汲江涛
中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西省西安市 710043
摘要：随着我国经济、科研水平的发展，我国重工业正在逐步实现现代化、高新化。钢铁工业的发展进程也很快。不仅是重工业，建筑业的发展也极快，形态各异的建筑以及超高层建筑也出现在了城市之中。为提高建筑物的安全性、抗震性、美观度，建筑钢结构已经融入了城市的角角落落。钢结构本身的轻质高强、低成本、短工期等特性也为建筑行业带来了新的活力，我国不管是政策推广还是业内的重视都与日俱增。鉴于此，本文主要分析建筑新型钢铁材料。
关键词：建筑工程；新型钢铁材料；环保
中图分类号：TU756 文献标识码：A
1、引言
探析建筑新型钢铁材料具有重要现实意义，很大程度上推动了建筑行业的发展。在城市发展过程中出现了大量高层建筑，为了提升建筑的安全性、抗震性、美观性等，要有效地运用钢结构。新型钢铁材料是为建筑行业发展服务的，所以要对实际情况分析，明确钢材研发方向，更好应用到建筑工程中去，对于提高质量具有重要意义。
2、概述
近年来，随着建筑钢结构的发展，为求保证建筑的安全性、经济性以及对于空间的充分利用以及建筑外观的造型要求，建筑业对于新型钢结构的性能需求也变得多样化。钢铁产业为此投入了大量的人力物力，用于研发高性能结构用钢，并为这类钢材附加了很多规格外的性能保障。钢结构耐火性能一直是结构可靠性的重要因素，而传统常规的钢结构耐火性能都比较差，一般是采用耐火涂料来加强钢材的耐火性，但耐火被覆的成本过高。
3、建筑新型钢铁材料分析
3.1、高频焊H型钢
高频焊H型钢具有特殊的对称性结构，基于这个特点，构件在拼接和安装过程中非常方便，显著提升了施工效率，降低了操作难度，可以在更短时间完成，缩短了工期。相比较于传统钢铁材料，高频焊H型钢质量较轻，在相同承载能力的情况下，可节约钢材10%～15%，节省了资金投入和人力成本。高频焊H型钢减少了混凝土使用，简化了施工程序，避免了空气污染、环境污染和噪音污染，符合可持续发展理念。
3.2、耐火结构用钢
钢结构耐火性是材料的重要指标，传统钢结构耐火性能比较差，对建筑的安全性有较大影响。常用的防火方法是喷涂耐火涂料，以此来加强钢材的耐火性，虽然可取得一定成效，但钢结构成本增高。
首钢集团以合理的控轧控冷工艺，并通过实验室冶炼和轧制，以低C-Mn为基体，并与钼、铜、铬和镍等元素合金化，研发了Q460级别耐火结构用钢。通过对其进行力学性能、耐火性能检验和分析，结果表明，Q460在600℃保温3h耐火性能良好，完全能满足高性能结构用钢的要求。南京钢铁集团设计了一种新型的低钼耐火钢的轧制工艺，其所有性能均优于同等级耐火钢的要求。在600℃的高温下，强度可以达到室温强度的70%，恒定负载280MPa下的耐火极限温度约为700℃，具有良好的防火性。
3.3、低屈服比结构用钢
钢材的屈服比是钢材屈服强度与抗拉强度之间的比值，钢材屈服比的大小能够反映钢材在进行塑性形变时应变不会过于集中的性能。结构用钢其本身的屈服比YR、屈服点拉伸EL、均匀伸缩：
Eu=exp(n)-1=nln(1/YR)=ln(ln(n)-1)+ln(1+EL)-nln[ln(1+EL)]
以上两式中可见钢材的屈服比越低，钢材的均匀伸长率也就越高，均匀伸长率的提升直接导致了材料在受到破坏前的稳定塑形能力的提高。这样纵然是结构局部产生失稳等状况时，也不会发生突发情况最后导致倒塌或断裂。
而通过对于结构的分析，假设长度为L的梁在受到地震作用下所产生的等梯度力矩M，那么梁在收到破坏之前能够扩散的塑形应变范围为：
LP=(1-YR)*L/2
从上式中可以发现，钢材的屈服比越低，钢材的塑性变形分配的就越是均匀，这样就能够避免结构受集中力作用产生突发变化，导致结构的脆性破坏。
4、铁材料的未来发展分析
工业社会基础材料必须具备的三个条件：(1)原材料易开采，且广泛存在；(2)主元素或主成分可以回收再生产，实现循环；(3)潜在性能要足够宽，例如既可以做成高强度材料，又可以做成韧性材料。
第一条是为了满足规模性和经济性的要求，这是成为基础材料被广泛使用的前提；第二条是为了满足可持续使用的要求，如果无法循环再利用，势必会形成资源恐慌和枯竭，进而不满足第一条；第三条是为了使基础材料可以在各个行业各种场景下都会被使用，不同应用场景下对材料性能的要求往往天差地别，具备足够宽泛的潜在性能是使其被广泛使用的必要条件。
4.2、不同类型材料的对比筛选
首先，按照基础材料的必要条件第一条进行筛选，查阅地球上各元素的含量。若依质量分数来排序地壳中元素含量的丰富程度，前8位分别是氧(46.6%)、硅(27.7%)、铝(8.1%)、铁(5.0%)、钙(3.6%)、钠(2.8%)、钾(2.6%)、镁(2.1%)；若考虑包括地幔及地核的整个地球进行排序，则含量最丰富的元素前8位分别是铁(32.1%)、氧(30.1%)、硅(15.1%)、镁(13.9%)、硫(2.9%)、镍(1.8%)、钙(1.5%)、铝(1.4%)。将二者取并集，有可能作为单质基材的元素有氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、硫、镍共10种元素。日常广泛存在的碳元素并不在其中，这也间接决定了通过石油化工或煤化工生产的碳化工材料难以作为被整个工业社会广泛使用的基础材料。
然后，通过元素周期表，对这10种元素进行第二步筛选，可以将其分成三类。
第一类是硅、铝、钙、钠、钾、镁。这6种元素具有较强还原性，以至于生产过程以电解法为主，或者需要以更强的还原剂置换还原。这一类元素只能进行还原操作的提炼工艺，决定了此类单质基材型材料一旦掺入其他元素则在重复利用的过程中几乎无法分离。这也是为什么铝合金、镁合金的综合性能比钢铁材料要好，并且已经被很多领域使用，但依然难以成为循环材料，进而完全代替钢铁材料的原因。
第二类是氧、硫。这两种元素本身无法制作成基材材料，在常温常压下，一个是气态，一个是固态粉末状或块状，可以直接排除。
第三类是铁、镍。从基础材料的必要条件来看，镍是惟一有可能代替钢铁材料的金属材料，三个条件都满足，只可惜储量有限。从储量数据可以看出，地球上大量的镍主要储存在地球深层，地表矿非常稀缺，真正可采储量仅占总储量的10%。由此看来，在发明太空采矿和地心采矿之前，镍元素也并不满足工业社会基础材料要求的第一条。
5、结束语
进入到新时期内，国家提高了对钢结构产业的重视程度，并颁布了相关政策，为钢结构产业发展提供了支持。钢铁作为建筑的重要材料，要不断加强技术研发，进一步优化材料性能，更好地服务于建材市场，在建筑工程中要发挥出新型钢铁材料的作用，不断提高建设水平，延长工程使用年限，提升整体经济效益。
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