结构钢研究论文：结构钢研究现况及运用问题

前言：本站为你精心整理了结构钢研究论文：结构钢研究现况及运用问题范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。

本文作者：李国强王彦博陈素文孙飞飞作者单位：同济大学

研究现状

高强钢结构构件设计的三个主要方面:弹性阶段设计、塑性阶段设计与抗震设计。弹性阶段设计，高强钢在受压、纯弯和压弯作用下的承载力通常由构件的局部屈曲、整体屈曲或两者的相关屈曲控制，现有针对普通钢构件的理论分析方法仍然适用于高强钢构件［31］。然而构件的承载力受残余应力、初始几何缺陷、材料力学性能等参数的影响。高强钢的应力-应变曲线与普通钢有显著差异，钢构件中残余应力与屈服强度的比值也随材料强度发生变化［18］，高强钢构件对初始几何缺陷的敏感程度较普通强度构件低［19］，这些因素将造成现有设计规范［20-21］中的某些条文对高强钢不一定适用，需重新检验。塑性阶段设计，现有设计规范假定构件具有足够的延性与变形能力，认为构件在相对较大变形下仍不发生破坏，使得内力能够在非静定结构中重新分布。相比普通强度钢，高强钢的屈强比大而断后伸长率较小，构件截面宽厚比限值随钢材强度而变化，这些均将影响高强钢受弯构件的变形能力，是塑性阶段设计的重点。抗震设计中，通常预期结构将在大震作用下经历较大变形，抗震结构与构件必须具备足够的延性以保持在较大变形下继续承载;此外，抗震结构还需要合理的结构布置，以保证在大震作用下形成有效的耗能机制。依据材料性能的特点，提高钢材抗拉强度的途径主要有三种:1)添加铁与碳以外的化学元素以获得高强度、高断裂韧性、耐腐蚀、耐高温和耐低温等特性;2)通过热处理工艺得到需要的组织结构并达到预期的力学性能;3)在结晶温度以下(通常为常温)加工，冷作硬化将显著提高钢材的强度和硬度。由不同途径获得的高强钢可分为早期高强钢、新型高性能钢和冷轧高强钢。三种高强钢的力学性能存在显著差异，因此在进行高强钢的应用研究时，需对钢材的种类加以区分，如，材料性能的统计数据作为材料性能分项系数的基础，对热轧和冷轧高强钢进行区分。本文对高强钢研究进展的介绍均指热轧高强钢，限于篇幅，对冷轧高强钢研究内容不予介绍。

1材料力学性能

材料力学性能是高强钢结构研究和应用的基础。国内外学者通过对大量试验结果的总结分析［7-8］，发现随着高强钢屈服强度的提高，钢材的屈服平台缩短甚至消失，钢材的屈强比增大并接近1，钢材的断后伸长率减小。1969年，美国ASTM制定的A514规范规定了名义屈服强度690MPa高强钢的化学成分与力学性能［1］。美国与日本学者首先在高强钢基本构件的研究中获得了相关材性试验结果［22-26］，随后澳大利亚与欧洲学者在高强钢相关研究中积累了更多的材性试验数据［27-29］。早期高强钢由于可焊性差，断裂韧性与冷弯性能不足等问题，没有得到广泛应用。20世纪90年代，美国和日本的桥梁建造业与钢铁制造业密切合作，研发出力学性能与可焊性符合工程需求的新型高性能钢材。新型高性能钢材通过减少碳、硫等元素含量改善钢材的可焊性，同时通过控轧控冷技术(TMCP)与添加合金元素等手段，提高钢材的强度、断裂韧性与冷弯性能，具有良好的疲劳性能［30］。新型高性能钢材近10年在工程建设中逐渐得到应用，如日本的桥梁采用高性能钢BHS500W与BHS700W等，美国ASTM的建筑结构用高性能钢A992与桥梁用高性能钢A709等。Fukumoto［7］总结并比较了普通强度钢、早期高强钢与新型高性能钢(TMCP)的力学性能，分析了低屈强比高强钢构件的承载力与延性性能;Galambos等［31］按钢牌号分类总结了已有的高强钢材料性能;Shi等［11］总结了国内外高强钢材料性能的试验结果。另外，我国学者对高强钢材在高温与低温下的性能也进行了研究。刘兵［32］通过对高强度结构钢轴心受压构件抗火性能的研究，认为Q460高强钢具有良好的高温下材料性能;王元清等［33］研究了Q460高强钢在低温下材料的力学性能，认为当温度低于－40℃时Q460易脆性破坏。

2基本构件承载力与变形能力

1）受压构件

国内外学者研究了高强钢焊接H形截面、焊接箱形截面和十字形截面受压构件的力学行为，主要针对轴压构件的局部稳定、整体稳定与承载力等进行了试验与理论研究，主要研究成果见表1。研究结果表明:残余应力对高强钢构件承载力的影响较小;焊接箱形截面与绕弱轴失稳的焊接H形截面高强钢受压构件的稳定系数高于普通钢构件;高强钢压杆局部稳定的截面宽厚比限值可采用与普通强度钢相同的规定;高强钢屈服后的应变强化性能弱于普通强度钢材，造成高强钢短柱的正则化强度低于普通钢短柱。

2）受弯构件

1969年以来，美国学者McDermott［23-24］首先针对早期高强钢制作的工形截面受弯构力学性能开展了研究，随后日本学者Kuwamura［41］、Kato［42-43］等进一步研究了因高强钢相对普通强度钢具备高屈强比、无明显屈服平台段、延伸率低等特点对受弯构件力学性能的影响。对于早期高强钢受弯构件，文献［24］认为其具有足够的变形能力可应用于塑性设计;但文献［44-46］在试验研究中发现，A514高强钢梁的受拉翼缘在未达到完全塑性弯矩以前发生脆性断裂，有些受弯试件虽能达到完全塑性弯矩但转动能力不足，认为早期高强钢不具备足够的延性以满足塑性设计的要求。另外，由于早期高强钢化学成分中碳当量较高，对焊接工艺要求较为苛刻，增加了建设成本，也阻碍了早期高强钢的推广应用。1994年，美国联邦公路局、美国海军与美国钢铁协会联合启动了高性能钢的研发项目［47］，ASTM分别颁布了建筑结构用高性能钢标准A992与桥梁用高性能钢标准A709。20世纪90年代末，各国学者相继展开对高强钢与高性能钢受弯构件的试验研究与数值分析。以美国、日本为主的研究者对高强钢受弯构件力学性能进行了大量试验与理论研究，研究内容主要集中在高强钢工形截面受弯构件的承载力、局部稳定、整体稳定以及高强钢材料力学性能对受弯构件转动性能的影响，具体见表2。研究结果表明:1)美国现有规范AASHTO-LRFD［48］仍可较为准确地预测高强钢工形截面受弯构件的承载力;2)与普通钢构件相比，相同截面的高强钢受弯构件的转动能力下降明显(HSLA80相对A36下降70%～83%)，主要影响因素为材料屈强比;3)规范AASHTO-LRFD［48］与AISC-LRFD［49］要求的翼缘宽厚比限制与腹板宽厚比限制无法保证高强钢受弯构件具有足够的延性;4)限制钢材的屈强比或严格控制板件宽厚比等保证高强钢受弯构件具有足够的转动能力;5)高性能钢梁的疲劳性能相对早期高强钢也有显著提升［50］。另外，为了使高性能钢材的优势能在受弯构件中得到充分发挥，美国与英国学者研究并提出了混合钢梁的设计方法［2］;美国与加拿大学者［51-52］分析了双腹板工形截面钢梁、波纹腹板工形截面钢梁以及钢管翼缘工形截面钢梁等，并给出了相应的设计方法。

3构件连接

1）螺栓连接

20世纪90年代末至今，国外学者开始对高强钢构件的螺栓连接性能进行研究［63-69］，主要分析了螺栓端距、边距、间距与高强钢材料力学性能对螺栓连接受剪承载力与变形能力的影响，检验了现有设计规范对高强钢螺栓连接的适用性，给出了设计建议，见表3。研究结果表明:1)美国规范AISC-LRFD-1993可以准确预测高强钢螺栓连接的承载力;AISC-LRFD-1999中螺栓连接受剪承载力预测公式由孔中心距离改为采用孔边缘距离，其预测值不如AISC-LRFD-1993准确，较保守;欧洲规范Eurocode3对于边距、间距小于限值需折减螺栓连接受剪承载力的规定偏保守，螺栓间距与边距的要求对S460钢可以适当放松;欧洲规范EN1993-1-8中螺栓连接承压强度设计公式基于单螺栓连接试验研究，对于多螺栓连接情况不完全适用。2)钢材强屈比对螺栓连接的局部变形能力影响较小，强屈比降低至1.05没有显著影响此类连接的局部变形能力;高强钢螺栓连接局部变形能力可以克服因制造误差造成的各螺栓受力不同步，使得剪力在各螺栓中重新分布;螺栓端距对连接局部变形能力影响较大，连接极限变形值随端距的减小而降低;局部截面有削弱(约10%)的高强钢构件受拉时变形集中于削弱处，构件整体延性差。

2）焊接连接

国外学者针对高强钢的焊接性能进行了研究，主要包括焊接连接的延性、韧性与疲劳性能。Huang等［70］对抗拉强度400～800MPa高强钢的焊接连接进行了试验研究，发现高强钢试件焊接后变形能力显著下降，认为抗拉强度超过600MPa的高强钢在地震作用下只能利用其弹性变形部分。Kolstein等［71］对S600、S1100钢匹配焊接与低匹配焊接连接的变形能力进行了试验与有限元分析，指出匹配焊接可以提供足够的变形能力，但低匹配焊接连接时需要特别注意连接强度。Zrilic等［72］研究了低合金高强度钢材(名义屈服强度700MPa)的焊接性能，发现熔敷金属的断裂韧性弱于热影响区和母材。Muntean等［73］实测了S235、S460和S690的材料性能，对72个焊接连接试件(K形坡口、V形坡口与角焊缝)进行了单调与往复加载试验，分析了不同牌号高强钢与S235低碳钢焊接连接在单调与反复加载下的性能，发现不同试件均在母材处断裂，高强钢与普通钢混合焊接连接的强度与延性得到保证。欧洲学者针对名义屈服强度460～690MPa的高强钢焊接连接进行了疲劳性能试验［74-76］，认为高强钢焊接连接具有良好的疲劳性能，甚至优于普通强度钢的焊接连接，其疲劳强度高于欧洲规范EN1993-1-9的预期。

3）连接节点

荷兰代夫特大学对高强钢端板连接节点的性能进行了系列研究。2007年，GiroCoelho等［77］进行了S355钢梁、柱与S690高强钢端板连接的节点性能试验研究，试验结果表明，高强钢端板连接满足现有规范条款对连接刚度、承载力与转动能力的要求。2009—2010年，GiroCoelho等［78-79］制作了9个S690高强钢与11个S960超高强钢工形截面试件，进行两跨单点加载模拟梁柱节点受力情况，研究了节点域腹板的受力特性，结果表明，随钢材强度的提高，其变形能力与延性均降低;为研究梁柱节点的受力特性，对高强钢钢柱腹板在局部荷载下的弹塑性性能进行了参数分析，通过与欧洲现有规范预测值对比，对现有规范针对高强钢结构设计给出了建议。

4高强钢结构的抗震性能

高强钢在抗震设防区的应用问题受到地震多发国家和地区的广泛关注，目前已取得的高强钢研究成果主要针对弹性设计与塑性设计，关于高强钢抗震设计的研究成果相对较少。日本学者Kuwamura等［80］进行了早期高强钢压弯试件的往复加载试验，评估了高强钢试件的滞回性能以及纳入抗震结构材料的可行性。Kuwamura等［81］对日本新型低屈强比(小于0.8)高强钢(屈服强度431MPa)梁、柱焊接节点的低周疲劳性能进行了试验研究与地震响应分析，认为此类节点在强震作用下有足够的安全储备。美国学者Ricles等［53］分析了高强钢受弯构件的延性性能、耗能能力与普通钢材的差别，认为屈强比是影响试件非弹性行为的主要因素，可通过限定屈强比确保试件具有足够的变形与耗能能力。罗马尼亚学者Dubina等［82］针对偏心支撑框架提出了双重钢结构系统，即在耗能梁段采用可更换的低屈服点连杆，而在非耗能部位采用弹性设计的高强钢构件，并建立多层框架模型进行了分析验证。我国学者王飞等［83］研究了屈强比对钢框架抗震性能的影响，认为钢材屈强比越大其构件的塑性转动能力和抗震性能越弱;邓椿森等［84］采用有限元法分析了钢材强度对箱形截面压弯构件滞回性能的影响，发现高强钢提高了压弯构件的屈服承载力和屈服变形能力，同时加速了刚度退化并降低了试件的延性;崔嵬［85］通过Q460C钢的材料与H形、箱形柱的低周反复加载试验和有限元分析，提出了Q460C高强钢材料与H形、箱形柱受压构件的滞回模型。

高强钢结构在抗震设防区的应用

1抗震设防区对结构用钢的要求

Fukumoto［7］通过对比不同牌号钢材的力学性能，发现随着钢材屈服强度的提高，钢材的屈强比增大，钢材的极限应变减小，如图3所示。为确保抗震设防区钢结构及构件具足够的塑性变形能力与耗能能力，GB50011—2010《建筑抗震设计规范》［86］对结构用钢的材料力学性能要求较GB50017—2003《钢结构设计规范》［20］更为严格，主要体现在屈强比、断后伸长率等指标，见表4。屈服强度越高的钢材越难满足抗震设防区的设计要求，因此高强钢在抗震设防区的应用受到了限制。随着钢材生产工艺的提高，以热机械控制轧制(TMCP)工艺为交货状态保证了钢材的高性能。TMCP工艺交货状态不仅比正火轧制交货状态提高了钢材的强度，而且碳当量低，具有良好的可焊性。因此，高强钢的屈强比体现了钢材的强度储备，并影响构件的变形能力，如图4所示。图4a中为有开孔(或削弱)的构件，fy为屈服强度，fp近似为抗拉强度，Ny=Afy，Np=Anfp，A为构件截面面积，An为开孔处净截面面积。当钢材屈强比较大，Ny＞Np时，构件的非削弱部分不会产生塑性变形，构件的整体变形能力降低。图4b为受弯构件的受力简图，My为屈服弯矩，Mp1、Mp2为塑性弯矩。随着钢材屈强比的增大，Mp1将更接近Mp2，梁端塑性分布的扩展将受到限制，梁的转动变形能力降低。断后伸长率体现了材料的延性性能，是影响构件与结构延性的重要因素。结构及构件的延性对于其抗震性能起着至关重要的作用。随着钢材强度的提高，屈强比增大，断后伸长率减小，造成高强钢材料性能不能满足GB50011—2010的要求。为便于比较，将我国结构用钢三部规范中对钢材拉伸力学性能的规定概括列于表5，分别为GB/T700—2006《碳素结构钢》［87］、GB/T19879—2005《建筑结构用钢板》［88］与GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》［89］。对比表4要求与表5力学性能指标可以看出，名义屈服强度大于420MPa的钢材均不能用于抗震结构中，且由于GB50017—2003中只增补了Q420钢，Q460及更高牌号钢材的应用也因没有充分的设计依据而受到限制。

2高强钢在地震设防区应用的两种思路

GB50011—2010《建筑抗震设计规范》采用的是“三水准设防，两阶段设计”，即第一阶段设计为多遇地震作用下对结构的承载力、弹性变形进行验算，以保证“小震不坏”;第二阶段设计为罕遇地震作用下对结构薄弱部位弹塑性变形进行验算，以保证“大震不倒”，并通过合理的构造措施保证“中震可修”。在抗震设计过程中除了保证结构具有足够的刚度与承载力满足小震作用下的弹性验算，还要使结构具备足够的延性满足大震作用下的变形与耗能要求。影响结构延性的主要因素有材料的延性、构件的延性以及合理的结构布置。为了解决高强钢在抗震设防区应用所面临的问题，本文根据抗震设计原理提出了两种解决思路:一种是通过提高延性较差的高强钢结构的地震作用，从而降低地震作用下对结构及构件的延性需求;另一种是通过设置专门的屈服控制和耗能装置，使屈服控制和耗能装置在大震作用下首先屈服并产生塑性变形耗散地震能量，以避免高强钢构件在大震作用下进入塑性状态，从而减免高强钢构件在地震作用下的延性需求。

1）提高延性较差的高强钢结构的地震作用

如图5所示，对于具有较好延性的结构，可通过塑性变形耗能以耗散地震作用能量，保证结构不发生严重破坏和倒塌。因此，延性好的结构，结构的承载力可设计得低些，或设计地震作用需求低些。相反，对于延性较差的结构，则结构的承载力应设计得高些，或设计地震作用需求高些，这样，在设计地震作用下，结构的延性需求可适当降低。

2）限制高强钢构件达到屈服

基于能力设计概念，合理控制高强钢结构塑性铰出现的顺序和位置，通过延性构件屈服后的耗能来保证非延性构件在大震作用下始终处于弹性阶段，从而保证整个结构体系在大震作用下的安全。震害实例、试验研究与理论分析结果表明［90］，变形能力不足和耗能能力不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因。若要确保高强钢结构在大震作用下不发生倒塌，要求结构具有足够的变形能力并能形成有效的耗能机制。半刚接节点具有良好的变形能力，并具备一定的耗能能力［90］，因此可采用半刚性框架结构来保证良好的变形能力，如图6所示。为保证高强钢结构具有足够的能力抵抗地震作用和风荷载，以及在大震作用下具有足够的耗能能力，可设置专门的抗侧力耗能构件。根据不同的抗侧力体系选择低屈服点防屈曲支撑或低屈服点防屈曲钢板墙等。耗能构件作为结构的“保险丝”，在大震作用下首先屈服，通过塑性变形耗散地震能量，从而使体系的高强钢构件在大震作用下处于弹性状态，如图6所示。为此，耗能构件需进行单独的设计以确保其延性和耗能能力。通过选择合理的结构体系及设置专门耗能构件，结合半刚接节点的良好变形能力与耗能构件的性能，保持高强钢构件处于弹性状态，满足结构抗震性能要求(变形及耗能能力)，弥补高强钢延性性能的不足。

3提高高强钢构件设计的目标可靠指标

考虑到高强钢构件的延性性能较差，基于建筑结构的可靠度，根据高强结构钢的力学性能对高强钢构件的破坏类型进行分类，对非延性破坏的构件提出更高的设计目标可靠指标要求。GB50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》［91］将结构构件承载能力极限状态下的可靠指标分为脆性破坏与延性破坏两类，并给出了最小限值。本文根据钢材的拉伸试验性能指标将高强钢构件划分为延性构件、半延性构件与脆性构件，分类标准见表6。在GB50068—2001的可靠指标中增加半延性破坏类型，并将脆性破坏的可靠指标提高0.5，具体见表7。在确定高强钢构件的荷载分项系数γF(可变荷载分项系数γQ)时，应根据钢材的力学性能将高强钢构件按表6确定破坏类型，然后选取表7中规定的可靠指标进行计算。由于提高了非延性破坏构件的荷载分项系数，结构在承载能力极限状态下的地震作用效应被放大，要求结构具有更高的承载力与抗侧能力，以保证结构安全。提高脆性破坏构件的可靠度指标的目的是保证构件的安全，即通过更加严格的限制结构构件失效概率来防止脆性破坏。