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本文作者：李國強王彥博陳素文孫飛飛作者單位：同濟大學

研究現(xiàn)狀

高強鋼結構構件設計的三個主要方面:彈性階段設計、塑性階段設計與抗震設計。彈性階段設計，高強鋼在受壓、純彎和壓彎作用下的承載力通常由構件的局部屈曲、整體屈曲或兩者的相關屈曲控制，現(xiàn)有針對普通鋼構件的理論分析方法仍然適用于高強鋼構件［31］。然而構件的承載力受殘余應力、初始幾何缺陷、材料力學性能等參數(shù)的影響。高強鋼的應力-應變曲線與普通鋼有顯著差異，鋼構件中殘余應力與屈服強度的比值也隨材料強度發(fā)生變化［18］，高強鋼構件對初始幾何缺陷的敏感程度較普通強度構件低［19］，這些因素將造成現(xiàn)有設計規(guī)范［20-21］中的某些條文對高強鋼不一定適用，需重新檢驗。塑性階段設計，現(xiàn)有設計規(guī)范假定構件具有足夠的延性與變形能力，認為構件在相對較大變形下仍不發(fā)生破壞，使得內力能夠在非靜定結構中重新分布。相比普通強度鋼，高強鋼的屈強比大而斷后伸長率較小，構件截面寬厚比限值隨鋼材強度而變化，這些均將影響高強鋼受彎構件的變形能力，是塑性階段設計的重點?？拐鹪O計中，通常預期結構將在大震作用下經歷較大變形，抗震結構與構件必須具備足夠的延性以保持在較大變形下繼續(xù)承載;此外，抗震結構還需要合理的結構布置，以保證在大震作用下形成有效的耗能機制。依據(jù)材料性能的特點，提高鋼材抗拉強度的途徑主要有三種:1)添加鐵與碳以外的化學元素以獲得高強度、高斷裂韌性、耐腐蝕、耐高溫和耐低溫等特性;2)通過熱處理工藝得到需要的組織結構并達到預期的力學性能;3)在結晶溫度以下(通常為常溫)加工，冷作硬化將顯著提高鋼材的強度和硬度。由不同途徑獲得的高強鋼可分為早期高強鋼、新型高性能鋼和冷軋高強鋼。三種高強鋼的力學性能存在顯著差異，因此在進行高強鋼的應用研究時，需對鋼材的種類加以區(qū)分，如，材料性能的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為材料性能分項系數(shù)的基礎，對熱軋和冷軋高強鋼進行區(qū)分。本文對高強鋼研究進展的介紹均指熱軋高強鋼，限于篇幅，對冷軋高強鋼研究內容不予介紹。

1材料力學性能

材料力學性能是高強鋼結構研究和應用的基礎。國內外學者通過對大量試驗結果的總結分析［7-8］，發(fā)現(xiàn)隨著高強鋼屈服強度的提高，鋼材的屈服平臺縮短甚至消失，鋼材的屈強比增大并接近1，鋼材的斷后伸長率減小。1969年，美國ASTM制定的A514規(guī)范規(guī)定了名義屈服強度690MPa高強鋼的化學成分與力學性能［1］。美國與日本學者首先在高強鋼基本構件的研究中獲得了相關材性試驗結果［22-26］，隨后澳大利亞與歐洲學者在高強鋼相關研究中積累了更多的材性試驗數(shù)據(jù)［27-29］。早期高強鋼由于可焊性差，斷裂韌性與冷彎性能不足等問題，沒有得到廣泛應用。20世紀90年代，美國和日本的橋梁建造業(yè)與鋼鐵制造業(yè)密切合作，研發(fā)出力學性能與可焊性符合工程需求的新型高性能鋼材。新型高性能鋼材通過減少碳、硫等元素含量改善鋼材的可焊性，同時通過控軋控冷技術(TMCP)與添加合金元素等手段，提高鋼材的強度、斷裂韌性與冷彎性能，具有良好的疲勞性能［30］。新型高性能鋼材近10年在工程建設中逐漸得到應用，如日本的橋梁采用高性能鋼BHS500W與BHS700W等，美國ASTM的建筑結構用高性能鋼A992與橋梁用高性能鋼A709等。Fukumoto［7］總結并比較了普通強度鋼、早期高強鋼與新型高性能鋼(TMCP)的力學性能，分析了低屈強比高強鋼構件的承載力與延性性能;Galambos等［31］按鋼牌號分類總結了已有的高強鋼材料性能;Shi等［11］總結了國內外高強鋼材料性能的試驗結果。另外，我國學者對高強鋼材在高溫與低溫下的性能也進行了研究。劉兵［32］通過對高強度結構鋼軸心受壓構件抗火性能的研究，認為Q460高強鋼具有良好的高溫下材料性能;王元清等［33］研究了Q460高強鋼在低溫下材料的力學性能，認為當溫度低于－40℃時Q460易脆性破壞。

2基本構件承載力與變形能力

1）受壓構件

國內外學者研究了高強鋼焊接H形截面、焊接箱形截面和十字形截面受壓構件的力學行為，主要針對軸壓構件的局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定與承載力等進行了試驗與理論研究，主要研究成果見表1。研究結果表明:殘余應力對高強鋼構件承載力的影響較小;焊接箱形截面與繞弱軸失穩(wěn)的焊接H形截面高強鋼受壓構件的穩(wěn)定系數(shù)高于普通鋼構件;高強鋼壓桿局部穩(wěn)定的截面寬厚比限值可采用與普通強度鋼相同的規(guī)定;高強鋼屈服后的應變強化性能弱于普通強度鋼材，造成高強鋼短柱的正則化強度低于普通鋼短柱。

2）受彎構件

1969年以來，美國學者McDermott［23-24］首先針對早期高強鋼制作的工形截面受彎構力學性能開展了研究，隨后日本學者Kuwamura［41］、Kato［42-43］等進一步研究了因高強鋼相對普通強度鋼具備高屈強比、無明顯屈服平臺段、延伸率低等特點對受彎構件力學性能的影響。對于早期高強鋼受彎構件，文獻［24］認為其具有足夠的變形能力可應用于塑性設計;但文獻［44-46］在試驗研究中發(fā)現(xiàn)，A514高強鋼梁的受拉翼緣在未達到完全塑性彎矩以前發(fā)生脆性斷裂，有些受彎試件雖能達到完全塑性彎矩但轉動能力不足，認為早期高強鋼不具備足夠的延性以滿足塑性設計的要求。另外，由于早期高強鋼化學成分中碳當量較高，對焊接工藝要求較為苛刻，增加了建設成本，也阻礙了早期高強鋼的推廣應用。1994年，美國聯(lián)邦公路局、美國海軍與美國鋼鐵協(xié)會聯(lián)合啟動了高性能鋼的研發(fā)項目［47］，ASTM分別頒布了建筑結構用高性能鋼標準A992與橋梁用高性能鋼標準A709。20世紀90年代末，各國學者相繼展開對高強鋼與高性能鋼受彎構件的試驗研究與數(shù)值分析。以美國、日本為主的研究者對高強鋼受彎構件力學性能進行了大量試驗與理論研究，研究內容主要集中在高強鋼工形截面受彎構件的承載力、局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定以及高強鋼材料力學性能對受彎構件轉動性能的影響，具體見表2。研究結果表明:1)美國現(xiàn)有規(guī)范AASHTO-LRFD［48］仍可較為準確地預測高強鋼工形截面受彎構件的承載力;2)與普通鋼構件相比，相同截面的高強鋼受彎構件的轉動能力下降明顯(HSLA80相對A36下降70%～83%)，主要影響因素為材料屈強比;3)規(guī)范AASHTO-LRFD［48］與AISC-LRFD［49］要求的翼緣寬厚比限制與腹板寬厚比限制無法保證高強鋼受彎構件具有足夠的延性;4)限制鋼材的屈強比或嚴格控制板件寬厚比等保證高強鋼受彎構件具有足夠的轉動能力;5)高性能鋼梁的疲勞性能相對早期高強鋼也有顯著提升［50］。另外，為了使高性能鋼材的優(yōu)勢能在受彎構件中得到充分發(fā)揮，美國與英國學者研究并提出了混合鋼梁的設計方法［2］;美國與加拿大學者［51-52］分析了雙腹板工形截面鋼梁、波紋腹板工形截面鋼梁以及鋼管翼緣工形截面鋼梁等，并給出了相應的設計方法。

3構件連接

1）螺栓連接

20世紀90年代末至今，國外學者開始對高強鋼構件的螺栓連接性能進行研究［63-69］，主要分析了螺栓端距、邊距、間距與高強鋼材料力學性能對螺栓連接受剪承載力與變形能力的影響，檢驗了現(xiàn)有設計規(guī)范對高強鋼螺栓連接的適用性，給出了設計建議，見表3。研究結果表明:1)美國規(guī)范AISC-LRFD-1993可以準確預測高強鋼螺栓連接的承載力;AISC-LRFD-1999中螺栓連接受剪承載力預測公式由孔中心距離改為采用孔邊緣距離，其預測值不如AISC-LRFD-1993準確，較保守;歐洲規(guī)范Eurocode3對于邊距、間距小于限值需折減螺栓連接受剪承載力的規(guī)定偏保守，螺栓間距與邊距的要求對S460鋼可以適當放松;歐洲規(guī)范EN1993-1-8中螺栓連接承壓強度設計公式基于單螺栓連接試驗研究，對于多螺栓連接情況不完全適用。2)鋼材強屈比對螺栓連接的局部變形能力影響較小，強屈比降低至1.05沒有顯著影響此類連接的局部變形能力;高強鋼螺栓連接局部變形能力可以克服因制造誤差造成的各螺栓受力不同步，使得剪力在各螺栓中重新分布;螺栓端距對連接局部變形能力影響較大，連接極限變形值隨端距的減小而降低;局部截面有削弱(約10%)的高強鋼構件受拉時變形集中于削弱處，構件整體延性差。

2）焊接連接

國外學者針對高強鋼的焊接性能進行了研究，主要包括焊接連接的延性、韌性與疲勞性能。Huang等［70］對抗拉強度400～800MPa高強鋼的焊接連接進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)高強鋼試件焊接后變形能力顯著下降，認為抗拉強度超過600MPa的高強鋼在地震作用下只能利用其彈性變形部分。Kolstein等［71］對S600、S1100鋼匹配焊接與低匹配焊接連接的變形能力進行了試驗與有限元分析，指出匹配焊接可以提供足夠的變形能力，但低匹配焊接連接時需要特別注意連接強度。Zrilic等［72］研究了低合金高強度鋼材(名義屈服強度700MPa)的焊接性能，發(fā)現(xiàn)熔敷金屬的斷裂韌性弱于熱影響區(qū)和母材。Muntean等［73］實測了S235、S460和S690的材料性能，對72個焊接連接試件(K形坡口、V形坡口與角焊縫)進行了單調與往復加載試驗，分析了不同牌號高強鋼與S235低碳鋼焊接連接在單調與反復加載下的性能，發(fā)現(xiàn)不同試件均在母材處斷裂，高強鋼與普通鋼混合焊接連接的強度與延性得到保證。歐洲學者針對名義屈服強度460～690MPa的高強鋼焊接連接進行了疲勞性能試驗［74-76］，認為高強鋼焊接連接具有良好的疲勞性能，甚至優(yōu)于普通強度鋼的焊接連接，其疲勞強度高于歐洲規(guī)范EN1993-1-9的預期。

3）連接節(jié)點

荷蘭代夫特大學對高強鋼端板連接節(jié)點的性能進行了系列研究。2007年，GiroCoelho等［77］進行了S355鋼梁、柱與S690高強鋼端板連接的節(jié)點性能試驗研究，試驗結果表明，高強鋼端板連接滿足現(xiàn)有規(guī)范條款對連接剛度、承載力與轉動能力的要求。2009—2010年，GiroCoelho等［78-79］制作了9個S690高強鋼與11個S960超高強鋼工形截面試件，進行兩跨單點加載模擬梁柱節(jié)點受力情況，研究了節(jié)點域腹板的受力特性，結果表明，隨鋼材強度的提高，其變形能力與延性均降低;為研究梁柱節(jié)點的受力特性，對高強鋼鋼柱腹板在局部荷載下的彈塑性性能進行了參數(shù)分析，通過與歐洲現(xiàn)有規(guī)范預測值對比，對現(xiàn)有規(guī)范針對高強鋼結構設計給出了建議。

4高強鋼結構的抗震性能

高強鋼在抗震設防區(qū)的應用問題受到地震多發(fā)國家和地區(qū)的廣泛關注，目前已取得的高強鋼研究成果主要針對彈性設計與塑性設計，關于高強鋼抗震設計的研究成果相對較少。日本學者Kuwamura等［80］進行了早期高強鋼壓彎試件的往復加載試驗，評估了高強鋼試件的滯回性能以及納入抗震結構材料的可行性。Kuwamura等［81］對日本新型低屈強比(小于0.8)高強鋼(屈服強度431MPa)梁、柱焊接節(jié)點的低周疲勞性能進行了試驗研究與地震響應分析，認為此類節(jié)點在強震作用下有足夠的安全儲備。美國學者Ricles等［53］分析了高強鋼受彎構件的延性性能、耗能能力與普通鋼材的差別，認為屈強比是影響試件非彈性行為的主要因素，可通過限定屈強比確保試件具有足夠的變形與耗能能力。羅馬尼亞學者Dubina等［82］針對偏心支撐框架提出了雙重鋼結構系統(tǒng)，即在耗能梁段采用可更換的低屈服點連桿，而在非耗能部位采用彈性設計的高強鋼構件，并建立多層框架模型進行了分析驗證。我國學者王飛等［83］研究了屈強比對鋼框架抗震性能的影響，認為鋼材屈強比越大其構件的塑性轉動能力和抗震性能越弱;鄧椿森等［84］采用有限元法分析了鋼材強度對箱形截面壓彎構件滯回性能的影響，發(fā)現(xiàn)高強鋼提高了壓彎構件的屈服承載力和屈服變形能力，同時加速了剛度退化并降低了試件的延性;崔嵬［85］通過Q460C鋼的材料與H形、箱形柱的低周反復加載試驗和有限元分析，提出了Q460C高強鋼材料與H形、箱形柱受壓構件的滯回模型。

高強鋼結構在抗震設防區(qū)的應用

1抗震設防區(qū)對結構用鋼的要求

Fukumoto［7］通過對比不同牌號鋼材的力學性能，發(fā)現(xiàn)隨著鋼材屈服強度的提高，鋼材的屈強比增大，鋼材的極限應變減小，如圖3所示。為確保抗震設防區(qū)鋼結構及構件具足夠的塑性變形能力與耗能能力，GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》［86］對結構用鋼的材料力學性能要求較GB50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》［20］更為嚴格，主要體現(xiàn)在屈強比、斷后伸長率等指標，見表4。屈服強度越高的鋼材越難滿足抗震設防區(qū)的設計要求，因此高強鋼在抗震設防區(qū)的應用受到了限制。隨著鋼材生產工藝的提高，以熱機械控制軋制(TMCP)工藝為交貨狀態(tài)保證了鋼材的高性能。TMCP工藝交貨狀態(tài)不僅比正火軋制交貨狀態(tài)提高了鋼材的強度，而且碳當量低，具有良好的可焊性。因此，高強鋼的屈強比體現(xiàn)了鋼材的強度儲備，并影響構件的變形能力，如圖4所示。圖4a中為有開孔(或削弱)的構件，fy為屈服強度，fp近似為抗拉強度，Ny=Afy，Np=Anfp，A為構件截面面積，An為開孔處凈截面面積。當鋼材屈強比較大，Ny＞Np時，構件的非削弱部分不會產生塑性變形，構件的整體變形能力降低。圖4b為受彎構件的受力簡圖，My為屈服彎矩，Mp1、Mp2為塑性彎矩。隨著鋼材屈強比的增大，Mp1將更接近Mp2，梁端塑性分布的擴展將受到限制，梁的轉動變形能力降低。斷后伸長率體現(xiàn)了材料的延性性能，是影響構件與結構延性的重要因素。結構及構件的延性對于其抗震性能起著至關重要的作用。隨著鋼材強度的提高，屈強比增大，斷后伸長率減小，造成高強鋼材料性能不能滿足GB50011—2010的要求。為便于比較，將我國結構用鋼三部規(guī)范中對鋼材拉伸力學性能的規(guī)定概括列于表5，分別為GB/T700—2006《碳素結構鋼》［87］、GB/T19879—2005《建筑結構用鋼板》［88］與GB/T1591—2008《低合金高強度結構鋼》［89］。對比表4要求與表5力學性能指標可以看出，名義屈服強度大于420MPa的鋼材均不能用于抗震結構中，且由于GB50017—2003中只增補了Q420鋼，Q460及更高牌號鋼材的應用也因沒有充分的設計依據(jù)而受到限制。

2高強鋼在地震設防區(qū)應用的兩種思路

GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》采用的是“三水準設防，兩階段設計”，即第一階段設計為多遇地震作用下對結構的承載力、彈性變形進行驗算，以保證“小震不壞”;第二階段設計為罕遇地震作用下對結構薄弱部位彈塑性變形進行驗算，以保證“大震不倒”，并通過合理的構造措施保證“中震可修”。在抗震設計過程中除了保證結構具有足夠的剛度與承載力滿足小震作用下的彈性驗算，還要使結構具備足夠的延性滿足大震作用下的變形與耗能要求。影響結構延性的主要因素有材料的延性、構件的延性以及合理的結構布置。為了解決高強鋼在抗震設防區(qū)應用所面臨的問題，本文根據(jù)抗震設計原理提出了兩種解決思路:一種是通過提高延性較差的高強鋼結構的地震作用，從而降低地震作用下對結構及構件的延性需求;另一種是通過設置專門的屈服控制和耗能裝置，使屈服控制和耗能裝置在大震作用下首先屈服并產生塑性變形耗散地震能量，以避免高強鋼構件在大震作用下進入塑性狀態(tài)，從而減免高強鋼構件在地震作用下的延性需求。

1）提高延性較差的高強鋼結構的地震作用

如圖5所示，對于具有較好延性的結構，可通過塑性變形耗能以耗散地震作用能量，保證結構不發(fā)生嚴重破壞和倒塌。因此，延性好的結構，結構的承載力可設計得低些，或設計地震作用需求低些。相反，對于延性較差的結構，則結構的承載力應設計得高些，或設計地震作用需求高些，這樣，在設計地震作用下，結構的延性需求可適當降低。

2）限制高強鋼構件達到屈服

基于能力設計概念，合理控制高強鋼結構塑性鉸出現(xiàn)的順序和位置，通過延性構件屈服后的耗能來保證非延性構件在大震作用下始終處于彈性階段，從而保證整個結構體系在大震作用下的安全。震害實例、試驗研究與理論分析結果表明［90］，變形能力不足和耗能能力不足是結構在大震作用下倒塌的主要原因。若要確保高強鋼結構在大震作用下不發(fā)生倒塌，要求結構具有足夠的變形能力并能形成有效的耗能機制。半剛接節(jié)點具有良好的變形能力，并具備一定的耗能能力［90］，因此可采用半剛性框架結構來保證良好的變形能力，如圖6所示。為保證高強鋼結構具有足夠的能力抵抗地震作用和風荷載，以及在大震作用下具有足夠的耗能能力，可設置專門的抗側力耗能構件。根據(jù)不同的抗側力體系選擇低屈服點防屈曲支撐或低屈服點防屈曲鋼板墻等。耗能構件作為結構的“保險絲”，在大震作用下首先屈服，通過塑性變形耗散地震能量，從而使體系的高強鋼構件在大震作用下處于彈性狀態(tài)，如圖6所示。為此，耗能構件需進行單獨的設計以確保其延性和耗能能力。通過選擇合理的結構體系及設置專門耗能構件，結合半剛接節(jié)點的良好變形能力與耗能構件的性能，保持高強鋼構件處于彈性狀態(tài)，滿足結構抗震性能要求(變形及耗能能力)，彌補高強鋼延性性能的不足。

3提高高強鋼構件設計的目標可靠指標

考慮到高強鋼構件的延性性能較差，基于建筑結構的可靠度，根據(jù)高強結構鋼的力學性能對高強鋼構件的破壞類型進行分類，對非延性破壞的構件提出更高的設計目標可靠指標要求。GB50068—2001《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》［91］將結構構件承載能力極限狀態(tài)下的可靠指標分為脆性破壞與延性破壞兩類，并給出了最小限值。本文根據(jù)鋼材的拉伸試驗性能指標將高強鋼構件劃分為延性構件、半延性構件與脆性構件，分類標準見表6。在GB50068—2001的可靠指標中增加半延性破壞類型，并將脆性破壞的可靠指標提高0.5，具體見表7。在確定高強鋼構件的荷載分項系數(shù)γF(可變荷載分項系數(shù)γQ)時，應根據(jù)鋼材的力學性能將高強鋼構件按表6確定破壞類型，然后選取表7中規(guī)定的可靠指標進行計算。由于提高了非延性破壞構件的荷載分項系數(shù)，結構在承載能力極限狀態(tài)下的地震作用效應被放大，要求結構具有更高的承載力與抗側能力，以保證結構安全。提高脆性破壞構件的可靠度指標的目的是保證構件的安全，即通過更加嚴格的限制結構構件失效概率來防止脆性破壞。