新型鋼材在東京晴空塔的案例分析

    日本東京的晴空塔是世界上最高的自立式電波塔，晴空塔不僅高度大，而且高寬比也大，所以地震、風暴發生時，作用在塔的鋼部件斷面上的力也變大。因此要採用高強度大斷面鋼材，並且鋼結構的工廠製作和現場製作都要採用焊接接合方法。東京晴空塔主要的鋼管部件是厚板彎曲加工的UOE鋼管、壓彎鋼管、輥壓鋼管等高強度圓形鋼管。為保證良好的焊接性，晴空塔用圓鋼管的焊接裂紋敏感性參數Pcm≤0.30%、YR≤95%。東京晴空塔的高強度圓形鋼管用屈服強度630MPa級厚鋼板採用離線淬火（根據需要為兩相區淬火）-回火或用兩相區正火代替兩相區淬火的工藝製造，導入了比回火馬氏體和回火貝氏體更硬的島狀馬氏體硬質相，使鋼板低YR化，實現了低Pcm。

1前言

    日本是地震多發國家，在經歷了多次大地震後，通過對地震中損壞建築物的調查和研究，闡明了鋼材及其結合材料的抗震要求性能。近年來隨著鋼材製造和接合技術的進步，促進了達到抗震要求的建築結構鋼材符合日本工業標準（JIS），並開發出具有優良抗震性能的新型鋼材。

      東京晴空塔是世界上最高的自立式電波塔。東京晴空塔在建造中採用了基於先進位造技術的鋼材和接合技術，於2012年2月竣工，同年5月開始營業使用。本文對東京晴空塔採用的高強度特厚新鋼材的特點和製造方法進行簡要介紹。

2東京晴空塔概要

      東京晴空塔塔體中央是直徑8m的鋼筋混凝土圓筒形心柱。心柱外側是圓鋼管構成的桁架結構。塔體頂部是裝有天線的增益塔。東京晴空塔的結構概要如圖1。心柱和外圍的桁架兩部分分離，形成制振結構，地震發生時，心柱和桁架分別晃動降低了塔整體的晃動程度。

    塔的基礎是邊長為68m的平面正三角形，從基礎向上直到315m高處逐漸變化為圓形。正三角形基礎的各個角部是由4根主柱構成的鼎形桁架。這三個鼎形桁架由水平面結構連接起來。

3東京晴空塔採用的新型鋼材

3.1晴空塔用鋼要求

      晴空塔設計保證了大地震、大風暴發生時的安全性。這些大地震、大風暴級別是常規高層建築設計中沒有考慮到的。東京晴空塔、艾菲爾鐵塔、東京塔採用的主材料和接合方法見圖2。艾菲爾鐵塔的高寬比（塔高度/塔寬度）是3，而東京晴空塔的高寬比非常之大，達到9。由于晴空塔不僅高度大，而且高寬比也大，所以地震、風暴發生時，作用在塔的鋼部件斷面上的力也變大。因此要採用高強度大斷面鋼材，並且鋼結構的工廠製作和現場製作都要採用焊接接合方法。根據上述分析，晴空塔的鋼管部件的性能要求如下。

1）高強度化：400MPa、500MPa、630MPa級高屈服點；

2）大口徑特厚鋼管：鋼管最大壁厚100mm、最大外徑2300mm；

3）高韌性：滿足室外、高空的使用環境；

4）高焊接性：現場焊接時的低預熱溫度。

      為達到地震、風暴時塔部件保持在彈性範圍的要求，晴空塔用材不要求滿足一般建築結構鋼的屈服點YR≤80%、圓鋼管YR≤85%的低屈強比要求。

為了對特大口徑圓鋼管進行現場焊接，對鋼管斷面尺寸的要求，大大高於通常的JIS G3475「建築結構用碳素鋼管STKN」要求。

       表1是東京晴空塔使用的屈服點為400MPa、500MPa、630MPa級高強度圓鋼管的有關數據。與常規的圓鋼管STKN490B相比，晴空塔用圓鋼管的夏比衝擊功高（vE0℃≥70J、630MPa級鋼管vE0℃≥47J）。並且為保證良好的焊接性，晴空塔用圓鋼管的焊接裂紋敏感性參數Pcm≤0.30%。但晴空塔用圓鋼管的YR≤95%。各鋼材生產廠為了生產滿足這些要求的晴空塔用鋼，取得了國土交通大臣的認定。

                  

      表2是東京晴空塔塔體用的鋼結構材料及其使用部位。最大的圓形鋼管（圖3）用於鼎形桁架的基礎。鋼管外徑2300mm、壁厚100mm、屈服點500MPa級。由於從製造廠到施工現場鋼管部件運輸的制約和施工現場起重能力的制約，鋼管部件重量限制在30噸以下。增益塔底部與塔體的接合部使用的是屈服點630MPa級高強度鋼管。

        

3.2高強度圓鋼管的製造方法

      按照製造方法，圓鋼管包括：不用焊接的無縫鋼管、以熱軋帶鋼為原料的電焊鋼管、螺旋焊管、以厚鋼板為原料的用焊接方法製造的UOE鋼管、壓彎鋼管、輥壓鋼管。

           

       東京晴空塔主要的鋼管部件是厚板彎曲加工的UOE鋼管、壓彎鋼管、輥壓鋼管等高強度圓形鋼管。圖4是UOE鋼管和壓彎鋼管的製造方法。

        UOE鋼管的製造法是，將厚鋼板按規定寬度切斷、加工坡口後，在U形成形機上將鋼板衝壓成U形，再用O形成形機將鋼板製作成O形，然後對坡口進行內外面焊接。焊接後用擴管機將鋼管擴逕到規定的鋼管尺寸。

      壓彎鋼管、輥壓鋼管是UOE及其他方法製造存在困難的大口徑厚壁鋼管。壓彎鋼管的製造法是，將厚鋼板按規定寬度切斷、加工坡口，然後，用衝壓機將鋼板端部彎邊後衝壓成形成圓筒形，並將坡口焊接起來。根據板厚和外徑情況，壓彎鋼管的製造方法有，冷成形和將鋼板在加熱爐中加熱到規定溫度後進行成形的溫間成形和熱成形。

輥壓成形鋼管的製造方法是，用壓輥將鋼板成形為圓筒形，之後的製造方法與壓彎鋼管制造方法相同。

        鋼管成形後，有時為達到最終的力學性能要求，要將鋼管裝入加熱爐，按規定溫度進行加熱、均熱和冷卻的消除應力處理（SR處理）。

3.3高強度圓形鋼管用厚鋼板的組織控制

   普通建築結構用抗拉強度490MPa級厚鋼板，採用常規軋制方法，以軋制狀態使用。490-590MPa級（TMCP325-385）特厚鋼板採用控制軋制。

End

 

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