gòu)連接部位的損壞，但梁柱等主要結(jié)構(gòu)部件未受到大的破壞。同時注意到了體育館、劇場的屋頂、外裝修材料等非結(jié)構(gòu)性部件的損壞。針對這類損壞，目前正在推進(jìn)防止屋頂材料落下的技術(shù)基準(zhǔn)的制定。以東日本大地震為契機(jī)，地震長期存在這一問題意識得以推廣。
另一方面，盡管有報告稱在海嘯中鋼結(jié)構(gòu)建筑也和其他材料同樣出現(xiàn)了位移、沖毀、翻倒等損壞形態(tài)，但更多報告表明，當(dāng)海嘯襲來時，外裝材料破損、沖毀后，作為結(jié)構(gòu)體的鋼骨結(jié)構(gòu)保存下來。以此為根據(jù)，確定海嘯避難場所指定原則并進(jìn)行進(jìn)一步研討。
應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減災(zāi)
在強(qiáng)大的自然面前，“如何把損失降到最低”的重要性正在加強(qiáng)。日本鋼鐵聯(lián)盟提出了關(guān)于新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、巨大海嘯應(yīng)對策略、鋼結(jié)構(gòu)防災(zāi)點(diǎn)建筑、長壽建筑、采用高強(qiáng)鋼降低鋼材重量以及減排CO2等各種思路。
1）新結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是通過使用強(qiáng)度為傳統(tǒng)鋼2倍的鋼材“H-SA700”和制振結(jié)構(gòu)，避免部件的塑性化。據(jù)稱，即使發(fā)生7級以上的大地震，主體結(jié)構(gòu)部位也可無損傷，可確保人身安全和震后各項(xiàng)業(yè)務(wù)的繼續(xù)開展。
2）巨大海嘯應(yīng)對策略包括采用高強(qiáng)鋼增設(shè)加固街區(qū)、建設(shè)海嘯避難塔，實(shí)現(xiàn)柱材直徑的最小化和減少柱材根數(shù)等。海嘯避難塔是由方鋼管柱和H型鋼組成的輕量化、抗震、抗海嘯結(jié)構(gòu)。
3）鋼結(jié)構(gòu)防災(zāi)點(diǎn)建筑是采用超過預(yù)想海嘯強(qiáng)度的獨(dú)立支柱（Piloti）結(jié)構(gòu)，避免海嘯破壞力的建筑。Piloti柱采用具有高屈服強(qiáng)度、高剛性的混凝土填充鋼管（CFT）結(jié)構(gòu)，上部為采用控制壓曲拉條的制振結(jié)構(gòu)。抗震性好的鋼結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輕量化，結(jié)合Piloti結(jié)構(gòu)，能夠降低地震的影響。
建筑用鋼及鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展方向
人類生活和社會的變化都會導(dǎo)致對鋼結(jié)構(gòu)要求的變化，可實(shí)現(xiàn)大空間的鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用正在擴(kuò)大。在建筑行業(yè)人力短缺的背景下，鋼結(jié)構(gòu)施工方面也出現(xiàn)了新的動向。如通過實(shí)現(xiàn)鋼骨材料的標(biāo)準(zhǔn)化而縮短工期的系統(tǒng)化建筑近來發(fā)展迅速，由于可比現(xiàn)有的施工方法實(shí)現(xiàn)省力化而獲得青睞。
在地震大國日本歷經(jīng)多次災(zāi)害，才造就了先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)。為了避免海嘯、地震、臺風(fēng)等造成的災(zāi)害重演，這項(xiàng)技術(shù)有必要在世界范圍內(nèi)普及。而作為構(gòu)成建筑物的建筑用鋼，起著重要的支撐作用。
另外，在熊本地震中又出現(xiàn)了新的課題，當(dāng)時發(fā)生了地震和余震均為7級以上大震，因此如何應(yīng)對數(shù)次大幅度震動，將是今后鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域要面臨的課題。
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