高強度鋼材鋼結構研究進展

馬錫平

摘要：鋼材具有強度高、重量輕、塑性好、工業化程度高等優點，是理想的建筑材料。近20年來，隨著鋼材生產工藝的進步，鋼材的可塑性性和力學性能得到了很大的提高，從而促進了新型高強度結構鋼的出現。但目前，國內外對高強度鋼材還沒有明確的定義。本文就高強度鋼材鋼結構研究進展開展探究與分析。

關鍵詞：高強度鋼材;鋼結構;工程應用

高強度結構鋼材一般稱為“高強鋼”，其屈服強度不低于460MPa，同時具有良好的韌性、焊接性、冷彎性能等。隨著鋼材強度的增加，構件可以采用較小的截面尺寸，從而降低結構的鋼材消耗量，減輕結構自重，擴大建筑的使用空間，具有良好的節能環境效益。近年來，高強度鋼材在中、美、日等國的橋梁工程、建筑結構和輸電塔中得到了越來越廣泛的應用。但與普通強度結構鋼材相比，高強度鋼材隨著屈服強度的提高，屈強比會增大，可延性逐漸減小，其在抗震設防領域的應用受到限制。因此，高強鋼結構抗震性能的研究是工程界迫切需要解決的問題。

一、高強度鋼材靜力拉伸性能相關研究

鋼結構的耗能能力主要取決于構件和節點的塑性變形能力。我國《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）對鋼結構材料作出明確規定，以保證鋼結構及其構件具有足夠的可塑性和可延性變形能力[1]。①鋼材屈強比不得超過0.85;②具有明顯的屈服平臺，斷裂伸長率不小于20%;③具有良好的焊接性能和沖擊韌性;④屈服強度測試值不高于上一級鋼材的屈服強度指定值。考慮到高強度結構鋼材屈強比的提高、斷后伸長率和延性的降低，《高強鋼結構設計規范》草案規定，鋼材的實測屈強比不的超過0.9，斷裂伸長率應超過16%。相關文獻表明，屈服比的極限值大多集中在0.80至0.85之間，歐洲鋼結構設計規范的補充規定，高強度鋼材的最大屈強比可達95，斷后伸長率的應集中在15%至20%之間。

二、高強度鋼材循環荷載本構模型相關研究

鋼材的本構關系是鋼結構研究的基礎，與單調荷載下的本構關系相比，循環荷載下的本構關系能更準確地描述鋼結構的抗震反應。一些學者通過循環加載試驗研究了高強度鋼材在循環加載下的本構關系和力學性能。結果表明，高強鋼在循環荷載作用下的單調荷載不同，具有循環強化和軟化現象。高強鋼具有良好的耗能能力和可塑性，隨著高強鋼屈服強度的增加，其循環硬化效應逐漸降低，循環軟化現象更加明顯[2]。高強度鋼的循環本構模型已經逐漸被探究與分析，相關學者根據Chaboche模型對高強度鋼材的循環本構模型進行了標定。Chaboche模型簡單方便，但沒有充分考慮鋼材應變范圍相關性的影響。有學者利用鋼骨架曲線標定了Ramberg-Osgood方程在不同應變范圍內的參數，建立了Q460鋼材的循環本構模型，該模型能夠反映鋼材屈服強度與加載路徑之間的影響關系，但當應變幅值超過±0.04時，鋼材的適用性仍有待驗證[3]。相關文獻在經典非線性各向同性理論的基礎上，提出了三階段本構模型，可以將鋼材的應變范圍依賴性考慮到其中，模型能夠反映加載方式和循環響應之間的影響關系，并可以通過單拉試驗數據對模型進行標定。然而，三階段本構模型較為復雜，具有19個有屈服平臺材料參數，22個無屈服平臺材料參數。一般而言，對不同循環本構模型的比較研究仍然相對較少，不同循環本構模型的計算效率和分析結果也不明確。

三、高強度鋼材極低周疲勞斷裂性能相關研究

在強烈地震作用下，鋼結構節點的應變幅可達屈服應變的幾倍甚至幾十倍，疲勞壽命通常小于100圈。為了區別于傳統的低周疲勞，一些學者將地震引起的鋼結構節點疲勞斷裂稱為高應變低周疲勞，其主要特點是鋼材疲勞壽命極短，應力幅水平較高。在美國北嶺地震中，鋼結構節點的破壞大多屬于極低周疲勞破壞。根據高周疲勞的研究方法，有學者對鋼材的低周疲勞進行了應變疲勞研究，但大多為極低周疲勞斷裂[4]。然而，對高強度鋼材的研究卻很少。總之，研究高強度鋼材的極低周疲勞斷裂行為，為確定高強度鋼結構的節點和抗震設計提供了新的研究思路。

四、高強度鋼構件抗震性能相關研究

（一）柱構件抗震性能。根據我國《高強鋼結構設計規范》規定，抗震性能設計時不宜在塑性耗能區使用高強鋼材，建議在以下構件中使用：①延性為V等級的構件;②框架結構中的強柱弱梁構件;③中心支承結構中的強框弱梁構件。國內外對高強鋼材受壓構件的整體穩定性、焊接殘余應力和局部穩定性進行了研究，為高強鋼材工程提供了設計依據。但對高強鋼材受壓構件的抗震滯回性能研究較少，日本東京大學曾對H—SA700鋼板制成的3根無焊接高強螺栓組合柱進行了循環側向荷載試驗，結果表明，柱的斷裂模數取決于翼緣的非彈性屈曲，螺栓孔有利于增加翼緣的屈服能力，從而提高一定的延性[5]。在國內，清華大學和同濟大學對Q460高強鋼結構受壓構件的抗震性能進行了系統的研究，但研究主要集中在機械領域，提出應變幅低于1%。

（二）梁構件抗震性能。由于鋼結構設計應遵循強柱弱梁的原則，而且截面形式對梁性能的影響比材料的影響更為明顯，因此高強度鋼梁的研究目前還不是熱點，現有的研究主要集中在高強鋼梁的承載力和抗火性能方面，少數學者對高強鋼梁的抗震滯回性能進行了研究。日本學者Suzuki對590MPa高強度焊接工字梁進行了一系列循環加載試驗，并對材料性能和截面進行了有限元分析。也有學者對HSLA—80高強度鋼材焊接工字梁進行了循環加載試驗，對其材料性能、截面形狀和加載條件進行了分析。我國同濟大學有學者對兩根屈服強度為575MPa的高強度鋼懸臂梁進行了低周加載試驗，并與相同尺寸的Q345B鋼懸臂梁進行了比較，發現高強度鋼懸臂梁的延性系數略差，但其滯回性能稍強。

五、結束語

綜上所述，通過對前人研究成果的總結和分析，發現高強度鋼結構具有良好的力學性能，但《鋼結構設計規范》中的設計方法不適用于高強度鋼結構工程，會使計算結果相對保守，不利于高強度鋼結構優勢的充分發揮。目前，高強度鋼仍然存在許多值得探討和研究的問題。針對目前研究的不足之處，筆者提出了以下展望：①高強鋼構件的抗震性能和滯回性能研究相對較少，有待于進一步研究;②高強鋼結構體系、設計方法等方面的研究亟待解決;③現行規范對Q460及以上鋼材的設計缺少明確的規定，許多規定不適用于高強度鋼結構工程。因此，完善高強度鋼結構相關設計規范已迫在眉睫。

參考文獻：

[1]尹飛，楊璐，施剛，等.高強度鋼材鋼結構抗震研究進展綜述[J].鋼結構，2020，35（3）：1-11.

[2]翁孝涵.高強度鋼材鋼結構的工程應用及研究進展[J].建筑工程技術與設計，2019，（30）：3984.

[3]縱飛.高強度鋼材鋼結構研究進展綜述[J].建筑·建材·裝飾，2018，（14）：149.

[4]王桂鵬，荊科偉.高強度鋼材鋼結構的工程應用及研究進展[J].建筑工程技術與設計，2018，（22）：5346.

[5]左國稷，全財華，蒲萬麗，等.高強度鋼材鋼結構研究現狀[J].科技創新與應用，2017，（20）：183，185.

（作者單位：江蘇滬寧鋼機股份有限公司）