高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

高強度結(jié)構(gòu)木材是指采用微金融化和熱機制制的技術(shù)生產(chǎn)的高強度結(jié)構(gòu)木材（強度等級：1460mpa）、良好的延長性、耐性和加工性能。國內(nèi)外多個鋼結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)成功應(yīng)用了高強度結(jié)構(gòu)鋼材,并且取得了良好的經(jīng)濟和社會效益[1―2];高強鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力性能、建筑使用功能以及社會經(jīng)濟和環(huán)保效益等方面具有顯著優(yōu)勢,不僅能夠進一步提高結(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、實現(xiàn)更靈活的建筑表現(xiàn),同時能夠節(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,符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及節(jié)能環(huán)保型社會的創(chuàng)建,屬于綠色環(huán)保型建筑體系。我國已在多個建筑結(jié)構(gòu)工程中成功采用了高強度鋼材,如國家體育場、央視新臺址主樓、深圳灣體育中心(見圖1)、鳳凰國際傳媒中心(見圖2)以及一些移動橋梁設(shè)備和輸電塔等[9―10]。由于高強度鋼材鋼結(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)計規(guī)范并沒有針對460MPa及以上強度等級鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計條文,因此,高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)受力性能研究是工程界亟需解決的問題之一,也是進一步完善現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的一個重要研究課題。本文全面介紹了國內(nèi)外的相關(guān)研究進展,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高強預(yù)應(yīng)力鋼mpa文獻研究了Langenberg和Sivakumaran介紹的不同強度等級鋼材力學(xué)性能的材性數(shù)據(jù),并總結(jié)了國內(nèi)外其他文獻的相關(guān)試驗數(shù)據(jù),如圖3所示。研究結(jié)果表明,隨著鋼材強度等級的提高,鋼材屈強比顯著增大,當(dāng)強度超過690MPa時,屈強比一般在0.90~0.95范圍內(nèi);鋼材的延性隨強度的提高而降低,但高強度鋼材的韌性卻因生產(chǎn)工藝的提高并沒有降低。文獻還對比研究了國內(nèi)外多部鋼材標(biāo)準(zhǔn)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對材料力學(xué)性能指標(biāo)的限值規(guī)定,其中對屈強比的限值大多集中在0.80~0.85之間,歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范補充條款規(guī)定高強度鋼材的最大屈強比可以到0.95;對鋼材斷后伸長率的要求集中在15%~20%。國產(chǎn)Q460高強度鋼材的屈強比一般在0.78左右,斷后伸長率通常在25%左右甚至更高,滿足相關(guān)規(guī)范的限值要求;但對于強度超過690MPa的高強度鋼材,這些限值規(guī)定在一定程度上限制了其工程應(yīng)用,因此需要進一步研究材料力學(xué)性能對構(gòu)件受力性能的影響,為此類結(jié)構(gòu)鋼材鋼結(jié)構(gòu)制定更合理的設(shè)計方法和限值規(guī)定。1.2力學(xué)性能試驗研究清華大學(xué)針對舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的國產(chǎn)Q460C高強度鋼材14mm厚鋼板進行了低溫拉伸試驗研究,試件包括15個圓形橫截面標(biāo)準(zhǔn)材性試件,研究了其在-60℃、-40℃、-20℃、0℃及20℃共5個溫度點下的強度和延性指標(biāo)以及斷口的微觀形貌;研究結(jié)果表明,隨著溫度的降低,此類鋼材的屈服強度、抗拉強度、屈強比均提高(屈強比均小于0.77),斷后伸長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渡的微觀形貌,-60℃下則表現(xiàn)為顯著的脆性斷裂特征,斷后伸長率為21.5%,仍滿足規(guī)范要求。清華大學(xué)還對國產(chǎn)Q460C鋼材的低溫斷裂韌性進行了試驗研究,具體研究內(nèi)容包括裂紋尖端張開位移(CTOD值)以及斷口微觀形貌,共15個三點彎試件;結(jié)果表明,CTOD值隨溫度的降低明顯減小,且小于其他普通強度鋼材的試驗結(jié)果,表明該類鋼材斷裂韌性相對較差;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)對試驗結(jié)果進行擬合分析,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,Q460C鋼材極易從韌性向脆性轉(zhuǎn)換而發(fā)生脆斷。此外,文獻采用ANSYS軟件對國產(chǎn)Q460C鋼材標(biāo)準(zhǔn)三點彎試件的斷裂韌性進行了彈塑性數(shù)值模擬,計算得到了應(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)危險截面。清華大學(xué)在文獻中對15個國產(chǎn)Q460C高強度鋼材試件進行了夏比沖擊韌性試驗研究;結(jié)果表明,該類結(jié)構(gòu)鋼材的沖擊韌性隨溫度降低明顯下降,0℃時3個標(biāo)準(zhǔn)試件的沖擊功均值為57.6J(最小的為53.1J),遠(yuǎn)大于我國低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591-2008)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的34J限值;該文獻利用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試驗研究現(xiàn)狀文獻總結(jié)了國外針對高強度鋼材疲勞性能的試驗研究,匯總于表1所示;研究的重點主要集中在疲勞裂紋的擴展以及鋼材強度等級、板件厚度、焊接技術(shù)、焊后處理方法等因素對疲勞性能的影響,并沒有提出完整的疲勞性能設(shè)計方法。文獻總結(jié)了國內(nèi)高強度鋼材(主要涉及飛機起落架、艦船等機械船舶用鋼)及其焊縫連接疲勞性能的研究現(xiàn)狀,相關(guān)研究給出了不同類型鋼材的疲勞性能特點和試驗曲線。對于建筑用高強度結(jié)構(gòu)鋼材,目前國內(nèi)只有清華大學(xué)分別對國產(chǎn)Q460C和Q460D結(jié)構(gòu)鋼材進行了15種應(yīng)力幅下的疲勞性能試驗研究,兩種鋼材各有21個試件;研究結(jié)果表明,國產(chǎn)Q460高強度鋼材的疲勞性能優(yōu)良,完全滿足規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定;研究還根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合了此類鋼材的S-N計算曲線,用于指導(dǎo)工程設(shè)計;擬合結(jié)果完全滿足我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相應(yīng)的容許應(yīng)力幅要求。1.4材料的骨架曲線清華大學(xué)對國產(chǎn)Q460C高強度結(jié)構(gòu)鋼材進行了10種不同循環(huán)加載制度下的力學(xué)性能試驗研究[26―27],分析此類鋼材的抗震滯回性能。結(jié)果表明,該類鋼材具有良好的耗能能力和抗震性能,斷口均為延性斷裂。基于試驗結(jié)果,采用Ramberg-Osgood公式對骨架曲線進行了擬合,并利用試驗數(shù)據(jù)標(biāo)定了Chaboche鋼材塑性本構(gòu)模型中的參數(shù),為進一步的有限元數(shù)值模擬提供了計算條件。文獻比較了國產(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)力分布的研究國外針對高強度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力開展了少量的試驗研究,具體見表2。文獻總結(jié)了上述試驗結(jié)果的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)高強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,并提出了簡化的擬合公式。國內(nèi)方面,清華大學(xué)對國產(chǎn)Q460高強度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力進行了深入的試驗研究,包括8個焊接工字形截面和6個焊接箱形截面,全面分析了截面板件寬厚比、板厚、焊縫類型、板件殘余應(yīng)力的相關(guān)性、人為測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960MPa鋼材焊接截面殘余應(yīng)力分布進行了探索性試驗研究,包括3個焊接工字形截面和3個焊接箱形截面試件,分析了截面尺寸、板件殘余應(yīng)力的相關(guān)性以及鋼材強度等因素的影響;基于國內(nèi)外現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)提出了適用于不同強度等級(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)力分布試驗測量結(jié)果。此外,國內(nèi)其他學(xué)者也對高強度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力分布做了初步研究。李國強等測量了Q460鋼材3種焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布,并在文獻中給出了基于3種截面測量結(jié)果的殘余拉應(yīng)力、壓應(yīng)力計算公式;童樂為等采用中心盲孔法測量了4個相同截面尺寸的Q460鋼材焊接工字形截面殘余應(yīng)力,并對沿板厚方向的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律進行了分析,結(jié)果表明板厚方向分布均勻,并提出了適用于試驗研究的特定尺寸截面的殘余應(yīng)力分布簡化模型。2.2試驗結(jié)果與分析目前尚未見到國外針對高強度鋼材熱軋截面的殘余應(yīng)力試驗研究。清華大學(xué)對15個國產(chǎn)Q420熱軋等邊角鋼截面的殘余應(yīng)力分布進行了試驗研究,共包括5種截面類型,采用分割法進行測量;試驗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)值大小與普通強度鋼材的沒有明顯差別;殘余應(yīng)力系數(shù)(數(shù)值與鋼材強度的比值)遠(yuǎn)小于普通強度鋼材,試驗結(jié)果基本0~0.15,而普通強度鋼材的分布模型一般在0.20~0.30,這是高強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算公式。3高強度材料的壓力組成3.1試驗研究在分析中的應(yīng)用國外已有少量針對高強度鋼材受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能的試驗研究。Rasmussen等對5個690MPa鋼材焊接工字形截面柱繞弱軸失穩(wěn)和6個690MPa鋼材焊接箱形柱的整體穩(wěn)定性能進行了試驗研究,Usami等對5個690MPa鋼材焊接箱形厚實截面鋼柱進行了整體穩(wěn)定性能研究;筆者在文獻中將上述試驗結(jié)果與我國規(guī)范中相應(yīng)的柱子曲線進行對比,結(jié)果表明高強度鋼材受壓鋼柱的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯提高,我國現(xiàn)有的設(shè)計曲線偏于保守,不利于高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的發(fā)揮。作者對端部帶約束的8個焊接工字形截面受壓柱繞強軸失穩(wěn)進行了試驗研究[42―43],鋼材為歐洲高強度結(jié)構(gòu)鋼S690和S960,屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值分別為690MPa和960MPa;試驗研究和數(shù)值參數(shù)分析表明,該類構(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)計曲線類型。清華大學(xué)還對12個國產(chǎn)Q460C高強度鋼材軸壓構(gòu)件進行了整體穩(wěn)定性能試驗研究,包括焊接工字形截面繞強軸、弱軸以及焊接箱形截面三類構(gòu)件;對6個960MPa鋼材軸壓構(gòu)件進行了探索性研究(包括焊接工字形截面繞弱軸和焊接箱形截面兩類構(gòu)件,試驗裝置如圖5所示);基于試驗結(jié)果,作者進行了大量的模型驗證和數(shù)值參數(shù)分析,為460MPa、690MPa及960MPa三類高強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)計提出了建議的柱子曲線類型:460MPa鋼材三類截面鋼柱及690MPa鋼材焊接箱形截面鋼柱可采用我國規(guī)范b類曲線,其他的可以統(tǒng)一采用a類曲線;同時基于現(xiàn)行規(guī)范柱子曲線的公式形式擬合了新的曲線類型,為工程設(shè)計和科研提供參考。張銀龍等對20個BS700(700MPa)高強度鋼材焊接箱形和工字形截面試件進行了軸壓穩(wěn)定試驗研究,并進行了數(shù)值參數(shù)分析,提出了多項式形式的穩(wěn)定系數(shù)計算公式,為我國軍用橋梁裝備及軍用橋梁設(shè)計準(zhǔn)則的完善提供了參考;周鋒等對6個Q460鋼材焊接工字形截面軸壓構(gòu)件進行了整體穩(wěn)定試驗研究,結(jié)果表明,我國規(guī)范的c類柱子曲線設(shè)計此類構(gòu)件繞弱軸失穩(wěn)的穩(wěn)定承載力是偏于安全的;李國強等對7個Q460高強度鋼材焊接箱形截面軸心受壓構(gòu)件進行了整體穩(wěn)定試驗研究和有限元分析,結(jié)果表明我國規(guī)范采用c類柱子曲線設(shè)計寬厚比小于20的焊接箱形柱對于Q460鋼材是偏于保守的。清華大學(xué)完成了60個國產(chǎn)Q420高強度熱軋等邊角鋼軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定試驗研究,結(jié)果表明,此類構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯提高,截面寬厚比對穩(wěn)定系數(shù)的影響不明顯,我國規(guī)范設(shè)計曲線有待提高,可以采用a類曲線設(shè)計此類高強度角鋼柱;進一步的分析表明,美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范ANSI/AISC360-10的相關(guān)設(shè)計方法與試驗結(jié)果比較一致。筆者近期對24個國產(chǎn)Q420高強度焊接圓鋼管軸壓構(gòu)件進行了整體穩(wěn)定試驗研究,結(jié)合數(shù)值參數(shù)分析,建議此類構(gòu)件的設(shè)計曲線可以提高至我國規(guī)范的a類曲線。西安建筑科技大學(xué)和重慶大學(xué)對國產(chǎn)Q460熱軋角鋼軸壓構(gòu)件進行了試驗研究,得到了類似的結(jié)論,并建議提高柱子曲線類型或?qū)?gòu)件的換算長細(xì)比進行折減。在數(shù)值分析方面,清華大學(xué)采用ANSYS通用有限元軟件對國外所做的軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定試件進行了數(shù)值模擬[50―51],結(jié)果表明采用的有限元方法能夠準(zhǔn)確計算高強度鋼材軸壓構(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;采用驗證后的數(shù)值模型,對高強度鋼材焊接截面軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能進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)力對高強度鋼材軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力的影響相比普通強度鋼材明顯減小,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)致高強度鋼材軸壓構(gòu)件對缺陷的敏感性降低,整體穩(wěn)定系數(shù)顯著提高,有必要相應(yīng)地提高設(shè)計值。此外,李國強等對Q460高強度鋼材焊接箱形截面軸心受壓構(gòu)件進行了有限元計算,并與逆算單元長度法計算結(jié)果進行了對比。3.2試驗研究及分析國外已有少量針對高強度鋼材焊接截面短柱的局部穩(wěn)定性能試驗研究,具體匯總于表3。筆者在文獻中總結(jié)了上述部分690MPa鋼材試件的試驗結(jié)果,研究表明GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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,同樣適用于高強度鋼材鋼柱。清華大學(xué)對國產(chǎn)Q460C鋼材的4個焊接箱形截面試件和9個焊接工字形截面短柱以及8個960MPa鋼材焊接箱形和工字形截面短柱進行了深入的局部穩(wěn)定試驗研究,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、鋼材強度、殘余應(yīng)力分布以及幾何初始缺陷等因素的影響,計算了不同強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)計算公式不能準(zhǔn)確地預(yù)測此類高強度鋼材短柱的局部屈曲承載力,現(xiàn)行國內(nèi)外規(guī)范的局部屈曲應(yīng)力計算公式及屈曲后極限應(yīng)力計算公式需進行修正;研究給出了適用于235MPa~960MPa鋼材短柱的計算公式。清華大學(xué)對15個國產(chǎn)Q420高強度熱軋等邊角鋼短柱進行了軸壓局部穩(wěn)定試驗研究,并將試驗數(shù)據(jù)、數(shù)值分析結(jié)果[59―60]與規(guī)范設(shè)計曲線進行對比,結(jié)果表明此類構(gòu)件兩肢板的嵌固系數(shù)可取為1.0,且美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范ANSI/AISC360-10的設(shè)計公式更能準(zhǔn)確地反映此類構(gòu)件的局部穩(wěn)定承載力;國內(nèi)其他學(xué)者對國產(chǎn)Q460熱軋角鋼短柱進行了試驗研究[61―62],并提出了新的建議計算公式;李振寶等對Q420高強度雙角鋼十字組合截面壓桿的穩(wěn)定承載力進行了試驗研究,結(jié)果表明規(guī)范對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。對于高強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,并通過計算國外局部穩(wěn)定試件的承載力,驗證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3對截面鋼柱的影響國外還未見到研究高強度鋼材鋼柱抗震滯回性能的文獻。國內(nèi)方面,清華大學(xué)對國產(chǎn)Q460C高強度鋼材的5個焊接箱形截面和6個焊接工字形截面壓彎構(gòu)件進行了水平往復(fù)加載試驗研究,并進行了大量數(shù)值分析;結(jié)果表明,此類鋼柱的延性和滯回性能良好,耗能能力強;板件寬厚比大小影響柱腳板件局部屈曲發(fā)生的時間,寬厚比越大,局部屈曲現(xiàn)象出現(xiàn)得越早;對于此類鋼材焊接箱形截面鋼柱,軸壓比不大于0.2時的寬厚比限值建議取為30;對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4個Q460鋼材焊接工字形截面壓彎構(gòu)件進行了擬靜力循環(huán)荷載試驗研究,結(jié)果表明此類構(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試驗研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外針對高強度鋼材受彎構(gòu)件的研究很少。國外Beg等對10個NIONICRAL70高強度鋼材(700MPa)焊接工字形鋼梁進行了四點彎試驗和數(shù)值模擬研究,分析了翼緣和腹板寬厚比對受彎梁承載力和局部穩(wěn)定性能的影響,并提出了建議的計算公式。國內(nèi)孫飛飛等對高強度鋼材(實測屈服強度575MPa)熱軋H型鋼的兩個懸臂梁進行了低周往復(fù)荷載下的初步試驗研究,并將試驗結(jié)果與Q345B鋼梁進行對比;結(jié)果表明,此類高強度鋼材熱軋H型鋼梁的延性系數(shù)稍差,但滯回性能和耗能能力略強。5連接節(jié)點采用高強度木材5.1力學(xué)性能要求目前針對高強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,國內(nèi)主要是清華大學(xué)進行了全面深入的研究。清華大學(xué)對15個國產(chǎn)Q460C鋼材對接焊接接頭的低溫力學(xué)性能進行了靜力拉伸試驗研究,試驗溫度點包括-60℃、-40℃、-20℃、0℃以及20℃共5組;研究結(jié)果表明,此類鋼材焊接接頭的強度指標(biāo)隨溫度的降低而提高,延性指標(biāo)(包括斷后伸長率和截面收縮率)明顯降低;相比母材,焊接接頭的延性總體變差,斷后伸長率最小值為20.2%,仍滿足規(guī)范要求,斷口的微觀形貌以韌性為主。清華大學(xué)還對國產(chǎn)Q460C鋼材焊接接頭的斷裂韌性進行了試驗研究,包括焊縫處和熱影響區(qū)附近共30個試件;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;與母材試驗結(jié)果相比,熱影響區(qū)的斷裂韌性最差;通過采用Boltzmann函數(shù)進行擬合分析,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)對國產(chǎn)Q460C鋼材焊接接頭的夏比沖擊韌性進行了試驗研究,包括焊縫處和熱影響區(qū)附近共30個試件;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,且后者相對更低,在-60℃時,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。對于焊縫連接的疲勞性能研究,表1中有國外的相關(guān)研究內(nèi)容;國內(nèi)方面,清華大學(xué)對國產(chǎn)Q460C鋼材的對接焊接接頭進行了15種應(yīng)力幅下的疲勞性能試驗研究,共包括42個試件,分為原狀板材和表面拋光后的兩組試件;根據(jù)試驗結(jié)果擬合了此類焊接接頭的S-N曲線,擬合結(jié)果完全滿足我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相應(yīng)的容許應(yīng)力幅要求。清華大學(xué)對11個Q460C焊縫連接試件進行了8種不同超低周循環(huán)加載制度下的試驗研究,并基于Ramberg-Osgood公式對循環(huán)骨架曲線進行了擬合,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外對高強度鋼材螺栓抗剪連接進行了少量的試驗研究,研究內(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。國內(nèi)方面,文獻總結(jié)了國外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范針對螺栓抗剪連接的設(shè)計方法,并提出了現(xiàn)有高強度鋼材鋼板抗剪連接研究的不足。清華大學(xué)對國產(chǎn)Q460C高強度鋼板進行了8個螺栓抗剪連接的試驗研究,研究了螺栓孔的端距、邊距以及孔距對此類鋼板承壓性能的影響,并與歐洲和美國設(shè)計規(guī)范進行對比,結(jié)果表明現(xiàn)有設(shè)計方法不能很好地預(yù)測此類接頭的承載性能和破壞模式;通過大量的有限元數(shù)值分析,利用剪切破壞理論,提出了適用于我國Q460鋼材螺栓連接的鋼板承壓強度設(shè)計值,建議取為1.4倍鋼材抗拉強度fu。清華大學(xué)還對國產(chǎn)Q460C高強度鋼板螺栓抗剪連接中的接觸面抗滑移系數(shù)進行了試驗研究,共包括6個試件、3種表面處理方法,試驗裝置如圖6所示;結(jié)果表明,此類鋼板的抗滑移系數(shù)明顯小于我國規(guī)范的相關(guān)規(guī)定(約小0.05),建議對相關(guān)的設(shè)計條文進行修訂。5.3節(jié)點的剛度和抗彎性能目前針對高強度鋼材梁柱節(jié)點受力性能的研究很少。Coelho等進行了S690高強度鋼