高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

左國(guó)稷++全財(cái)華++蒲萬(wàn)麗++羅雨菲

摘 要：文章總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)最新的研究成果，詳細(xì)闡述了高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，包括材料力學(xué)性能、軸壓構(gòu)件、壓彎構(gòu)件的局部穩(wěn)定性的研究等內(nèi)容。總結(jié)現(xiàn)階段研究的不足并提出未來研究的趨勢(shì)，為我國(guó)今后高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼材；軸壓構(gòu)件；壓彎構(gòu)件

中圖分類號(hào)：TG142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0183-02

引言

鋼材具有強(qiáng)度高、自重輕，塑性、韌性好，材質(zhì)均勻，工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的建筑材料。近二十年來，隨著科技的發(fā)展和建筑鋼材生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，鋼材的可加工性能和力學(xué)性能得到大幅度的提高，從而促使了新型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的問世。而目前，國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行詳細(xì)、明確的定義。美國(guó)的ASTM規(guī)范規(guī)定，名義屈服強(qiáng)度大于690Mpa的鋼材為高強(qiáng)度鋼材，歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，名義屈服強(qiáng)度大于460Mpa的鋼材為高強(qiáng)鋼材，我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）只對(duì)名義屈服強(qiáng)度小于420Mpa的鋼材做了詳細(xì)的規(guī)定。目前，國(guó)內(nèi)還沒有對(duì)Q460以上的高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行詳細(xì)的研究，因此，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的性能研究具有非常重要的工程意義[1]。

高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)最早在二十世紀(jì)六十年代日本工程界得到應(yīng)用，隨后逐漸發(fā)展到美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)。近些年，我國(guó)在多個(gè)建筑工程中已經(jīng)使用了高強(qiáng)度鋼材，包括國(guó)家體育場(chǎng)、中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓、深圳灣體育中心、鳳凰國(guó)際中心等。

1 高強(qiáng)度鋼材的力學(xué)性能

1.1 基本力學(xué)性能

高強(qiáng)度鋼材的基本力學(xué)性能主要有屈強(qiáng)比、斷后伸長(zhǎng)率等。范金凱[2]等對(duì)48個(gè)Q460高強(qiáng)等邊單角鋼試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，測(cè)得屈強(qiáng)比在1.20～1.35之間，斷后伸長(zhǎng)率在20%～25%之間。周峰[3]等對(duì)兩種厚度（10mm，12mm）Q460鋼板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件均沒有明顯的屈服平臺(tái)，且全部出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象后斷裂，斷后伸長(zhǎng)率在16%左右。施剛[4]等對(duì)歐洲高強(qiáng)度鋼材S690的12個(gè)構(gòu)件和S960的9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。

1.2 低溫力學(xué)性能

為了探討高強(qiáng)度鋼材低溫條件下的力學(xué)性能，需進(jìn)行沖擊韌性及斷裂韌性的試驗(yàn)。施剛[5]等通過對(duì)Q460C國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材及焊縫連接的低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材在常溫下具有良好的沖擊韌性，但當(dāng)溫度低于-20℃ 時(shí)，其韌性明顯降低，甚至低于我國(guó)結(jié)構(gòu)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)限值的規(guī)定。王元清[6]等研究了Q460高強(qiáng)鋼在低溫下材料的力學(xué)性能，認(rèn)為當(dāng)溫度低于-40℃時(shí)Q460易脆性破壞。Yu通過對(duì)高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行低溫及常溫試驗(yàn)，得到了鋼材的斷裂韌性和維氏硬度，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上依據(jù)有限元模型提出了材料的本構(gòu)關(guān)系。

2 軸壓構(gòu)件

施剛[5]等對(duì)名義屈服強(qiáng)度為960Mpa 的超高強(qiáng)鋼焊接H型截面柱的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并計(jì)算了整體穩(wěn)定性系數(shù)。班慧勇[7]等在2011年對(duì)Q420鋼材的等邊角鋼軸心受壓桿件的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。李國(guó)強(qiáng)[10]等對(duì)高強(qiáng)度（名義屈服強(qiáng)度Q460Mpa）鋼材焊接箱形截面軸心受壓柱進(jìn)行了整體穩(wěn)定試驗(yàn)，并利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析。李振寶[11]等對(duì)高強(qiáng)度（名義屈服強(qiáng)度Q420Mpa）雙角鋼十字組合截面壓桿的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于懸伸板件寬厚比的限值略顯保守，且限制了高強(qiáng)鋼材材料性能的發(fā)揮。施剛[12]等對(duì)3組高強(qiáng)度鋼材焊接工型和箱形截面軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元分析。高磊等采用有限元軟件ANSYS對(duì)屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為745Mpa鋼材的焊接箱形截面柱受壓試驗(yàn)進(jìn)行了局部穩(wěn)定性分析。

3 壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定性

Earls C J研究了高強(qiáng)鋼工形截面梁在梯度彎矩作用下的彈塑性破壞模式，并探討了翼緣寬厚比、腹板高厚比、側(cè)向支撐對(duì)梁轉(zhuǎn)動(dòng)能力的影響以及破壞形式對(duì)構(gòu)件延性的影響。同濟(jì)大學(xué)的孫飛飛[13]對(duì)實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度575MPa的高強(qiáng)度鋼材熱軋H型鋼的兩個(gè)懸臂梁進(jìn)行了低周往復(fù)荷載下的試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)該類高強(qiáng)度鋼梁的延性較差，但耗能能力較強(qiáng)。徐克龍[14]等利用有限元軟件ANSYS建立四點(diǎn)加載下的工字形截面壓彎構(gòu)件模型，計(jì)算不同鋼材構(gòu)件的腹板屈曲后極限承載力，并與各國(guó)規(guī)范推薦式的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其均不適用于高強(qiáng)度鋼材壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定的計(jì)算。

4 總結(jié)與展望

通過總結(jié)分析前人的研究成果發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能以及較好的經(jīng)濟(jì)性能，但我國(guó)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）中的設(shè)計(jì)方法并不完全適用于高強(qiáng)度鋼材，使得計(jì)算結(jié)果偏保守，不利于充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼材的優(yōu)勢(shì)。

高強(qiáng)度鋼材目前仍有很多問題值得討論和研究，針對(duì)現(xiàn)階段研究的不足，提出以下幾點(diǎn)展望：

（1）高強(qiáng)度鋼材壓彎構(gòu)件的滯回性能和抗震性能的研究

相對(duì)較少，需進(jìn)一步的加強(qiáng)這方面的研究。

（2）高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)方法和計(jì)算理論方面的研究亟待解決。

（3）現(xiàn)行規(guī)范對(duì)Q460及其以上鋼材的設(shè)計(jì)沒有明確規(guī)

定，很多條文不再適合高強(qiáng)度鋼材，因此急需對(duì)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行修訂和完善。

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