高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究進展

馬錫平

摘要：鋼材具有強度高、重量輕、塑性好、工業(yè)化程度高等優(yōu)點，是理想的建筑材料。近20年來，隨著鋼材生產(chǎn)工藝的進步，鋼材的可塑性性和力學(xué)性能得到了很大的提高，從而促進了新型高強度結(jié)構(gòu)鋼的出現(xiàn)。但目前，國內(nèi)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(jié)構(gòu)研究進展開展探究與分析。

關(guān)鍵詞：高強度鋼材;鋼結(jié)構(gòu);工程應(yīng)用

高強度結(jié)構(gòu)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(gòu)件可以采用較小的截面尺寸，從而降低結(jié)構(gòu)的鋼材消耗量，減輕結(jié)構(gòu)自重，擴大建筑的使用空間，具有良好的節(jié)能環(huán)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(jié)構(gòu)和輸電塔中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但與普通強度結(jié)構(gòu)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(shè)防領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。因此，高強鋼結(jié)構(gòu)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(guān)研究

鋼結(jié)構(gòu)的耗能能力主要取決于構(gòu)件和節(jié)點的塑性變形能力。我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）對鋼結(jié)構(gòu)材料作出明確規(guī)定，以保證鋼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼材屈強比的提高、斷后伸長率和延性的降低，《高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》草案規(guī)定，鋼材的實測屈強比不的超過0.9，斷裂伸長率應(yīng)超過16%。相關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的補充規(guī)定，高強度鋼材的最大屈強比可達95，斷后伸長率的應(yīng)集中在15%至20%之間。

二、高強度鋼材循環(huán)荷載本構(gòu)模型相關(guān)研究

鋼材的本構(gòu)關(guān)系是鋼結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，與單調(diào)荷載下的本構(gòu)關(guān)系相比，循環(huán)荷載下的本構(gòu)關(guān)系能更準(zhǔn)確地描述鋼結(jié)構(gòu)的抗震反應(yīng)。一些學(xué)者通過循環(huán)加載試驗研究了高強度鋼材在循環(huán)加載下的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)性能。結(jié)果表明，高強鋼在循環(huán)荷載作用下的單調(diào)荷載不同，具有循環(huán)強化和軟化現(xiàn)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(huán)硬化效應(yīng)逐漸降低，循環(huán)軟化現(xiàn)象更加明顯[2]。高強度鋼的循環(huán)本構(gòu)模型已經(jīng)逐漸被探究與分析，相關(guān)學(xué)者根據(jù)Chaboche模型對高強度鋼材的循環(huán)本構(gòu)模型進行了標(biāo)定。Chaboche模型簡單方便，但沒有充分考慮鋼材應(yīng)變范圍相關(guān)性的影響。有學(xué)者利用鋼骨架曲線標(biāo)定了Ramberg-Osgood方程在不同應(yīng)變范圍內(nèi)的參數(shù)，建立了Q460鋼材的循環(huán)本構(gòu)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(guān)系，但當(dāng)應(yīng)變幅值超過±0.04時，鋼材的適用性仍有待驗證[3]。相關(guān)文獻在經(jīng)典非線性各向同性理論的基礎(chǔ)上，提出了三階段本構(gòu)模型，可以將鋼材的應(yīng)變范圍依賴性考慮到其中，模型能夠反映加載方式和循環(huán)響應(yīng)之間的影響關(guān)系，并可以通過單拉試驗數(shù)據(jù)對模型進行標(biāo)定。然而，三階段本構(gòu)模型較為復(fù)雜，具有19個有屈服平臺材料參數(shù)，22個無屈服平臺材料參數(shù)。一般而言，對不同循環(huán)本構(gòu)模型的比較研究仍然相對較少，不同循環(huán)本構(gòu)模型的計算效率和分析結(jié)果也不明確。

三、高強度鋼材極低周疲勞斷裂性能相關(guān)研究

在強烈地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的應(yīng)變幅可達屈服應(yīng)變的幾倍甚至幾十倍，疲勞壽命通常小于100圈。為了區(qū)別于傳統(tǒng)的低周疲勞，一些學(xué)者將地震引起的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點疲勞斷裂稱為高應(yīng)變低周疲勞，其主要特點是鋼材疲勞壽命極短，應(yīng)力幅水平較高。在美國北嶺地震中，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的破壞大多屬于極低周疲勞破壞。根據(jù)高周疲勞的研究方法，有學(xué)者對鋼材的低周疲勞進行了應(yīng)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(jié)構(gòu)的節(jié)點和抗震設(shè)計提供了新的研究思路。

四、高強度鋼構(gòu)件抗震性能相關(guān)研究

（一）柱構(gòu)件抗震性能。根據(jù)我國《高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，抗震性能設(shè)計時不宜在塑性耗能區(qū)使用高強鋼材，建議在以下構(gòu)件中使用：①延性為V等級的構(gòu)件;②框架結(jié)構(gòu)中的強柱弱梁構(gòu)件;③中心支承結(jié)構(gòu)中的強框弱梁構(gòu)件。國內(nèi)外對高強鋼材受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性、焊接殘余應(yīng)力和局部穩(wěn)定性進行了研究，為高強鋼材工程提供了設(shè)計依據(jù)。但對高強鋼材受壓構(gòu)件的抗震滯回性能研究較少，日本東京大學(xué)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(huán)側(cè)向荷載試驗，結(jié)果表明，柱的斷裂模數(shù)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(nèi)，清華大學(xué)和同濟大學(xué)對Q460高強鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件的抗震性能進行了系統(tǒng)的研究，但研究主要集中在機械領(lǐng)域，提出應(yīng)變幅低于1%。

（二）梁構(gòu)件抗震性能。由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)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(xiàn)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(shù)學(xué)者對高強鋼梁的抗震滯回性能進行了研究。日本學(xué)者Suzuki對590MPa高強度焊接工字梁進行了一系列循環(huán)加載試驗，并對材料性能和截面進行了有限元分析。也有學(xué)者對HSLA—80高強度鋼材焊接工字梁進行了循環(huán)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(xué)有學(xué)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(fā)現(xiàn)高強度鋼懸臂梁的延性系數(shù)略差，但其滯回性能稍強。

五、結(jié)束語

綜上所述，通過對前人研究成果的總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)高強度鋼結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，但《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的設(shè)計方法不適用于高強度鋼結(jié)構(gòu)工程，會使計算結(jié)果相對保守，不利于高強度鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的充分發(fā)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(gòu)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(jié)構(gòu)體系、設(shè)計方法等方面的研究亟待解決;③現(xiàn)行規(guī)范對Q460及以上鋼材的設(shè)計缺少明確的規(guī)定，許多規(guī)定不適用于高強度鋼結(jié)構(gòu)工程。因此，完善高強度鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)抗震研究進展綜述[J].鋼結(jié)構(gòu)，2020，35（3）：1-11.

[2]翁孝涵.高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用及研究進展[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2019，（30）：3984.

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

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[5]左國稷，全財華，蒲萬麗，等.高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017，（20）：183，185.

（作者單位：江蘇滬寧鋼機股份有限公司）