【技术前沿】建筑用热轧H型钢应用现状和展望

  建筑用H型钢一般来说包括如下几个种类：1）热轧H型钢：具有尺寸精度高，生产高效、低耗，综合成本低，残余应力小，工期短等优点；但产品规格固定，截面灵活性差，用钢量稍大，非常用规格采购周期长等特点。2）焊接H型钢：具有截面尺寸可按用户想要定制，断面变化灵活等优点；但切割、焊接金属消耗大、生产的效益低；外形和质量不易保证；残余应力大等缺点。3）高频焊接H型钢：具有焊接速度快、热影响小、容易控制变形、可焊接不一样的材质组合的H型钢等优点；但只适用于小型断面。4）波纹腹板H型钢：腹板用压型钢板，提高腹板的局部稳定性能，用作梁构件，能节约钢材；但不适用于受压构件、受拉构件；不能直接承受动载；且焊接连接复杂。

  2020年8月住建部等九部门联合印发的《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》提出，要加大热轧 H 型钢、耐候钢和耐火钢应用；2021年3月发布的《中华人民共和国国民经济与社会持续健康发展第十四个五年规划和2035年远大目标纲要》提出，要推广绿色建材、装配式建筑和钢结构住宅，建设低碳城市。

  热轧H型钢是高性能绿色建材，符合国家政策、行业发展趋势，该产品具有如下优点：

  从中国钢结构协会发布的近十年钢结构工程中消耗的各类钢材占比数据分析来看，建筑钢结构钢材料消费仍以板材为主，占比一直在60%以上，热轧型钢应用增长缓慢，占比偏低，仅为14%-19%（见图1），远低于发达国家40%-50%的占比。整体看，钢结构工程中消耗的钢材仍以板材为主，型钢应用占比偏低；组合断面焊接量大，无形中增加了钢结构制作的完整过程的焊接量和成本，不符合可持续发展要求。

  从我国钢结构厂近五年的H型钢使用情况的调研结果来看，建筑钢结构中，目前Q355级H型钢用量占绝对多数，占比达99%左右，这与热轧H型钢产品生产中Q235的产量占多数（60%）形成极大反差。因此，热轧H型钢要向高强度发展、并加大其在建筑行业的推广应用。

  从数量上看，目前我国热轧H型钢年用量约300万吨，预计2025年热轧H型钢用量将达到1320万吨，约占钢结构用量的12%。

  从执行标准来看，与先进国家相比，我国现行的热轧H型钢标准，从产品规格范围、型号规格数量已达到国际领先水平，但是重量、外观尺寸允许偏差的控制方面尚待改进。

  当前，建筑用热轧H型钢面临的主体问题是供需脱节。钢结构产业未来发展空间很大，与双碳减排政策吻合，但目前热轧H型钢产品质量标准与钢结构工程应用标准仍存在不协调、不融合的方面，亟需整合，迫切地需要适用于建筑工程的热轧H型钢的标准。

  第一，热轧H型钢产品质量标准与工程标准在容许误差、宽厚比等指标方面不协调。例如，部分宽翼缘、薄壁热轧H型钢的翼缘宽厚比不满足抗震设计的基本要求；有些误差控制在产品质量标准中没有要求，可能会引起满足钢铁产品要求的构件不满足钢结构实施工程质量验收标准而无法验收。

  第二，品种单一。目前国内H型钢厂仅停留在完成H型钢的生产，对于产品的再开发全部由产业链下游的钢结构制作厂完成，易造成能源浪费、造价高、产品质量良莠不齐。

  第三，建筑结构设计人员由于长期的设计习惯，普遍对热轧H型钢的应用和优势不熟悉，相关的设计软件和钢结构连接应用手册也不够方便易用，从设计源头上阻碍了热轧H型钢的推广应用。

  1）加强钢材-设计-制作-安装产业链的相互联系，实现产品构件化、标准化。产品构件化是热轧H型钢最大的优势，钢厂只需把产业链向下适当延伸，进行简易深加工，把钢结构构件上的螺栓孔、简易连接板在钢厂完成，以构件直接交付。钢铁产品还可以延伸到制作长圆孔蜂窝梁、方形孔蜂窝梁、变高度蜂窝梁等各种高效蜂窝断面。

  3）研发全装配式钢结构节点及结构体系。包括连接刚度可调的且可快速装配的标准化梁柱刚性、半刚性及铰连接节点及相应的结构体系。并借鉴日本、美国等成熟的装配式节点连接方法。

  4）建立互联营业销售平台，方便设计选用和施工采购，解决供需不对口，满足工程需要。

  其一，提供钢结构装配式住宅的热轧H型钢解决方案。①减少相关成本：热轧H型钢代替焊接H型钢，避免了下料、组立、焊接、矫正等工序造成的机械成本、人力成本及耗材成本。采用热轧H型钢十字柱代替焊接箱型柱，降低焊接难度和成本。②设计适合钢结构的大空间户型，灵活隔断，满足户型灵活变化的要求。③采用全装配式节点 ，梁柱采用全螺栓代替焊接，缩短工期。

  其二，优化常用产品系列标准，整合钢铁产品质量标准与钢结构工程标准。近几年推出的《建筑用热轧H型钢》JG/T 581-2022、《热轧H型钢设计应用手册》、住建部《钢结构住宅主要构件的尺寸指南》等将对热轧H型钢的应用起到推动作用。在住建部产品质量标准《建筑用热轧H型钢》中，依据建筑应用特点整合了热轧H型钢规格的品种数量；增加了钢材检验项目和取样；协调了国际及国内钢结构实施工程质量检验收取规范允许误差（尺寸外形），如增加腹板波浪和翼缘波浪检验，增加截面扭转变形检验等。

  其三，按照少规格多组合的原则加强产品系列设计研发，提供适用于装配式建筑标准化节点解决方案。如，实现H型钢截面的标准化与系列化，基于现有辊系，保持内高Hw、内宽bf、r不变，调整t1、t2值，H和B值联动形成系列，实现少规格、多组合；加强截面优化研究，得到经济合理的热轧H型钢及其组合截面，列出梁和柱的承载力选用表、节点表、标准图集，供设计直接采用；加强重型热轧H型钢的承载性能研究；加强截面衍生研究，如圆孔蜂窝梁、六边形开孔蜂窝梁、八边形开孔蜂窝梁等。

  （中国钢结构协会专家委员会副主任、中冶建筑研究总院有限公司副总工程师 吴耀华）