高強度鋼材在工程結構中的應用研究進展,結構工程論文

高強度鋼材在工程結構中的應用研究進展,結構工程論文高強度構造鋼〔簡稱高強鋼〕是指采用微合金化及熱機械軋制技術生產出的具有高強度〔委屈服從強度大于等于460,MPa〕、良好延性、韌性以及加工性能的構造鋼材[1].區(qū)別于普通強度鋼材，由于高強度鋼材的委屈服從平臺長度較短、屈強比擬高而無法到達抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗證愈加重要。隨著高強鋼在工程構造領域的逐步推廣應用，有必要對高強度鋼材鋼構造的承載力、延性和抗震性能進行系統(tǒng)的研究。本文旨在總結高強度鋼材在工程構造中的應用現(xiàn)在狀況與研究進展，進而講明相應需要深切進入研究的問題。1高強鋼的應用狀況及限制因素高強鋼在發(fā)達國家已得到初步推廣，獲得了良好的效果，華而不實應用最多的領域是橋梁工程。德國的1ViaductBridge中均采用了S460高強度鋼材〔委屈服從強度為460,MPa的鋼材，簡稱S460高強鋼〕。為減小橋墩尺寸，知足外觀要求，德國的Nesenbachtalbruke橋中受壓構件采用了S690高強鋼；為有效降低自重，便于戰(zhàn)時快速運輸與安裝，瑞典的48號軍用快速橋采用了S1100超高強鋼。高強鋼的應用不僅減小了鋼板的厚度進而減輕構造自重，同時也減小了焊縫的尺寸進而減少焊接工作量、提高焊縫質量。因而，在一定程度上縮短了施工工期，同時延長了橋梁的使用壽命。高強鋼已經在一些建筑構造中成功運用。這些工程大多采用了460~690,MPa等級鋼材，個別工程還使用了780,MPa等級鋼材。如日本橫濱LandmarkTower大廈，其工字形截面柱采用600,MPa鋼材；德國柏林的SonyCentre大樓的屋頂桁架采用S460和S690鋼材；澳大利亞悉尼的StarCity在地下室柱子和其內部Lyric劇院的2個桁架構造中采用650,MPa和690,MPa等級的鋼材；悉尼的Latitude大廈在轉換層中采用690,MPa高強度鋼板；美國休斯頓ReliantStadium體育館的屋頂桁架構造采用450,MPa高強度鋼材。高強鋼在我們國家也已成功運用于建筑工程。如國家體育場鳥巢的關鍵部位采用了700,tQ460等級鋼材；國家游泳中心水立方構造采用了2,600,tQ420鋼；央視新臺址主樓構造采用了2,674.19,tQ460鋼等。除此之外，值得一提的是，G550高強鋼在澳大利鋼構造住宅方面也有了初步的應用[2].輸電塔、海洋平臺、壓力容器、油氣輸送管道、船舶制造與汽車制造等領域是高強鋼的潛在市場。日本和美國的鐵塔設計標準都已經給出了較高等級的可選鋼材。(日本架空送電規(guī)程〕[3]中焊接構造鋼的委屈服從強度最高為460,MPa,鐵塔用高拉力型鋼的委屈服從強度到達520,MPa;(美國輸電鐵塔設計導則〕[4]中的鋼材強度已到達686,MPa;高強鋼在我們國家輸電線路領域中的運用起步較晚，我們國家(架空送電線路桿塔構造設計規(guī)定〕[5]中的最高強度等級當前只要390,MPa.但2007年，Q460角鋼在平頂山-洛南500,kV線路的輸電塔中得以應用。結果表示清楚，高強鋼的使用能夠有效降低輸電塔的自重，節(jié)省材料可達10%,,進而降低整體造價達8%,之多[6].固然高強鋼已開場在一些國家和地區(qū)得到推廣和使用，但其普及仍遭到眾多因素的限制。首先，由于相關的研究工作還有待深切進入，其構造設計方式方法還相對滯后。歐洲鋼構造規(guī)范僅在原有普通鋼材鋼構造設計規(guī)范中，增加了針對S460-700的補充條款；美國的荷載抗力系數設計規(guī)范〔極限應力設計法LRFD〕中雖提出了最高為A514〔強度標準值690,MPa〕的幾種高強度構造鋼材的荷載抗力系數，但兩者均僅套用普通鋼材鋼構造的設計方式方法和計算公式，并未建立在充足研究數據的基礎上。同時，由于生產高強鋼采用了新的加工工藝，其力學性能及連接的受力性能等均隨之變化，而現(xiàn)行設計方式方法沒有能充分考慮這些變化。我們國家的鋼構造設計規(guī)范更是缺少針對460,MPa以上等級鋼材的設計條文，缺少高強鋼的抗力分項系數和強度設計值指標，因而，無法指導和規(guī)范工程設計[7].其次，相對于強度的大幅增長，高強鋼的彈性模量并沒有明顯增長，而使用此類鋼材伴隨的焊縫造價增加、鋼材延性降低等問題又尚未得到合理解決。2高強鋼梁柱端板連接節(jié)點的研究高強鋼在工程構造中的應用研究，當前主要集中在材料性質和節(jié)點性能兩個方面。國內外針對高強度鋼構造力學性能的研究成果還主要集中于靜力、分布研究和受壓構件的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定及滯回性能研究中。節(jié)點是構造中構件互相交匯連接的區(qū)域，是構造十分關鍵的部位。對于高強鋼構造節(jié)點而言，一方面，由于鋼材委屈服從平臺長度較短、屈強比擬高而無法到達抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗算愈加重要。另一方面，由于缺少一定數量的研究，難以對節(jié)點實際變形和轉動能力進行估計，因而，高強鋼構造節(jié)點的力學性能還是亟需解決的一個關鍵問題。在建筑工程中量大面廣的構造是框架構造，其典型的節(jié)點主要為梁柱連接節(jié)點，通常有焊接連接和螺栓連接兩種基本類型。由于梁柱螺栓連接大多借助端板連接，故此類節(jié)點又稱為端板連接節(jié)點。下面主要介紹端板連接節(jié)點的研究情況。2.1節(jié)點試驗研究端板連接節(jié)點的試驗主要以抗彎試驗為主，對端板的理論研究主要采用T-stub理論。Coelho等在文獻[8]中證實，在端板厚度不超過一定限值的情況下，節(jié)點的轉動主要來自于節(jié)點的受拉區(qū)，該受拉區(qū)能夠簡化為一個T-stub模型，如此圖1所示。根據節(jié)點塑性鉸出現(xiàn)位置不同，在軸拉力作用下的T型件毀壞形式可分為翼緣產生塑性鉸、聯(lián)合毀壞和螺栓拉壞3種。研究表示清楚[9-12],歐洲規(guī)范能夠較為準確地預測節(jié)點的承載力，但高估了其初始轉動剛度，對轉動能力的估算也偏于保守。研究還表示清楚，端板厚度對節(jié)點初始剛度的影響比柱翼緣的厚度愈加顯著，華而不實，端板厚度越大，節(jié)點的初始抗彎能力和剛度就越大，而其轉動能力卻隨之減小。反之，隨著端板厚度的減少，節(jié)點的轉動能力也隨之增加。大體上，薄端板通常能夠知足塑性轉動30,mrad的要求。高強鋼端板具有足夠的局部延性來保證荷載的應力重分布，甚至當螺栓并未按最佳方式布置時，仍然具有充分的延性[13-14].其工作機理為：首先，只要一個螺栓承當所有的荷載；當其他螺栓激活后，即應力重分布后，所有螺栓共同承當荷載。通過螺栓孔的橢圓化率來斷定鋼材的局部延性能夠發(fā)現(xiàn)，構件在試驗中表現(xiàn)出了極大的塑性變形。試驗結果表示清楚，由純剪造成的螺孔伸長并不是構件的最終極限狀態(tài)，通過限制平均承載應力大小的方式來限制形變的歐洲規(guī)范偏于保守。實際上，高強鋼螺栓節(jié)點在彈塑性階段的荷載-位移曲線表示清楚，螺孔的容許伸長率能夠到達d0/6〔d0為螺孔直徑設計值〕。在彈性曲線的最后階段，其極限承載力也只減少了20%,,因而，相應的規(guī)范限值還需進一步修正。對抗剪連接構件的試驗表示清楚[15-17],即便高強鋼的極限強度與委屈服從強度的比值較小，甚至對S1100鋼而言，小至1.05,其對構件局部延性的影響也甚微。本來試件在螺栓孔發(fā)生較大伸長的情況下，將發(fā)生劈裂或者剪切毀壞，而實際上，幾組試驗的端板均在凈截面處毀壞。該試驗結果與歐洲和美國規(guī)范進行比擬能夠發(fā)現(xiàn)，兩者的計算結果均較為保守。參考對高強鋼焊接節(jié)點域的研究[18],在保證承載力的情況下，只要設計合理，適當減小柱腹板厚度，高強鋼板仍具有足夠的延性，知足形變的要求。試驗表示清楚，同等尺寸的構件，由于高強鋼委屈服從應力增加，其承載能力更高層次。同時，節(jié)點域中的腹板越厚，延性越低，并且隨著鋼板強度越高，相應的形變能力和延性就越低。因而，需要對腹板厚度進行一定的取舍，但節(jié)點域腹板不能過分薄，否則局部穩(wěn)定不能保證。該試驗結果與歐洲規(guī)范的比照表示清楚，歐洲規(guī)范仍適用于高強鋼構件設計，但存在一些缺乏，如未考慮軸向壓力對構件承載力的不利影響，應對現(xiàn)有公式進行修正。高強度鋼材節(jié)點中的螺栓不宜采用12.9級高強螺栓。由于螺栓這類脆性構件，極有可能在端板仍表現(xiàn)為延性時發(fā)生毀壞[11,19].試驗證明，采用12.9級螺栓將極大地限制構件的延性，并且在端板彎曲經過中幾乎無任何形變。因而，在高強鋼節(jié)點中不建議使用強度很高的螺栓，相反則推薦使用具有較高延性的8.8級螺栓。在合理選用螺栓的情況下，高強鋼節(jié)點也能夠充分知足高形變和高延性的要求。高強鋼節(jié)點在螺栓布置方面，無需比普通鋼節(jié)點要求嚴格。歐洲規(guī)范規(guī)定，對于普通鋼節(jié)點，如螺栓邊距小于1.5倍孔徑，或螺栓間距小于3倍孔徑時，需對螺栓節(jié)點的承載力進行折減。然而，Puthli等[20]對高強鋼S460節(jié)點的一系列試驗表示清楚，上述限制并不是必須的。Puthli等[20]以為，對于螺栓與板邊緣間距大于1.2倍孔徑，或者螺栓間距大于2.4倍孔徑的情況，節(jié)點的設計承載力無需進行折減。并且，最小的螺栓邊緣間距能夠到達1.0倍孔徑〔甚至是0.9倍孔徑〕，最小螺栓孔間隙能夠到達2.0倍孔徑〔甚至是1.8倍孔徑〕。此時，節(jié)點的承載力需折減至3/4.其他情況下的折減系數能夠采用插值法求解。清華大學石永久等[21]對Q460鋼材螺栓抗剪連接試驗表示清楚，歐美規(guī)范均不能很好地估算高強鋼抗剪連接的毀壞形式及極限承載力。同時，固然歐洲規(guī)范已經對高強度鋼材做出了相關規(guī)定，但并未與普通鋼材進行區(qū)分，尤其是關于端距、邊距和螺栓間距對高強度鋼材抗剪連接性能影響的研究特別缺乏，因而，建議進行更深切進入的參數分析以完善規(guī)范設計方式方法。當前，已有研究[22]通過引入兩個方向邊距比值的影響，修正承載力計算公式，可較好地估算荷載在螺栓間的分布規(guī)律，進而控制構件不同的毀壞機理，并通過改變系數，較為準確地計算沿荷載方向布置多個螺栓的節(jié)點的承載力。Cruz等[23]對S690抗剪連接構件的滑移系數進行測定，并與S275鋼板比擬發(fā)現(xiàn)無明顯差異，進而以為歐洲規(guī)范原有的抗滑移系數規(guī)定同樣適用于S690鋼材。到當前為止，對高強鋼連接節(jié)點的試驗已經獲得了初步進展。然而，上述諸多試驗大多停留在對規(guī)范進行驗證的基礎上，還沒有進入對規(guī)范相應條文提出修正建議的層面。首先，這些研究本身的前提也有待驗證。即便T-stub力學行為在過去得到較多研究，這些研究主要集中在對普通鋼材T-stub塑性承載力和初始剛度的試驗與理論分析[24-25],對高強度鋼材T-stub組件和T-stub變形能力研究較少。文獻[26]對普通鋼材的試驗表示清楚，外伸端板的實際委屈服從線與T-stub模型中并不總是吻合的，因而，對于外伸端板來講，撬力并沒有被合理考慮。其次，上述研究中的一些結論還有待細化。如文獻[11]中指出，薄端板能夠知足塑性轉動的要求，但該文獻并未對端板的厚薄程度進行區(qū)分，即并沒有指出端板厚度取何值時，將不再知足規(guī)范要求的地震下的塑性轉動能力的要求。同時該文獻也指出