日本建筑用钢及钢结构的发展

2016-08-11 16:28 钢构之窗 系统管理员

    在建筑领域，钢材发挥着巨大作用。日本的钢骨结构动工面积占总使用面积的30%-40%左右，远超其他国家钢骨结构所占比例。钢结构被应用于各种大型项目中，5层以下的低层建筑物按开工的使用面积计算，已超过总体的90%。在桥梁领域，也有如东京门户大桥这种特殊的钢桥。可确保钢骨品质和抗震性能的钢材，是建设安全、放心的社区不可或缺的因素。本文将对日本建筑用钢及钢骨结构的演变及其相关环境背景进行介绍。
从黎明期到发展期
    以1868年建设“铁桥”为开端，钢结构已经成为轨道等基础设施中不可缺少的存在。各地诞生了众多的钢铁厂，钢铁技术逐步推广。随着战后日本复兴开始，各地对钢铁的需求迅速扩大。在经济高速增长、东京奥运会等日本国内发展势头强劲的背景下，相继建成了东京塔、首都高速公路、琵琶湖大桥等著名建筑物。
    建筑钢材也根据不同的用途，出现了各种新品种。从1955年出现轻型型钢开始，相继开发出了如辊压H型钢（1961年）、超厚H型钢（1964年）、冷成型方钢管（1969年）等，目前被普遍采用的建筑用钢的基础钢种，基本上都产生于这一时期。
    这些建筑用钢投入应用后，不仅增加了建筑物的跨度，提高了空间的自由度，还便利了未来的设计变更，而工厂制作使现场施工量减少，从而缩短建设工期。
    追求抗震性的开始
    钢结构本身具有较强的抗震性能，在此基础上，受1978年宫城县近海地震的启示，开始实施新的抗震设计法，进一步发挥出建筑用钢的作用。随后，在基于土地神话的泡沫经济期，各地相继竣工了大量高层建筑。1990年的钢骨加工量达到1200万吨以上，迎来了最高峰，钢材领域也迅速开始着手提高抗震性的研究。当时，各种符合新抗震设计法要求的钢材被开发出来。不会损坏的主体结构与高强度的设计理念结合而开发出的钢材包括SN钢材、建筑结构用冷成型方钢管（Column、BCR、BCP等）、高强钢（590MPa）、TMCP钢、建筑结构用低屈服点钢等。
    SN钢材作为可吸收地震能量的建筑结构用钢材，同时还兼备良好焊接性的优势，被收录于1994年颁布的建筑结构专用的JIS标准中。
    作为钢骨结构柱材普及的大口径方钢管（Column）也具有抗震性。BCR （辊压成形） 和BCP （冲压成形）均与SN钢材具有相同的品质，并获得了国土交通省的认证。作为建筑钢骨的柱材使用时，规定其品质需相当于SN钢材的B种。BCP还有相当于C种的标准，在梁柱接合部位采用内隔板的形式用于柱体。
    应对社会发展的多样化需求
    在高度经济成长期和泡沫经济期，在钢骨结构普及的同时，不仅对抗震性，而且对加工便利性、施工性等方面提出了要求。590MPa钢为高强钢的一种，可实现钢材减重和CO2排放量降低，且与SN钢材同样具有80%屈强比上限，可确保部件的塑性变形能力。无论板厚如何，强度一定，通过将碳当量控制在低位，可确保较高的焊接性。建筑结构用低屈服点钢用于使地震能量集中在制振结构中。与普通钢材相比，590MPa钢屈服点低且波动小，延展性能突出。由于具有这些特性，590MPa钢适用于滞后减震。外部尺寸固定型H型钢可应对高层大厦、大型桥梁（如明石大桥等）等多种设计手法。
    阪神淡路大地震的影响
    1995年发生了阪神淡路大地震。通过从地震中汲取的教训和积累的钢结构相关知识，开发了面向未来的新技术。回顾阪神大地震发现，钢结构建筑也有受损的情况。大致上印证了1981年制订的新抗震设计法的正确性，同时发现了由于焊接问题导致的接合部位的损坏问题。受此启发，在2000年建筑基准法的修订中，追加规定了接头和榫接部位的构成方法。
    在金融危机后的2009财年，钢骨的需求降至峰值（1990年）的1/3，为400万吨/年，大量企业从钢骨事业中退出。近年来，不仅从事抗震技术的人员减少，随着需求见顶，从事建筑业的人员也有减少的趋势。但在提高抗震性、工程省力化、短工期、结构建筑长寿化、基础设施强化、减排CO2等方面均存在着需求。钢铁生产及二次加工企业相继开发了与钢材自身条件相对应的施工方法。
    东日本地震后面临的新课题
    2011年发生的日本大地震中，地震及其引发的海啸都造成了损失。根据日本钢铁联盟的统计，钢铁结构的建筑尽管由于地震产生了加固筋等材料的压曲、断裂以及与RC结构连接部位的损坏，但梁柱等主要结构部件未受到大的破坏。同时注意到了体育馆、剧场的屋顶、外装修材料等非结构性部件的损坏。针对这类损坏，目前正在推进防止屋顶材料落下的技术基准的制定。以东日本大地震为契机，地震长期存在这一问题意识得以推广。
    另一方面，尽管有报告称在海啸中钢结构建筑也和其他材料同样出现了位移、冲毁、翻倒等损坏形态，但更多报告表明，当海啸袭来时，外装材料破损、冲毁后，作为结构体的钢骨结构保存下来。以此为根据，确定海啸避难场所指定原则并进行进一步研讨。
应用钢结构实现减灾
    在强大的自然面前，“如何把损失降到最低”的重要性正在加强。日本钢铁联盟提出了关于新结构系统、巨大海啸应对策略、钢结构防灾点建筑、长寿建筑、采用高强钢降低钢材重量以及减排CO2等各种思路。
    1）新结构系统是通过使用强度为传统钢2倍的钢材“H-SA700”和制振结构，避免部件的塑性化。据称，即使发生7级以上的大地震，主体结构部位也可无损伤，可确保人身安全和震后各项业务的继续开展。
    2）巨大海啸应对策略包括采用高强钢增设加固街区、建设海啸避难塔，实现柱材直径的最小化和减少柱材根数等。海啸避难塔是由方钢管柱和H型钢组成的轻量化、抗震、抗海啸结构。
    3）钢结构防灾点建筑是采用超过预想海啸强度的独立支柱（Piloti）结构，避免海啸破坏力的建筑。Piloti柱采用具有高屈服强度、高刚性的混凝土填充钢管（CFT）结构，上部为采用控制压曲拉条的制振结构。抗震性好的钢结构可实现轻量化，结合Piloti结构，能够降低地震的影响。
    建筑用钢及钢结构发展方向
    人类生活和社会的变化都会导致对钢结构要求的变化，可实现大空间的钢结构的应用正在扩大。在建筑行业人力短缺的背景下，钢结构施工方面也出现了新的动向。如通过实现钢骨材料的标准化而缩短工期的系统化建筑近来发展迅速，由于可比现有的施工方法实现省力化而获得青睐。
    在地震大国日本历经多次灾害，才造就了先进的钢结构技术。为了避免海啸、地震、台风等造成的灾害重演，这项技术有必要在世界范围内普及。而作为构成建筑物的建筑用钢，起着重要的支撑作用。
    另外，在熊本地震中又出现了新的课题，当时发生了地震和余震均为7级以上大震，因此如何应对数次大幅度震动，将是今后钢结构领域要面临的课题。
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