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中国钢材在新加坡钢结构工程中应用
中国钢材在新加坡钢结构工程中应用
新加坡原是英联邦成员之一，1957年脱离英联邦，于1965年独立。独立后的新加坡共和国经济快速发展，建设工程规模不断扩大，英国、欧盟、美国、中国、日本广泛参与了新加坡的建设。
1990年~1992年，中国京冶工程技术有限公司（以下简称中国京冶）承建了新加坡PSA码头仓库。该工程由两个120米×120米、两个120米×90米的悬挂式空间网架组成，总建筑面积为6万平方米，网架在现场组装并整体提升到位。
1997年~1999年，中国京冶建造了新加坡国际会展中心。新加坡国际会展中心共设八个展区，每个展区面积为100米×100米。屋盖为大跨度梭形桁架，桁架弦杆采用钢管，腹杆为H型钢，现场组装后整体吊装。按设计要求，桁架杆件钢材牌号为S355J2G3，次构件钢材牌号为S355J0，总用钢量为8000吨。钢材全部按英国标准生产，由英国钢铁联盟供货。
2008年~2010年，中国京冶承建了新加坡圣淘沙名胜世界工程，有119个单体为钢结构建筑，结构类型多样，有型钢混凝土组合柱及大跨度箱型桁架结构、铰接柱脚空间支撑结构及大跨度轧制H型钢桁架和悬挑桁架结构、各类曲线曲面圆管和方矩管屋顶结构，造型奇特的钢管及索膜结构（ETFE或PTFE）。所用钢材品种有热轧钢板、热轧型钢（H型钢、槽钢、角钢、钢棒）、热轧无缝钢、冷成型方矩管、直缝焊管、不锈钢拉索及拉棒、栓钉、镀锌压型板和彩涂钢板等，除高强度连接螺栓和锚栓在现场采购外，全部使用中国国产钢材。总用钢量约2.4万吨。中国钢材的性能和质量完全满足设计和建造要求，工程建设速度和施工质量也得到业主和国际同行好评。
由于历史原因，新加坡在钢结构建筑工程中一直沿用英国钢结构设计规范BS5950。为适应国际化发展要求，新加坡建设局于2008年颁布了《DesignGuideonuseofAlternativesteelMaterialstoBS5950》（以下简称BC1），对那些不是按英国标准生产的钢材，如果要在按BS5950标准设计的结构中替代应用，就应遵照BC1规定的流程评估并进行钢材分级，以保证钢材质量能可靠地应用于BS5950的结构设计。在BC1中，英国/欧洲标准、美国标准、日本标准、澳大利亚/新西兰标准和中国标准已得到认证。对于已认证的中国标准和已认证的钢材产品，其力学性能、化学成分、表面质量、尺寸偏差等判别是否合格将以中国标准为准，BC1和基于BS5950要求的检测项目和检测数据，将记录在钢厂产品质量证明书和复检报告中，以供参考。
二、BS5950替代钢材设计指南（BC1:2008）介绍
⑴BC1:2008设计指南发布的背景和意义、
BC1:2008设计指南作为按照英国BS5950规范设计和加工时钢材替换的实施规程。根据BC1:2008设计指南，对于那些非BS5950规范中指定的钢材应该设置或取消一定的限制条件。
BC1:2008设计指南的目的是，不论加工的钢材符合何种标准，只要性能合适和质量可靠的钢材即可在钢结构设计中运用，从而保证公共安全。
BC1:2008设计指南仅为按照BS5950规范进行的结构设计给予指导，从而只适用于设计阶段。在指南的起草阶段就已经假定BC1:2008指南的执行必须委托适当的人根据相关规范控制钢结构的材料、加工和安装。
BC1:2008作为实施规程，承担建议和指导的作用。毫无疑问，它只是作为一个技术规程，在引用时必须非常谨慎，以确保各项要求没有被误用。对于BC1:2008设计指南以外的建议可以参考BS5950规范各部分。
BC1:2008设计指南并非旨在包含合同中所有必备条款，使用者应该对它们的正确运用负责。
①适用范围：根据设计指南中的条款，非英国标准生产的替代钢材可以在基于BS5950标准的结构设计中采用。为了保持其一致性，这份设计指南简述了对所有的钢材的性能要求和质量保证要求，包括基于英国标准生产的并打算按照BS5950标准进行使用的钢材。
②替代钢材：所谓替代钢材是那些不是按照英国标准生产的，在BS5950标准内容中未涵盖的钢材。因此，如果要在BS5950标准设计中采用替代钢材，那么应该根据BC1:2008设计指南中有关替代钢材分级中介绍的内容，考虑各种可替换钢材的建议和限制来使用。
③经过认证的钢材：是能够在新加坡采购到的，并且是按照下面5个国际标准中的一个来生产的可替换钢材。这5个国际标准是英国（BS/EN）、美国（API/AST&AWS）、日本（JIS）、澳大利亚（AS/NZS&AS）、中国（GB）。其工厂生产规程通过严格的评价已经证明能符合基本材料性能的要求。但并不是所有上述5个国际标准生产制造的可替换钢材，都在经过认证的钢材中，只有那些符合本指南规定的性能要求的才引入其中。
⑶BC1:2008主要内容BC1:2008分引言、钢材性能要求、钢材质量保证要求、可替换钢材的分级、设计建议等5章以及附录A：认证钢材目录、附录B：钢材性能试验、附录C：钢结构设计与钢材标准等内容。
⑷替换钢材的分级
可替代钢材的分级全过程应遵循材料测试（材料试验）采购前进行的试验，为认证而做；材料检验（测试验证）采购后进行的试验，为现场复验（应注明钢材数量、批文、炉号）。
进入材料测试流程的三种情况，一是已列入BCI材料目录，但生产厂商未进行工厂生产控制的第三方认证；二是未列入BCI材料目录，已通过工厂生产控制的第三方认证；三是未列入BCI材料目录，也未进行工厂生产控制的第三方认证。
可替代钢材应该在对钢材的性能要求和质量保证要求的验证的基础上进行1级、2级、3级的分级，分成3级。其定义如下：第一，1级可替代钢材。1级可替代钢材是按照被批准的质量保证体系所生产出来的认证的钢材。只有那些根据生产商提供的质量保证证书，属于经过认证了的材料目录中的材料才有资格成为1级可替代钢材。第二，2级可替代钢材。2级可替代钢材是那些未列入BCI认证材料目录，但通过材料测试，满足材料性能要求，并且按照批准的质量保证要求生产出来的钢材。没有列入经过认证了的材料目录中的材料，根据生产商提供的质量保证证书，只能有资格成为2级可替代钢材。第三，3级可替代钢材。3级可替代钢材是那些不能够满足材料性能要求和质量保证要求中的任一个要求的钢材。第四，可替代钢材特例。在提交个案由BCA批准的基础上，如果这种钢材的适用性和可靠性在现场能通过严格的材料控制和测试计划，就有可能被视为2级。作为最低要求：这种书面计划对供货情况和尺寸控制进行100％的目测和无损检测，对所有批次和/或炉号，应经过SINGLAS认可的实验室或/和SINGLAS互认协议认可的其他实验室的100％的材料测试，还应包括一份由独立的专业顾问单位给出的材料合格报告。
三、新加坡认证的中国技术标准和钢材产品
⑴认证的中国标准
以下是中国获得新加坡建设局认可并已列入BC1目录的钢结构设计标准和钢材标准，相关标准均由中国国家标准化管理委员会发布。
①中国钢结构设计标准
GB5《钢结构设计规范》、GB5《薄壁型钢结构技术规范》、JGJ81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》、JGJ82—1991《结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》、
②中国钢材标准
GB/T700—2006《碳素结构钢》、GB/T912—1989《碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带》（已由GB/T912—2008代替）、GB/T《低合金高强度钢》（已由GB/T代替）、GB/T《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带》（已由GB/T代替）、GB/T《高耐候结构钢》（已由GB/T《耐候结构钢》代替）、GB/T《焊接结构用耐候钢》（已由GB/T《耐候结构钢》代替）、GB/T《厚度方向性能钢板》、GB/T《结构用无缝钢管》、GB/T1《钢分类》、GB/T1《钢产品分类》、YB《高层建筑结构用钢板》（已由GB/T1《建筑结构用钢板》代替）。
③中国钢材公差标准
GB/T706—1988热轧工字钢尺寸、外形、重量及允许偏差；GB/T707—1988热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差等。
⑵已认证的中国钢材
以下是中国获得新加坡建设局认可并已列入BC1目录的钢材产品标准，相关标准均由中国国家标准化管理委员会发布。
①已认证的中国钢板
依据相关标准生产的钢材品种有GB/T（已由GB/T《耐候结构钢》代替）、GB/T（已由GB/T《耐候结构钢》代替）等。
②已认证的中国热轧型钢
依据相关标准生产的钢材品种有GB/T（已由GB/T《耐候结构钢》代替）、GB/T（已由GB/T《耐候结构钢》代替）等。
③已认证的中国空心型钢
依据相关标准生产的钢材品种有GB/T700—2006等。淬火加回火钢未认证。
④已认证的用于冷成型的中国钢材
依据相关标准生产的钢材品种有GB/T700—2006等。淬火回火钢未认证。
四、中国钢厂生产过程控制的认证
根据BC1规定，按照上述标准生产钢材的钢厂，应经过独立的国际第三方机构（认证机构）进行必要的检查、评估和测试，履行审查钢厂生产过程责任，即通过工厂生产过程控制认证后就能在新加坡使用。
我国尚未建立钢厂生产过程控制的认证制度，多数钢厂只是应国外用户的要求，对船用板、容器板、海洋平台和油气管线用钢板进行认证，对建筑钢材很少进行国际认证。按BCI规定，对已列入BC1的钢材标准和产品，又经国际认证的建筑钢材在提供质量合格的检测报告后，就可以在国外工程中按中国标准规定的性能指标被设计采用。如果未经过认证，将被降低强度级别及质量等级后才能采用，这势必增加钢材用量加大工程成本，在经济上和技术上均是无法接受的。如果采用进口英国标准钢材，将钢材运回国内加工制作，然后又运往海外工程所在地安装，不仅钢材价格和运输成本增高，还会因钢材轧制周期、船期和海运的不确定性无法控制，难保钢构件的制作、安装工期。若发生漏订、误运钢材，再补订和发运会使工程严重滞后。我国众多钢厂具有健全的质量管理体系，又具备先进的钢材生产设备和检查检测能力，认证工作可以高效顺利完成。
钢厂生产过程控制（以下简称FPC）认证包括11项内容：第一，质量保证体系评估；第二，工程技术控制；第三，采购；第四，进货检验程序；第五，材料搬运和储存；第六，无损检测和力学试验；第七，工具和计量器具的控制；第八，焊工资格及焊接工艺规程；第九，不合格材料控制；第十，不合格产品整改；第十一，工厂生产控制。
建立生产控制体系、编制管理文件，按BC1规定应增加以下7项内容：一是建立原材料准入流程，记录保存原材料性能数据，保证钢材产品质量7年内具有可追溯性；二是建立工厂设备检测保养规程，记录维修保养内容；三是向无损检测人员提供操作规程，并按规程评估产品质量；四是为保证产品质量与标准要求一致，应进行产品试验。在新产品上市前应完成评估产品特性的初型试验，然后对新产品进行常规试验，并按生产部门所接定单提出的标准和附加技术条件进行指定试验；五是产品标识应能全面反映技术性能；六是建立不合格项处置规程，按规程整改并作出书面记录；七是建立客户档案，订单评审记录，质量异议处理及客户满意度调查。
五、中国钢材替代设计原则⑴1级钢材设计强度
只有列入BC1指南目录，又是由FPC认证钢厂生产的钢材，并提供了经授权的测试验证的钢材产品，才能作为1级钢材应用于新加坡建设工程，在按BS5950进行钢结构设计时，可采用生产国钢材标准规定的屈服强度作为设计强度。
⑵2级钢材设计强度
对于那些经FPC认证钢厂生产的，也能提供经授权的测试报告，但未列入BC1指南名录的钢材产品；或者虽已列入BC1指南名录，也能提供经授权的测试报告，但未经FPC认证钢厂生产的钢材，BC1规定列为2级钢材。
2级钢材设计的原则是取附加安全系数1.1，降低其设计强度，即由钢材标准规定的屈服强度除以1.1后才能取为设计强度。
⑶3级钢材设计强度
对于那些既未列入BC1指南材料目录，又是未经FPC认证钢厂生产的，虽然具有测试验证的钢材产品，也只能作为3级钢材使用。
3级钢材不分原材强度高低，其设计强度一律降至最低值。
⑷特例钢材作为已判为3级钢材的特例，在向新加坡建设局提交个案报告被批准的基础上，如果这批钢材在工程现场通过严格检查和测试后，能被证实完全符合钢材标准，就有可能被视为2级钢。
补救措施的最低要求是，测试计划就尺寸公差和内在质量而言，应至少包括100%的目测和无损检测；就所有批次和/或炉号而言，应包括经新加坡试验室认证机构认可或互认试验室100%的材料测试（拉伸、冲击、硬度、焊件拉伸、化学分析），还应提交由独立的有经验的顾问出具的合格报告。
这种挽救处理流程长，要求苛刻，对已处于建设中的工程几乎是不可能办到的。因此，在国外建设工程中，对中国钢材标准的认可和钢厂生产认证应及早办理，增加认证厂家，扩大认证产品范围，同时要以我国钢材生产的先进设备、严密的管理制度和优良的产品品质保证，赢得国外建筑界同行的信赖。
六、中国产钢材在新加坡钢结构工程中应用
新加坡圣淘沙名胜世界工程有119个单体为钢结构建筑，结构类型多样，有型钢混凝土组合柱、大跨度箱型桁架结构、铰接柱脚空间支撑结构、大跨度轧制H型钢桁架、悬挑桁架结构、各类曲线曲面圆管、方矩管屋顶结构以及造型奇特的钢管、索膜结构（ETFE或PTFE）。该工程所用钢材品种有热轧钢板、热轧型钢（H型钢、槽钢、角钢、钢棒）、热轧无缝钢、冷成型方矩管、直缝焊管、不锈钢拉索、拉棒、栓钉、镀锌压型板和彩涂钢板等。除高强度连接螺栓和锚栓在新加坡采购外，该工程全部使用的是中国国产钢材，总用钢量约2.4万吨。
⑴钢材品种
低合金高强度结构钢占整个工程总用钢量的96.5%。其中，高性能建筑结构用钢占28.2%，普通低合金高强度结构钢占68.3%。碳素结构钢仅占总用钢量的1.3%，主要是槽钢、角钢等轧制型材，材质为Q235B。原设计的槽钢、角钢边也是采用低合金结构钢，因国内Q345级型材产量少，订货困难，经设计方同意后更换成碳素钢。目前，低合金高强度结构钢已成为建筑钢结构的主力钢材。合金钢主要用于销轴、螺栓、锚头等部位，本工程拉索及链接锚具全部采用不锈钢（牌号为Q304），以满足耐久性要求。
⑵钢材产品质量证明文件
钢厂提供的产品质量证明书（材质单）中，记录了钢材的化学成分、拉伸、冷弯和冲击试验数据。钢厂的检验是按批进行的，每批由同一牌号、同一质量等级、同一炉罐号、同一品种、同一尺寸、同一热处理制度的钢材组成，每批钢材重量不大于60吨。当附加有Z向性能和超声探伤要求时，应按照相关标准《厚度方性能钢板》GB/T5313和《厚钢板超声波检验方法》GB/T2970及合同要求进行。
生产钢材的厂家都具有新加坡BC1:2008所要求的FPC（生产认证）证书，满足1级结构钢材的条件。
⑶钢材复验
钢材进场后，在新加坡业主方委托的现场监理的见证下，由国家建筑钢材质量监督检验中心（简称CSTC）进行取样，取样数量按BCI及施工合同规定，为同一钢厂、同一采购批、每一厚度（对钢板）或每一种截面（对型钢）取一组样品，取样数量不因不同炉号或不同批次而增加。
中、英标准相比，英方的复检量要少很多，但监理方、设计方、业主和业主现场代表有时会提出增加复检或指定某件产品进行某项复检。试样样坯在各钢结构加工厂切取，再运至北京后由中国京冶工程技术有限公司统一组织加工成试件，委托CSTC进行试验并提出报告。
⑷中国和新加坡在钢材力学性能测试方面差别
①早期的中英规范规定的钢材屈服强度并未明确是上屈服强度（ReH）还是下屈服强度（Rel），为安全精确地表达结构设计对材料性能的要求，多数国家的规范已明确采用下屈服强度作为钢材的屈服强度指标。2005年，我国颁布的国家标准《建筑结构用钢板》（GB19879）在性能表中标记的是上屈服强度（ReH）。但是，在实际工作中，从我们得到资料来看，无论是钢厂提供的质量证明书，还是第三方检测报告，在屈服强度栏目内均标记为Rel，因此，我们也是以下屈服强度作为统计评定的指标。对此，《建筑结构用钢板》（GB19879）应予以说明。
②中国的规范在力学性能测试中均要求作冷弯试验，并根据钢板的厚度规定了弯心直径。而在BCI相关的材料标准中无此项要求。值得一提的是，本工程所用钢材的钢厂测试和第三检测都进行了冷弯试验且全部合格。
③在伸长率测定时，测定的基准标距为5.65S0，S0为试件横截面面积。
BCI的材料标准中，伸长率栏中常有两个数值，分别对应纵向试件和横向试件，本工程所用钢材的检测均为纵向试件（沿轧制方向）。
④冲击韧性试验，中、英标准均采用V型缺口试件。对于低合金结构钢，我国标准规定的各级温度下冲击功合格值为34焦耳（在-40℃为27J），而英国标准规定的为27焦耳，本次检验合格标准取34焦耳。对碳素结构钢，中英标准取值相同，相应于各级温度下的冲击功合格值为27焦耳。
⑤中国和新加坡在化学成分分析方面的差别有两点。
第一，我国《碳素结构钢》（GB/T700—2006）标准规定的化学成分为C（碳）、Si（硅）、Mn（锰）、P（磷）、S（硫）5种元素；在《低合金高强度结构钢》（GB/T）标准中规定的化学成分有C、Si、Mn、P、S和V（钒）、Nb（铌）、Ti（钛）、Al（铝）、Cr(铬)、Ni（镍）11种元素；而在（GB/T）版标准中，又新增了Cu（铜）、N（氮）、Mo（钼）、B（硼）4种元素。在BCI的化学成分测试中要求全部检测以上14种元素（硼除外），并要求根据实测元素含量计算CEV（碳当量），并记录在检测报告上。我国一般不要求做化学成分复检，即使复检也只做5种主要元素（C、Si、Mn、S、P）的分析。
第二，在检测方法上，我国的建筑钢结构检测单位大都仍沿用钢铁及合金化学分析方法（GB/T223），测试时间长且测定的元素种类有限，而BC1要求采用火花源原子发射光谱分析方法，在几秒钟内即可把各种元素的含量全部测定打印出来。经过与新加坡有关方面的协商，根据测试条件和本工程的需求，钢材复检应对下列10种元素作定量分析：C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Cu、Mo、V。七、钢材性能数据分析及结论⑴钢材性能数据分析样本分组
新加坡圣淘沙名胜世界钢结构工程总共采购约2.5万吨国产钢材，钢材的性能数据多数来源于钢厂提交的产品质量证明书（1310组），部分来源于第三方检测机构的复检报告（269组），总计1579组。每组母体（新加坡圣淘沙名胜世界钢结构工程所使用全部钢材）样本的性能数据包括力学性能（屈服强度、抗拉强度、延伸率、冷弯、冲击韧性、Z向断面收缩率）和化学成分（BC1指南要求的15种元素含量以及由相关元素含量计算得出的碳当量和裂纹敏感性指数）。
依据《低合金高强度钢》（GB/T）的钢材厚度规划分组，并考虑到各种厚度钢材的数量和品种。
⑵钢材性能数据统计分析内容
对1579组数以万计数字通过以下项目分别进行数理统计分析：屈服强度、碳当量、裂纹敏感性指数、伸长率、屈强比和硫、磷含量。
⑶统计分析结论
中国国产钢材（Q235、Q345、Q345QJ）的各项指标（屈服强度、抗拉强度、延伸率、冷弯、冲击韧性、Z向断面收缩率、化学元素含量以及由相关元素含量计算得出的碳当量和裂纹敏感性指数）不仅符合中国钢材标准，也符合中国钢结构设计规范和英国/欧盟钢结构设计规范对钢材的要求（材料强度指标按中国标准取值），同时还符合《中国建筑抗震设计规范》（GB5）的规定：一是钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；二是钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%；三是钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性。
此外，其也符合中、英钢结构设计规范对塑性设计的要求：一是按塑性设计时，钢材的力学性能应满足强屈比；二是伸长率；三是相应于抗拉强度的应变不小于20倍屈服点应变。
信息来源：中国建设报