高强度钢材钢结构研究进展

马锡平

摘要：钢材具有强度高、重量轻、塑性好、工业化程度高等优点，是理想的建筑材料。近20年来，随着钢材生产工艺的进步，钢材的可塑性性和力学性能得到了很大的提高，从而促进了新型高强度结构钢的出现。但目前，国内外对高强度钢材还没有明确的定义。本文就高强度钢材钢结构研究进展开展探究与分析。

关键词：高强度钢材;钢结构;工程应用

高强度结构钢材一般称为“高强钢”，其屈服强度不低于460MPa，同时具有良好的韧性、焊接性、冷弯性能等。随着钢材强度的增加，构件可以采用较小的截面尺寸，从而降低结构的钢材消耗量，减轻结构自重，扩大建筑的使用空间，具有良好的节能环境效益。近年来，高强度钢材在中、美、日等国的桥梁工程、建筑结构和输电塔中得到了越来越广泛的应用。但与普通强度结构钢材相比，高强度钢材随着屈服强度的提高，屈强比会增大，可延性逐渐减小，其在抗震设防领域的应用受到限制。因此，高强钢结构抗震性能的研究是工程界迫切需要解决的问题。

一、高强度钢材静力拉伸性能相关研究

钢结构的耗能能力主要取决于构件和节点的塑性变形能力。我国《钢结构设计标准》（GB50017-2017）对钢结构材料作出明确规定，以保证钢结构及其构件具有足够的可塑性和可延性变形能力[1]。①钢材屈强比不得超过0.85;②具有明显的屈服平台，断裂伸长率不小于20%;③具有良好的焊接性能和冲击韧性;④屈服强度测试值不高于上一级钢材的屈服强度指定值。考虑到高强度结构钢材屈强比的提高、断后伸长率和延性的降低，《高强钢结构设计规范》草案规定，钢材的实测屈强比不的超过0.9，断裂伸长率应超过16%。相关文献表明，屈服比的极限值大多集中在0.80至0.85之间，欧洲钢结构设计规范的补充规定，高强度钢材的最大屈强比可达95，断后伸长率的应集中在15%至20%之间。

二、高强度钢材循环荷载本构模型相关研究

钢材的本构关系是钢结构研究的基础，与单调荷载下的本构关系相比，循环荷载下的本构关系能更准确地描述钢结构的抗震反应。一些学者通过循环加载试验研究了高强度钢材在循环加载下的本构关系和力学性能。结果表明，高强钢在循环荷载作用下的单调荷载不同，具有循环强化和軟化现象。高强钢具有良好的耗能能力和可塑性，随着高强钢屈服强度的增加，其循环硬化效应逐渐降低，循环软化现象更加明显[2]。高强度钢的循环本构模型已经逐渐被探究与分析，相关学者根据Chaboche模型对高强度钢材的循环本构模型进行了标定。Chaboche模型简单方便，但没有充分考虑钢材应变范围相关性的影响。有学者利用钢骨架曲线标定了Ramberg-Osgood方程在不同应变范围内的参数，建立了Q460钢材的循环本构模型，该模型能够反映钢材屈服强度与加载路径之间的影响关系，但当应变幅值超过±0.04时，钢材的适用性仍有待验证[3]。相关文献在经典非线性各向同性理论的基础上，提出了三阶段本构模型，可以将钢材的应变范围依赖性考虑到其中，模型能够反映加载方式和循环响应之间的影响关系，并可以通过单拉试验数据对模型进行标定。然而，三阶段本构模型较为复杂，具有19个有屈服平台材料参数，22个无屈服平台材料参数。一般而言，对不同循环本构模型的比较研究仍然相对较少，不同循环本构模型的计算效率和分析结果也不明确。

三、高强度钢材极低周疲劳断裂性能相关研究

在强烈地震作用下，钢结构节点的应变幅可达屈服应变的几倍甚至几十倍，疲劳寿命通常小于100圈。为了区别于传统的低周疲劳，一些学者将地震引起的钢结构节点疲劳断裂称为高应变低周疲劳，其主要特点是钢材疲劳寿命极短，应力幅水平较高。在美国北岭地震中，钢结构节点的破坏大多属于极低周疲劳破坏。根据高周疲劳的研究方法，有学者对钢材的低周疲劳进行了应变疲劳研究，但大多为极低周疲劳断裂[4]。然而，对高强度钢材的研究却很少。总之，研究高强度钢材的极低周疲劳断裂行为，为确定高强度钢结构的节点和抗震设计提供了新的研究思路。

四、高强度钢构件抗震性能相关研究

（一）柱构件抗震性能。根据我国《高强钢结构设计规范》规定，抗震性能设计时不宜在塑性耗能区使用高强钢材，建议在以下构件中使用：①延性为V等级的构件;②框架结构中的强柱弱梁构件;③中心支承结构中的强框弱梁构件。国内外对高强钢材受压构件的整体稳定性、焊接残余应力和局部稳定性进行了研究，为高强钢材工程提供了设计依据。但对高强钢材受压构件的抗震滞回性能研究较少，日本东京大学曾对H—SA700钢板制成的3根无焊接高强螺栓组合柱进行了循环侧向荷载试验，结果表明，柱的断裂模数取决于翼缘的非弹性屈曲，螺栓孔有利于增加翼缘的屈服能力，从而提高一定的延性[5]。在国内，清华大学和同济大学对Q460高强钢结构受压构件的抗震性能进行了系统的研究，但研究主要集中在机械领域，提出应变幅低于1%。

（二）梁构件抗震性能。由于钢结构设计应遵循强柱弱梁的原则，而且截面形式对梁性能的影响比材料的影响更为明显，因此高强度钢梁的研究目前还不是热点，现有的研究主要集中在高强钢梁的承载力和抗火性能方面，少数学者对高强钢梁的抗震滞回性能进行了研究。日本学者Suzuki对590MPa高强度焊接工字梁进行了一系列循环加载试验，并对材料性能和截面进行了有限元分析。也有学者对HSLA—80高强度钢材焊接工字梁进行了循环加载试验，对其材料性能、截面形状和加载条件进行了分析。我国同济大学有学者对两根屈服强度为575MPa的高强度钢悬臂梁进行了低周加载试验，并与相同尺寸的Q345B钢悬臂梁进行了比较，发现高强度钢悬臂梁的延性系数略差，但其滞回性能稍强。

五、结束语

综上所述，通过对前人研究成果的总结和分析，发现高强度钢结构具有良好的力学性能，但《钢结构设计规范》中的设计方法不适用于高强度钢结构工程，会使计算结果相对保守，不利于高强度钢结构优势的充分发挥。目前，高强度钢仍然存在许多值得探讨和研究的问题。针对目前研究的不足之处，笔者提出了以下展望：①高强钢构件的抗震性能和滞回性能研究相对较少，有待于进一步研究;②高强钢结构体系、设计方法等方面的研究亟待解决;③现行规范对Q460及以上钢材的设计缺少明确的规定，许多规定不适用于高强度钢结构工程。因此，完善高强度钢结构相关设计规范已迫在眉睫。

参考文献：

[1]尹飞，杨璐，施刚，等.高强度钢材钢结构抗震研究进展综述[J].钢结构，2020，35（3）：1-11.

[2]翁孝涵.高强度钢材钢结构的工程应用及研究进展[J].建筑工程技术与设计，2019，（30）：3984.

[3]纵飞.高强度钢材钢结构研究进展综述[J].建筑·建材·装饰，2018，（14）：149.

[4]王桂鹏，荆科伟.高强度钢材钢结构的工程应用及研究进展[J].建筑工程技术与设计，2018，（22）：5346.

[5]左国稷，全财华，蒲万丽，等.高强度钢材钢结构研究现状[J].科技创新与应用，2017，（20）：183，185.

（作者单位：江苏沪宁钢机股份有限公司）