高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)木材是指采用微金融化和熱機(jī)制制的技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)木材（強(qiáng)度等級(jí)：1460mpa）、良好的延長(zhǎng)性、耐性和加工性能。國(guó)內(nèi)外多個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)成功應(yīng)用了高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材,并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1―2];高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力性能、建筑使用功能以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),不僅能夠進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,而且可以創(chuàng)造更大的建筑使用空間、實(shí)現(xiàn)更靈活的建筑表現(xiàn),同時(shí)能夠節(jié)約建筑工程總成本,降低能耗和不可再生資源消耗量以及碳排放量,符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的創(chuàng)建,屬于綠色環(huán)保型建筑體系。我國(guó)已在多個(gè)建筑結(jié)構(gòu)工程中成功采用了高強(qiáng)度鋼材,如國(guó)家體育場(chǎng)、央視新臺(tái)址主樓、深圳灣體育中心(見(jiàn)圖1)、鳳凰國(guó)際傳媒中心(見(jiàn)圖2)以及一些移動(dòng)橋梁設(shè)備和輸電塔等[9―10]。由于高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)采用了新的生產(chǎn)和加工(如焊接技術(shù)和焊接材料)工藝,材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能以及連接的受力性能等均隨之發(fā)生變化;GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范并沒(méi)有針對(duì)460MPa及以上強(qiáng)度等級(jí)鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條文,因此,高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)受力性能研究是工程界亟需解決的問(wèn)題之一,也是進(jìn)一步完善現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的一個(gè)重要研究課題。本文全面介紹了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展,為該領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供參考。1高性能結(jié)構(gòu)木材的力學(xué)能1.1高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼mpa文獻(xiàn)研究了Langenberg和Sivakumaran介紹的不同強(qiáng)度等級(jí)鋼材力學(xué)性能的材性數(shù)據(jù),并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外其他文獻(xiàn)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖3所示。研究結(jié)果表明,隨著鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高,鋼材屈強(qiáng)比顯著增大,當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)690MPa時(shí),屈強(qiáng)比一般在0.90~0.95范圍內(nèi);鋼材的延性隨強(qiáng)度的提高而降低,但高強(qiáng)度鋼材的韌性卻因生產(chǎn)工藝的提高并沒(méi)有降低。文獻(xiàn)還對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)外多部鋼材標(biāo)準(zhǔn)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)材料力學(xué)性能指標(biāo)的限值規(guī)定,其中對(duì)屈強(qiáng)比的限值大多集中在0.80~0.85之間,歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范補(bǔ)充條款規(guī)定高強(qiáng)度鋼材的最大屈強(qiáng)比可以到0.95;對(duì)鋼材斷后伸長(zhǎng)率的要求集中在15%~20%。國(guó)產(chǎn)Q460高強(qiáng)度鋼材的屈強(qiáng)比一般在0.78左右,斷后伸長(zhǎng)率通常在25%左右甚至更高,滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的限值要求;但對(duì)于強(qiáng)度超過(guò)690MPa的高強(qiáng)度鋼材,這些限值規(guī)定在一定程度上限制了其工程應(yīng)用,因此需要進(jìn)一步研究材料力學(xué)性能對(duì)構(gòu)件受力性能的影響,為此類(lèi)結(jié)構(gòu)鋼材鋼結(jié)構(gòu)制定更合理的設(shè)計(jì)方法和限值規(guī)定。1.2力學(xué)性能試驗(yàn)研究清華大學(xué)針對(duì)舞陽(yáng)鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼材14mm厚鋼板進(jìn)行了低溫拉伸試驗(yàn)研究,試件包括15個(gè)圓形橫截面標(biāo)準(zhǔn)材性試件,研究了其在-60℃、-40℃、-20℃、0℃及20℃共5個(gè)溫度點(diǎn)下的強(qiáng)度和延性指標(biāo)以及斷口的微觀(guān)形貌;研究結(jié)果表明,隨著溫度的降低,此類(lèi)鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比均提高(屈強(qiáng)比均小于0.77),斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率明顯降低,延性變差;-40℃下試件斷口呈現(xiàn)明顯的韌性向脆性過(guò)渡的微觀(guān)形貌,-60℃下則表現(xiàn)為顯著的脆性斷裂特征,斷后伸長(zhǎng)率為21.5%,仍滿(mǎn)足規(guī)范要求。清華大學(xué)還對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材的低溫?cái)嗔秧g性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,具體研究?jī)?nèi)容包括裂紋尖端張開(kāi)位移(CTOD值)以及斷口微觀(guān)形貌,共15個(gè)三點(diǎn)彎試件;結(jié)果表明,CTOD值隨溫度的降低明顯減小,且小于其他普通強(qiáng)度鋼材的試驗(yàn)結(jié)果,表明該類(lèi)鋼材斷裂韌性相對(duì)較差;在不高于-40℃條件下斷口呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂形貌;研究還采用Boltzmann函數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析,得到了韌脆轉(zhuǎn)變溫度及變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在低于-40.7℃時(shí),Q460C鋼材極易從韌性向脆性轉(zhuǎn)換而發(fā)生脆斷。此外,文獻(xiàn)采用ANSYS軟件對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎試件的斷裂韌性進(jìn)行了彈塑性數(shù)值模擬,計(jì)算得到了應(yīng)力分布狀態(tài)和CTOD值;結(jié)果表明,板厚較小的試件CTOD值沿厚度方向變化較小,等效應(yīng)力分布表明在裂紋尖端一定范圍內(nèi)均可能出現(xiàn)危險(xiǎn)截面。清華大學(xué)在文獻(xiàn)中對(duì)15個(gè)國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼材試件進(jìn)行了夏比沖擊韌性試驗(yàn)研究;結(jié)果表明,該類(lèi)結(jié)構(gòu)鋼材的沖擊韌性隨溫度降低明顯下降,0℃時(shí)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件的沖擊功均值為57.6J(最小的為53.1J),遠(yuǎn)大于我國(guó)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591-2008)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的34J限值;該文獻(xiàn)利用Boltzmann函數(shù)擬合得到的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-11.1℃;在-20℃條件下的斷口形貌以脆性斷裂為主。1.3試驗(yàn)研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)總結(jié)了國(guó)外針對(duì)高強(qiáng)度鋼材疲勞性能的試驗(yàn)研究,匯總于表1所示;研究的重點(diǎn)主要集中在疲勞裂紋的擴(kuò)展以及鋼材強(qiáng)度等級(jí)、板件厚度、焊接技術(shù)、焊后處理方法等因素對(duì)疲勞性能的影響,并沒(méi)有提出完整的疲勞性能設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)總結(jié)了國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度鋼材(主要涉及飛機(jī)起落架、艦船等機(jī)械船舶用鋼)及其焊縫連接疲勞性能的研究現(xiàn)狀,相關(guān)研究給出了不同類(lèi)型鋼材的疲勞性能特點(diǎn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)。對(duì)于建筑用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材,目前國(guó)內(nèi)只有清華大學(xué)分別對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C和Q460D結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行了15種應(yīng)力幅下的疲勞性能試驗(yàn)研究,兩種鋼材各有21個(gè)試件;研究結(jié)果表明,國(guó)產(chǎn)Q460高強(qiáng)度鋼材的疲勞性能優(yōu)良,完全滿(mǎn)足規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定;研究還根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了此類(lèi)鋼材的S-N計(jì)算曲線(xiàn),用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì);擬合結(jié)果完全滿(mǎn)足我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相應(yīng)的容許應(yīng)力幅要求。1.4材料的骨架曲線(xiàn)清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行了10種不同循環(huán)加載制度下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[26―27],分析此類(lèi)鋼材的抗震滯回性能。結(jié)果表明,該類(lèi)鋼材具有良好的耗能能力和抗震性能,斷口均為延性斷裂?；谠囼?yàn)結(jié)果,采用Ramberg-Osgood公式對(duì)骨架曲線(xiàn)進(jìn)行了擬合,并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定了Chaboche鋼材塑性本構(gòu)模型中的參數(shù),為進(jìn)一步的有限元數(shù)值模擬提供了計(jì)算條件。文獻(xiàn)比較了國(guó)產(chǎn)Q345和Q460兩種鋼材在循環(huán)荷載下的力學(xué)性能,結(jié)果表明,兩種鋼材的循環(huán)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)均存在循環(huán)硬化、軟化以及包辛格效應(yīng)等現(xiàn)象,其中Q345鋼材的循環(huán)硬化現(xiàn)象更加明顯,Q460鋼材的滯回耗能能力不比Q345普通鋼材差。2輸入和不均勻冷卻鋼構(gòu)件截面殘余應(yīng)力主要由熱軋或焊接熱輸入和不均勻冷卻產(chǎn)生的,對(duì)構(gòu)件的穩(wěn)定性能具有顯著的影響;因此截面殘余應(yīng)力分布是高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究的重要課題之一。2.1殘余應(yīng)力分布的研究國(guó)外針對(duì)高強(qiáng)度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力開(kāi)展了少量的試驗(yàn)研究,具體見(jiàn)表2。文獻(xiàn)總結(jié)了上述試驗(yàn)結(jié)果的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼材焊接截面殘余壓應(yīng)力數(shù)值隨截面板件寬厚比的增大顯著減小,并提出了簡(jiǎn)化的擬合公式。國(guó)內(nèi)方面,清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460高強(qiáng)度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究,包括8個(gè)焊接工字形截面和6個(gè)焊接箱形截面,全面分析了截面板件寬厚比、板厚、焊縫類(lèi)型、板件殘余應(yīng)力的相關(guān)性、人為測(cè)量誤差等因素的影響,并提出了分布模型和能夠考慮截面尺寸影響的殘余壓應(yīng)力計(jì)算公式;焊接工字形截面焊縫附近最大殘余拉應(yīng)力建議取345MPa,焊接箱形截面焊縫附近取460MPa。筆者還對(duì)960MPa鋼材焊接截面殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了探索性試驗(yàn)研究,包括3個(gè)焊接工字形截面和3個(gè)焊接箱形截面試件,分析了截面尺寸、板件殘余應(yīng)力的相關(guān)性以及鋼材強(qiáng)度等因素的影響;基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)提出了適用于不同強(qiáng)度等級(jí)(235MPa~960MPa)鋼材焊接工字形和箱形截面的殘余應(yīng)力分布模型以及殘余壓應(yīng)力的計(jì)算公式,并且考慮了板件寬厚比和板厚的影響。圖4為960MPa鋼材焊接工字形截面的典型殘余應(yīng)力分布試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。此外,國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也對(duì)高強(qiáng)度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力分布做了初步研究。李國(guó)強(qiáng)等測(cè)量了Q460鋼材3種焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布,并在文獻(xiàn)中給出了基于3種截面測(cè)量結(jié)果的殘余拉應(yīng)力、壓應(yīng)力計(jì)算公式;童樂(lè)為等采用中心盲孔法測(cè)量了4個(gè)相同截面尺寸的Q460鋼材焊接工字形截面殘余應(yīng)力,并對(duì)沿板厚方向的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析,結(jié)果表明板厚方向分布均勻,并提出了適用于試驗(yàn)研究的特定尺寸截面的殘余應(yīng)力分布簡(jiǎn)化模型。2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析目前尚未見(jiàn)到國(guó)外針對(duì)高強(qiáng)度鋼材熱軋截面的殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究。清華大學(xué)對(duì)15個(gè)國(guó)產(chǎn)Q420熱軋等邊角鋼截面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究,共包括5種截面類(lèi)型,采用分割法進(jìn)行測(cè)量;試驗(yàn)得到了所有試件沿全截面的殘余應(yīng)力分布,分布形狀與數(shù)值大小與普通強(qiáng)度鋼材的沒(méi)有明顯差別;殘余應(yīng)力系數(shù)(數(shù)值與鋼材強(qiáng)度的比值)遠(yuǎn)小于普通強(qiáng)度鋼材,試驗(yàn)結(jié)果基本0~0.15,而普通強(qiáng)度鋼材的分布模型一般在0.20~0.30,這是高強(qiáng)度熱軋角鋼軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能提高的重要原因;研究還提出了不同的分布模型,以及能夠考慮截面尺寸影響的計(jì)算公式。3高強(qiáng)度材料的壓力組成3.1試驗(yàn)研究在分析中的應(yīng)用國(guó)外已有少量針對(duì)高強(qiáng)度鋼材受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能的試驗(yàn)研究。Rasmussen等對(duì)5個(gè)690MPa鋼材焊接工字形截面柱繞弱軸失穩(wěn)和6個(gè)690MPa鋼材焊接箱形柱的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,Usami等對(duì)5個(gè)690MPa鋼材焊接箱形厚實(shí)截面鋼柱進(jìn)行了整體穩(wěn)定性能研究;筆者在文獻(xiàn)中將上述試驗(yàn)結(jié)果與我國(guó)規(guī)范中相應(yīng)的柱子曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明高強(qiáng)度鋼材受壓鋼柱的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯提高,我國(guó)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)曲線(xiàn)偏于保守,不利于高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。作者對(duì)端部帶約束的8個(gè)焊接工字形截面受壓柱繞強(qiáng)軸失穩(wěn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[42―43],鋼材為歐洲高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼S690和S960,屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為690MPa和960MPa;試驗(yàn)研究和數(shù)值參數(shù)分析表明,該類(lèi)構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)顯著提高,建議提高相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線(xiàn)類(lèi)型。清華大學(xué)還對(duì)12個(gè)國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼材軸壓構(gòu)件進(jìn)行了整體穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究,包括焊接工字形截面繞強(qiáng)軸、弱軸以及焊接箱形截面三類(lèi)構(gòu)件;對(duì)6個(gè)960MPa鋼材軸壓構(gòu)件進(jìn)行了探索性研究(包括焊接工字形截面繞弱軸和焊接箱形截面兩類(lèi)構(gòu)件,試驗(yàn)裝置如圖5所示);基于試驗(yàn)結(jié)果,作者進(jìn)行了大量的模型驗(yàn)證和數(shù)值參數(shù)分析,為460MPa、690MPa及960MPa三類(lèi)高強(qiáng)度鋼材焊接工字形和焊接箱形截面軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)提出了建議的柱子曲線(xiàn)類(lèi)型:460MPa鋼材三類(lèi)截面鋼柱及690MPa鋼材焊接箱形截面鋼柱可采用我國(guó)規(guī)范b類(lèi)曲線(xiàn),其他的可以統(tǒng)一采用a類(lèi)曲線(xiàn);同時(shí)基于現(xiàn)行規(guī)范柱子曲線(xiàn)的公式形式擬合了新的曲線(xiàn)類(lèi)型,為工程設(shè)計(jì)和科研提供參考。張銀龍等對(duì)20個(gè)BS700(700MPa)高強(qiáng)度鋼材焊接箱形和工字形截面試件進(jìn)行了軸壓穩(wěn)定試驗(yàn)研究,并進(jìn)行了數(shù)值參數(shù)分析,提出了多項(xiàng)式形式的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式,為我國(guó)軍用橋梁裝備及軍用橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的完善提供了參考;周鋒等對(duì)6個(gè)Q460鋼材焊接工字形截面軸壓構(gòu)件進(jìn)行了整體穩(wěn)定試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,我國(guó)規(guī)范的c類(lèi)柱子曲線(xiàn)設(shè)計(jì)此類(lèi)構(gòu)件繞弱軸失穩(wěn)的穩(wěn)定承載力是偏于安全的;李國(guó)強(qiáng)等對(duì)7個(gè)Q460高強(qiáng)度鋼材焊接箱形截面軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行了整體穩(wěn)定試驗(yàn)研究和有限元分析,結(jié)果表明我國(guó)規(guī)范采用c類(lèi)柱子曲線(xiàn)設(shè)計(jì)寬厚比小于20的焊接箱形柱對(duì)于Q460鋼材是偏于保守的。清華大學(xué)完成了60個(gè)國(guó)產(chǎn)Q420高強(qiáng)度熱軋等邊角鋼軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,此類(lèi)構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯提高,截面寬厚比對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響不明顯,我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)曲線(xiàn)有待提高,可以采用a類(lèi)曲線(xiàn)設(shè)計(jì)此類(lèi)高強(qiáng)度角鋼柱;進(jìn)一步的分析表明,美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范ANSI/AISC360-10的相關(guān)設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)結(jié)果比較一致。筆者近期對(duì)24個(gè)國(guó)產(chǎn)Q420高強(qiáng)度焊接圓鋼管軸壓構(gòu)件進(jìn)行了整體穩(wěn)定試驗(yàn)研究,結(jié)合數(shù)值參數(shù)分析,建議此類(lèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)曲線(xiàn)可以提高至我國(guó)規(guī)范的a類(lèi)曲線(xiàn)。西安建筑科技大學(xué)和重慶大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460熱軋角鋼軸壓構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到了類(lèi)似的結(jié)論,并建議提高柱子曲線(xiàn)類(lèi)型或?qū)?gòu)件的換算長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行折減。在數(shù)值分析方面,清華大學(xué)采用ANSYS通用有限元軟件對(duì)國(guó)外所做的軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定試件進(jìn)行了數(shù)值模擬[50―51],結(jié)果表明采用的有限元方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算高強(qiáng)度鋼材軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力,并能夠很好地模擬構(gòu)件幾何初始缺陷和截面殘余應(yīng)力的影響;采用驗(yàn)證后的數(shù)值模型,對(duì)高強(qiáng)度鋼材焊接截面軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了大量的影響因素參數(shù)分析,結(jié)果表明,幾何初始缺陷和截面殘余應(yīng)力對(duì)高強(qiáng)度鋼材軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力的影響相比普通強(qiáng)度鋼材明顯減小,其中幾何初始缺陷的影響減小2%~3%,截面殘余應(yīng)力的影響減小約6%~12%,這導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼材軸壓構(gòu)件對(duì)缺陷的敏感性降低,整體穩(wěn)定系數(shù)顯著提高,有必要相應(yīng)地提高設(shè)計(jì)值。此外,李國(guó)強(qiáng)等對(duì)Q460高強(qiáng)度鋼材焊接箱形截面軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行了有限元計(jì)算,并與逆算單元長(zhǎng)度法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。3.2試驗(yàn)研究及分析國(guó)外已有少量針對(duì)高強(qiáng)度鋼材焊接截面短柱的局部穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究,具體匯總于表3。筆者在文獻(xiàn)中總結(jié)了上述部分690MPa鋼材試件的試驗(yàn)結(jié)果,研究表明GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中軸心受壓構(gòu)件焊接箱形截面板件及焊接工字形和十字形截面翼緣的寬厚比限值,同樣適用于高強(qiáng)度鋼材鋼柱。清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材的4個(gè)焊接箱形截面試件和9個(gè)焊接工字形截面短柱以及8個(gè)960MPa鋼材焊接箱形和工字形截面短柱進(jìn)行了深入的局部穩(wěn)定試驗(yàn)研究,并采用有限元數(shù)值分析方法研究了截面板件寬厚比、板厚、鋼材強(qiáng)度、殘余應(yīng)力分布以及幾何初始缺陷等因素的影響,計(jì)算了不同強(qiáng)度鋼材焊接截面短柱的局部屈曲應(yīng)力和屈曲后極限應(yīng)力;結(jié)果表明GB50017-2003采用的嵌固系數(shù)計(jì)算公式不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)此類(lèi)高強(qiáng)度鋼材短柱的局部屈曲承載力,現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范的局部屈曲應(yīng)力計(jì)算公式及屈曲后極限應(yīng)力計(jì)算公式需進(jìn)行修正;研究給出了適用于235MPa~960MPa鋼材短柱的計(jì)算公式。清華大學(xué)對(duì)15個(gè)國(guó)產(chǎn)Q420高強(qiáng)度熱軋等邊角鋼短柱進(jìn)行了軸壓局部穩(wěn)定試驗(yàn)研究,并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)值分析結(jié)果[59―60]與規(guī)范設(shè)計(jì)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明此類(lèi)構(gòu)件兩肢板的嵌固系數(shù)可取為1.0,且美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范ANSI/AISC360-10的設(shè)計(jì)公式更能準(zhǔn)確地反映此類(lèi)構(gòu)件的局部穩(wěn)定承載力;國(guó)內(nèi)其他學(xué)者對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460熱軋角鋼短柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究[61―62],并提出了新的建議計(jì)算公式;李振寶等對(duì)Q420高強(qiáng)度雙角鋼十字組合截面壓桿的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明規(guī)范對(duì)于懸伸板件寬厚比的限值顯得保守,限制了材料性能的發(fā)揮。對(duì)于高強(qiáng)度鋼材軸壓短柱的數(shù)值分析,Hermann等以及Tang等采用ABAQUS建立了分析高強(qiáng)度鋼材軸壓短柱局部穩(wěn)定性能的有限元模型;作者采用ANSYS有限元軟件建立了數(shù)值模型,并通過(guò)計(jì)算國(guó)外局部穩(wěn)定試件的承載力,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3對(duì)截面鋼柱的影響國(guó)外還未見(jiàn)到研究高強(qiáng)度鋼材鋼柱抗震滯回性能的文獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)方面,清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼材的5個(gè)焊接箱形截面和6個(gè)焊接工字形截面壓彎構(gòu)件進(jìn)行了水平往復(fù)加載試驗(yàn)研究,并進(jìn)行了大量數(shù)值分析;結(jié)果表明,此類(lèi)鋼柱的延性和滯回性能良好,耗能能力強(qiáng);板件寬厚比大小影響柱腳板件局部屈曲發(fā)生的時(shí)間,寬厚比越大,局部屈曲現(xiàn)象出現(xiàn)得越早;對(duì)于此類(lèi)鋼材焊接箱形截面鋼柱,軸壓比不大于0.2時(shí)的寬厚比限值建議取為30;對(duì)于焊接工字形截面鋼柱,翼緣和腹板的限值建議分別取為9和33;寬厚比限值與軸壓比大小有關(guān),軸壓比越大,限值應(yīng)越小。此外周鋒等對(duì)4個(gè)Q460鋼材焊接工字形截面壓彎構(gòu)件進(jìn)行了擬靜力循環(huán)荷載試驗(yàn)研究,結(jié)果表明此類(lèi)構(gòu)件具有較好的延性和一定的耗能能力,且延性隨軸壓比或截面板件寬厚比的減小而提高。4試驗(yàn)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)高強(qiáng)度鋼材受彎構(gòu)件的研究很少。國(guó)外Beg等對(duì)10個(gè)NIONICRAL70高強(qiáng)度鋼材(700MPa)焊接工字形鋼梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,分析了翼緣和腹板寬厚比對(duì)受彎梁承載力和局部穩(wěn)定性能的影響,并提出了建議的計(jì)算公式。國(guó)內(nèi)孫飛飛等對(duì)高強(qiáng)度鋼材(實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度575MPa)熱軋H型鋼的兩個(gè)懸臂梁進(jìn)行了低周往復(fù)荷載下的初步試驗(yàn)研究,并將試驗(yàn)結(jié)果與Q345B鋼梁進(jìn)行對(duì)比;結(jié)果表明,此類(lèi)高強(qiáng)度鋼材熱軋H型鋼梁的延性系數(shù)稍差,但滯回性能和耗能能力略強(qiáng)。5連接節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)度木材5.1力學(xué)性能要求目前針對(duì)高強(qiáng)度鋼材焊接接頭受力性能的研究主要集中在靜力拉伸、斷裂、疲勞及滯回性能等方面,國(guó)內(nèi)主要是清華大學(xué)進(jìn)行了全面深入的研究。清華大學(xué)對(duì)15個(gè)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材對(duì)接焊接接頭的低溫力學(xué)性能進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)研究,試驗(yàn)溫度點(diǎn)包括-60℃、-40℃、-20℃、0℃以及20℃共5組;研究結(jié)果表明,此類(lèi)鋼材焊接接頭的強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度的降低而提高,延性指標(biāo)(包括斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率)明顯降低;相比母材,焊接接頭的延性總體變差,斷后伸長(zhǎng)率最小值為20.2%,仍滿(mǎn)足規(guī)范要求,斷口的微觀(guān)形貌以韌性為主。清華大學(xué)還對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材焊接接頭的斷裂韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,包括焊縫處和熱影響區(qū)附近共30個(gè)試件;結(jié)果表明,隨著溫度的降低,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的斷裂韌性均降低,在-20℃下斷口就已出現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征;與母材試驗(yàn)結(jié)果相比,熱影響區(qū)的斷裂韌性最差;通過(guò)采用Boltzmann函數(shù)進(jìn)行擬合分析,得到了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,分別為-53.6℃和-40.3℃。清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材焊接接頭的夏比沖擊韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,包括焊縫處和熱影響區(qū)附近共30個(gè)試件;結(jié)果表明,溫度降低,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊韌性均明顯降低,且后者相對(duì)更低,在-60℃時(shí),二者的沖擊功均最小,分別為28.6J和18.1J;焊縫區(qū)和熱影響區(qū)在-20℃條件下的斷口微觀(guān)形貌為韌脆混合特征,在-40℃以下則為明顯的脆性斷裂特征;此類(lèi)鋼材的焊縫區(qū)與熱影響區(qū)有較明顯的低溫冷脆傾向。對(duì)于焊縫連接的疲勞性能研究,表1中有國(guó)外的相關(guān)研究?jī)?nèi)容;國(guó)內(nèi)方面,清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C鋼材的對(duì)接焊接接頭進(jìn)行了15種應(yīng)力幅下的疲勞性能試驗(yàn)研究,共包括42個(gè)試件,分為原狀板材和表面拋光后的兩組試件;根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合了此類(lèi)焊接接頭的S-N曲線(xiàn),擬合結(jié)果完全滿(mǎn)足我國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相應(yīng)的容許應(yīng)力幅要求。清華大學(xué)對(duì)11個(gè)Q460C焊縫連接試件進(jìn)行了8種不同超低周循環(huán)加載制度下的試驗(yàn)研究,并基于Ramberg-Osgood公式對(duì)循環(huán)骨架曲線(xiàn)進(jìn)行了擬合,標(biāo)定了循環(huán)荷載下焊縫接頭的本構(gòu)模型參數(shù);所有試件均在焊縫和熱影響區(qū)交界面拉斷,且與母材相比,焊接接頭的延性有顯著降低。5.2cre2004高溫缺乏抗剪連接國(guó)外對(duì)高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接進(jìn)行了少量的試驗(yàn)研究,研究?jī)?nèi)容集中在連接接頭承載力以及鋼板孔壁承壓、抗滑移系數(shù)等方面,具體研究情況匯總于表4。國(guó)內(nèi)方面,文獻(xiàn)總結(jié)了國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)螺栓抗剪連接的設(shè)計(jì)方法,并提出了現(xiàn)有高強(qiáng)度鋼材鋼板抗剪連接研究的不足。清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行了8個(gè)螺栓抗剪連接的試驗(yàn)研究,研究了螺栓孔的端距、邊距以及孔距對(duì)此類(lèi)鋼板承壓性能的影響,并與歐洲和美國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法不能很好地預(yù)測(cè)此類(lèi)接頭的承載性能和破壞模式;通過(guò)大量的有限元數(shù)值分析,利用剪切破壞理論,提出了適用于我國(guó)Q460鋼材螺栓連接的鋼板承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,建議取為1.4倍鋼材抗拉強(qiáng)度f(wàn)u。清華大學(xué)還對(duì)國(guó)產(chǎn)Q460C高強(qiáng)度鋼板螺栓抗剪連接中的接觸面抗滑移系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,共包括6個(gè)試件、3種表面處理方法,試驗(yàn)裝置如圖6所示;結(jié)果表明,此類(lèi)鋼板的抗滑移系數(shù)明顯小于我國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定(約小0.05),建議對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)條文進(jìn)行修訂。5.3節(jié)點(diǎn)的剛度和抗彎性能目前針對(duì)高強(qiáng)度鋼材梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能的研究很少。Coelho等進(jìn)行了S690高強(qiáng)度鋼