2021年浅谈高强度钢材在工程结构中的应用研究进展

浅谈高强度钢材在工程结构中的应用研究进展

高强度结构钢（简称高强钢）是指采用微合金化及热机械轧制技术生产出的具有高强度（屈服强度大于等于 460,MPa）、良好延性、韧性以及加工性能的结构钢材[1].区别于普通强度钢材，由于高强度钢材的屈服平台长度较短、屈强比较高而无法达到抗震规范的要求，其变形能力的验证更加重要。随着高强钢在工程结构领域的逐渐推广应用，有必要对高强度钢材钢结构的承载力、延性和抗震性能进行系统的研究。

本文旨在总结高强度钢材在工程结构中的应用现状与研究进展，进而说明相应需要深入研究的问题。

高强钢在发达国家已得到初步推广，取得了良好的效果，其中应用最多的领域是桥梁工程。德国的1Viaduct Bridge 中均采用了S460 高强度钢材（屈服强度为 460,MPa 的钢材，简称 S460 高强钢）。为减小桥墩尺寸，满足外观要求，德国的Nesenbachtalbruke 桥中受压构件采用了 S690 高强钢；为有效降低自重，便于战时快速运输与安装，瑞典的 48 号军用快速桥采用了 S1100 超高强钢。

高强钢的应用不仅减小了钢板的厚度进而减轻结构自重，同时也减小了焊缝的尺寸从而减少焊接工作量、提高焊缝质量。因此，在一定程度上缩短了施工工期，同时延长了桥梁的使用寿命。

高强钢已经在一些建筑结构中成功运用。这些工程大多采用了460~690,MPa 等级钢材，个别工程还使用了 780,MPa 等级钢材。如日本横滨 LandmarkTower 大厦，其工字形截面柱采用 600,MPa 钢材；德国柏林的 Sony Centre 大楼的屋顶桁架采用 S460 和S690 钢材；澳大利亚悉尼的 Star City 在地下室柱子和其内部 Lyric 剧院的 2 个桁架结构中采用 650,MPa和 690,MPa 等级的钢材；悉尼的 Latitude 大厦在转换层中采用 690,MPa 高强度钢板；美国休斯顿 ReliantStadium 体育馆的屋顶桁架结构采用 450,MPa 高强度钢材。高强钢在我国也已成功运用于建筑工程。如国家体育场鸟巢的关键部位采用了 700,t Q460 等级钢材；国家游泳中心水立方结构采用了 2,600,t Q420钢；央视新台址主楼结构采用了

2,674.19,t Q460 钢等。此外，值得一提的是，G550 高强钢在澳大利钢结构住宅方面也有了初步的应用[2].输电塔、海洋平台、压力容器、油气输送管道、船舶制造与汽车制造等领域是高强钢的潜在市场。日本和美国的铁塔设计标准都已经给出了较高等级的可选钢材。《日本架空送电规程》[3]中焊接结构钢的屈服强度最高为460,MPa,铁塔用高拉力型钢的屈服强度达到 520,MPa;《美国输电铁塔设计导则》[4]中的钢材强度已达到 686,MPa;高强钢在我国输电

线路领域中的运用起步较晚，我国《架空送电线路杆塔结构设计规定》[5]中的最高强度等级目前只有390,MPa.但 xx 年，Q460 角钢在平顶山 - 洛南500,kV 线路的输电塔中得以应用。结果表明，高强钢的使用可以有效降低输电塔的自重，节省材料可达10%,,从而降低整体造价达 8%,之多[6].

虽然高强钢已开始在一些国家和地区得到推广和使用，但其普及仍受到诸多因素的限制。首先，由于相关的研究工作还有待深入，其结构设计方法还相对滞后。欧洲钢结构规范仅在原有普通钢材钢结构设计规范中，增加了针对 S460-700 的补充条款；美国的荷载抗力系数设计规范（极限应力设计法 LRFD）中虽提出了最高为

A514（强度标准值 690,MPa）的几种高强度结构钢材的荷载抗力系数，但两者均仅套用普通钢材钢结构的设计方法和计算公式，并未建立在充足研究数据的基础上。同时，由于生产高强钢采用了新的加工工艺，其力学性能及连接的受力性能等均随之变化，而现行设计方法未能充分考虑这些变化。我国的钢结构设计规范更是缺少针对 460,MPa以上等级钢材的设计条文，缺少高强钢的抗力分项系数和强度设计值指标，因此，无法指导和规范工程设计[7].其次，相对于强度的大幅增长，高强钢的弹性模量并没有明显增长，而使用此类钢材伴随的焊缝造价增加、钢材延性降低等问题又尚未得到合理解决。

高强钢在工程结构中的应用研究，目前主要集中在材料性质和节点性能两个方面。国内外针对高强度钢结构力学性能的研究成果还主要集中于静力、分布研究和受压构件的整体稳定、局部稳定及滞回性能研究中。

节点是结构中构件相互交汇连接的区域，是结构特别关键的部位。对于高强钢结构节点而言，一方面，因为钢材屈服平台长度较短、屈强比较高而无法达到抗震规范的要求，其变形能力的验算更加重要。另一方面，由于缺少一定数量的研究，难以对节点实际变形和转动能力进行估计，因此，高强钢结构节点的力学性能仍是亟需解决的一个关键问题。在建筑工程中量大面广的结构是框架结构，其典型的节点主要为梁柱连接节点，通常有焊接连接和螺栓连接两种基本类型。由于梁柱螺栓连接大多借助端板连接，故此类节点又称为端板连接节点。以下主要介绍端板连接节点的研究情况。

2.1 节点试验研究

端板连接节点的试验主要以抗弯试验为主，对端板的理论研究主要采用 T-stub 理论。Coelho 等在文献[8]中证实，在端板厚度不超过一定限值的情况下，节点的转动主要于节点的受拉区，该受拉区可以简化为一个 T-stub 模型，如图 1 所示。根据节点塑性铰出现位置不同，在轴拉力作用下的 T 型件破坏模式可分为翼缘产生塑

性铰、联合破坏和螺栓拉坏3 种。研究表明[9-12],欧洲规范能够较为准确地预测节点的承载力，但高估了其初始转动刚度，对转动能力的估算也偏于保守。研究还表明，端板厚度对节点初始刚度的影响比柱翼缘的厚度更加显着，其中，端板厚度越大，节点的初始抗弯能力和刚度就越大，而其转动能力却随之减小。反之，随着端板厚度的减少，节点的转动能力也随之增加。大体上，薄端板通常能够满足塑性转动 30,mrad 的要求。

高强钢端板具有足够的局部延性来保证荷载的应力重分布，甚至当螺栓并未按最佳方式布置时，仍然具有充分的延性[13-14].其工作机理为：首先，只有一个螺栓承担所有的荷载；当其他螺栓激活后，即应力重分布后，所有螺栓共同承担荷载。通过螺栓孔的椭圆化率来判定钢材的局部延性可以发现，构件在试验中表现出了极大的塑性变形。试验结果表明，由纯剪造成的螺孔伸长并不是构件的最终极限状态，通过限制平均承载应力大小的方式来限制形变的欧洲规范偏于保守。实际上，高强钢螺栓节点在弹塑性阶段的荷载-位移曲线表明，螺孔的容许伸长率可以达到d0/6（d0为螺孔直径设计值）。在弹性曲线的最后阶段，其极限承载力也只减少了 20%,,因此，相应的规范限值还需进一步修正。

对抗剪连接构件的试验表明[15-17],即使高强钢的极限强度与屈服强度的比值较小，甚至对 S1100 钢而言，小至 1.05,其对构件局