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淺談高強度鋼材在工程結構中的應用研究進(jìn)展
高強度結構鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)高強鋼）是指采用微合金化及熱機械軋制技術(shù)生產(chǎn)出的具有高強度（屈服強度大于等于 460,MPa）、良好延性、韌性以及加工性能的結構鋼材[1].區別于普通強度鋼材，由于高強度鋼材的屈服平臺長(cháng)度較短、屈強比較高而無(wú)法達到抗震規范的要求，其變形能力的驗證更加重要。隨著(zhù)高強鋼在工程結構領(lǐng)域的逐漸推廣應用，有必要對高強度鋼材鋼結構的承載力、延性和抗震性能進(jìn)行系統的研究。
本文旨在總結高強度鋼材在工程結構中的應用現狀與研究進(jìn)展，進(jìn)而說(shuō)明相應需要深入研究的問(wèn)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，取得了良好的效果，其中應用最多的領(lǐng)域是橋梁工程。德國的1Viaduct Bridge 中均采用了 S460 高強度鋼材（屈服強度為 460,MPa 的鋼材，簡(jiǎn)稱(chēng) S460 高強鋼）。為減小橋墩尺寸，滿(mǎn)足外觀(guān)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，便于戰時(shí)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(jìn)而減輕結構自重，同時(shí)也減小了焊縫的尺寸從而減少焊接工作量、提高焊縫質(zhì)量。因此，在一定程度上縮短了施工工期，同時(shí)延長(cháng)了橋梁的使用壽命。
高強鋼已經(jīng)在一些建筑結構中成功運用。這些工程大多采用了 460~690,MPa 等級鋼材，個(gè)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 Sony Centre 大樓的屋頂桁架采用 S460 和S690 鋼材；澳大利亞悉尼 的 Star City 在地下室柱子和其內部 Lyric 劇院的 2 個(gè)桁架結構中采用 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 體育館的屋頂桁架結構采用 450,MPa 高強度鋼材。高強鋼在我國也已成功運用于建筑工程。如國家體育場(chǎng)鳥(niǎo)巢的關(guān)鍵部位采用了 700,t Q460 等級鋼材；國家游泳中心水立方結構采用了 2,600,t Q420鋼；央視新臺址主樓結構采用了 2,674.19,t Q460 鋼等。此外，值得一提的是，G550 高強鋼在澳大利鋼結構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(chē)制造等領(lǐng)域是高強鋼的潛在市場(chǎng)。日本和美國的鐵塔設計標準都已經(jīng)給出了較高等級的可選鋼材�！度毡炯芸账碗娨幊獭穂3]中焊接結構鋼的屈服強度最高為 460,MPa,鐵塔用高拉力型鋼的屈服強度達到 520,MPa;《美國輸電鐵塔設計導則》[4]中的鋼材強度已達到 686,MPa;高強鋼在我國輸電線(xiàn)路領(lǐng)域中的運用起步較晚，我國《架空送電線(xiàn)路桿塔結構設計規定》[5]中的最高強度等級目前只有390,MPa.但 2007 年，Q460 角鋼在平頂山 - 洛南500,kV 線(xiàn)路的輸電塔中得以應用。結果表明，高強鋼的使用可以有效降低輸電塔的自重，節省材料可達10%,,從而降低整體造價(jià)達 8%,之多[6].
雖然高強鋼已開(kāi)始在一些國家和地區得到推廣和使用，但其普及仍受到諸多因素的限制。 首先，由于相關(guān)的研究工作還有待深入，其結構設計方法還相對滯后。歐洲鋼結構規范僅在原有普通鋼材鋼結構設計規范中，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）的幾種高強度結構鋼材的荷載抗力系數，但兩者均僅套用普通鋼材鋼結構的設計方法和計算公式，并未建立在充足研究數據的基礎上。同時(shí)，由于生產(chǎn)高強鋼采用了新的加工工藝，其力學(xué)性能及連接的受力性能等均隨之變化，而現行設計方法未能充分考慮這些變化。我國的鋼結構設計規范更是缺少針對 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，因此，無(wú)法指導和規范工程設計[7].其次，相對于強度的大幅增長(cháng)，高強鋼的彈性模量并沒(méi)有明顯增長(cháng)，而使用此類(lèi)鋼材伴隨的焊縫造價(jià)增加、鋼材延性降低等問(wèn)題又尚未得到合理解決。
2 高強鋼梁柱端板連接節點(diǎn)的研究
高強鋼在工程結構中的應用研究，目前主要集中在材料性質(zhì)和節點(diǎn)性能兩個(gè)方面。國內外針對高強度鋼結構力學(xué)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定、局部穩定及滯回性能研究中。
節點(diǎn)是結構中構件相互交匯連接的區域，是結構特別關(guān)鍵的部位。對于高強鋼結構節點(diǎn)而言，一方面，因為鋼材屈服平臺長(cháng)度較短、屈強比較高而無(wú)法達到抗震規范的要求，其變形能力的驗算更加重要。另一方面，由于缺少一定數量的研究，難以對節點(diǎn)實(shí)際變形和轉動(dòng)能力進(jìn)行估計，因此，高強鋼結構節點(diǎn)的力學(xué)性能仍是亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在建筑工程中量大面廣的結構是框架結構，其典型的節點(diǎn)主要為梁柱連接節點(diǎn)，通常有焊接連接和螺栓連接兩種基本類(lèi)型。由于梁柱螺栓連接大多借助端板連接，故此類(lèi)節點(diǎn)又稱(chēng)為端板連接節點(diǎn)。以下主要介紹端板連接節點(diǎn)的研究情況。
2.1 節點(diǎn)試驗研究
端板連接節點(diǎn)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(shí)，在端板厚度不超過(guò)一定限值的情況下，節點(diǎn)的轉動(dòng)主要來(lái)自于節點(diǎn)的受拉區，該受拉區可以簡(jiǎn)化為一個(gè) T-stub 模型，如圖 1 所示。根據節點(diǎn)塑性鉸出現位置不同，在軸拉力作用下的 T 型件破壞模式可分為翼緣產(chǎn)生塑性鉸、聯(lián)合破壞和螺栓拉壞3 種。研究表明[9-12],歐洲規范能夠較為準確地預測節點(diǎn)的承載力，但高估了其初始轉動(dòng)剛度，對轉動(dòng)能力的估算也偏于保守。研究還表明，端板厚度對節點(diǎn)初始剛度的影響比柱翼緣的厚度更加顯著(zhù)，其中，端板厚度越大，節點(diǎn)的初始抗彎能力和剛度就越大，而其轉動(dòng)能力卻隨之減小。反之，隨著(zhù)端板厚度的減少，節點(diǎn)的轉動(dòng)能力也隨之增加。大體上，薄端板通常能夠滿(mǎn)足塑性轉動(dòng) 30,mrad 的要求。
高強鋼端板具有足夠的局部延性來(lái)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(shí)，仍然具有充分的延性[13-14].其工作機理為：首先，只有一個(gè)螺栓承擔所有的荷載；當其他螺栓激活后，即應力重分布后，所有螺栓共同承擔荷載。通過(guò)螺栓孔的橢圓化率來(lái)判定鋼材的局部延性可以發(fā)現，構件在試驗中表現出了極大的塑性變形。試驗結果表明，由純剪造成的螺孔伸長(cháng)并不是構件的最終極限狀態(tài)，通過(guò)限制平均承載應力大小的方式來(lái)限制形變的歐洲規范偏于保守。實(shí)際上，高強鋼螺栓節點(diǎn)在彈塑性階段的荷載-位移曲線(xiàn)表明，螺孔的容許伸長(cháng)率可以達到d0/6（d0為螺孔直徑設計值）。在彈性曲線(xiàn)的最后階段，其極限承載力也只減少了 20%,,因此，相應的規范限值還需進(jìn)一步修正。
對抗剪連接構件的試驗表明[15-17],即使高強鋼的極限強度與屈服強度的比值較小，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。原本試件在螺栓孔發(fā)生較大伸長(cháng)的情況下，將發(fā)生劈裂或者剪切破壞，而實(shí)際上，幾組試驗的端板均在凈截面處破壞。該試驗結果與歐洲和美國規范進(jìn)行比較可以發(fā)現，兩者的計算結果均較為保守。
參考對高強鋼焊接節點(diǎn)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，滿(mǎn)足形變的要求。試驗表明，同等尺寸的構件，由于高強鋼屈服應力增加，其承載能力更高。同時(shí)，節點(diǎn)域中的腹板越厚，延性越低，并且隨著(zhù)鋼板強度越高，相應的形變能力和延性就越低。因此，需要對腹板厚度進(jìn)行一定的取舍，但節點(diǎn)域腹板不能過(guò)分薄，否則局部穩定不能保證。該試驗結果與歐洲規范的對比表明，歐洲規范仍適用于高強鋼構件設計，但存在一些不足，如未考慮軸向壓力對構件承載力的不利影響，應對現有公式進(jìn)行修正。
高強度鋼材節點(diǎn)中的螺栓不宜采用 12.9 級高強螺栓。因為螺栓這類(lèi)脆性構件，極有可能在端板仍表現為延性時(shí)發(fā)生破壞[11,19].試驗證明，采用 12.9 級螺栓將極大地限制構件的延性，并且在端板彎曲過(guò)程中幾乎無(wú)任何形變。因此，在高強鋼節點(diǎn)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，高強鋼節點(diǎn)也能夠充分滿(mǎn)足高形變和高延性的要求。
高強鋼節點(diǎn)在螺栓布置方面，無(wú)需比普通鋼節點(diǎn)要求嚴格。歐洲規范規定，對于普通鋼節點(diǎn)，如螺栓邊距小于 1.5 倍孔徑，或螺栓間距小于 3 倍孔徑時(shí)，需對螺栓節點(diǎn)的承載力進(jìn)行折減。然而，Puthli 等[20]對高強鋼 S460 節點(diǎn)的一系列試驗表明，上述限制并不是必須的。Puthli 等[20]認為，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，節點(diǎn)的設計承載力無(wú)需進(jìn)行折減。并且，最小的螺栓邊緣間距可以達到 1.0 倍孔徑（甚至是 0.9 倍孔徑），最小螺栓孔間隙可以達到 2.0 倍孔徑（甚至是1.8 倍孔徑）。此時(shí)，節點(diǎn)的承載力需折減至 3/4.其他情況下的折減系數可以采用插值法求解。清華大學(xué)石永久等[21]對 Q460 鋼材螺栓抗剪連接試驗表明，歐美規范均不能很好地估算高強鋼抗剪連接的破壞模式及極限承載力。同時(shí)，雖然歐洲規范已經(jīng)對高強度鋼材做出了相關(guān)規定，但并未與普通鋼材進(jìn)行區分，尤其是關(guān)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十分缺乏，因此，建議進(jìn)行更深入的參數分析以完善規范設計方法。目前，已有研究[22]
通過(guò)引入兩個(gè)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律，進(jìn)而控制構件不同的破壞機理，并通過(guò)改變系數，較為準確地計算沿荷載方向布置多個(gè)螺栓的節點(diǎn)的承載力。
Cruz 等[23]對 S690 抗剪連接構件的滑移系數進(jìn)行測定，并與 S275 鋼板比較發(fā)現無(wú)明顯差異，從而認為歐洲規范原有的抗滑移系數規定同樣適用于S690 鋼材。
到目前為止，對高強鋼連接節點(diǎn)的試驗已經(jīng)取得了初步進(jìn)展。然而，上述眾多試驗大多停留在對規范進(jìn)行驗證的基礎上，還沒(méi)有進(jìn)入對規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。即使 T-stub 力學(xué)行為在過(guò)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明，外伸端板的實(shí)際屈服線(xiàn)與 T-stub 模型中并不總是吻合的，因此，對于外伸端板來(lái)說(shuō)，撬力并沒(méi)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，薄端板能夠滿(mǎn)足塑性轉動(dòng)的要求，但該文獻并未對端板的厚薄程度進(jìn)行區分，即并沒(méi)有指出端板厚度取何值時(shí)，將不再滿(mǎn)足規范要求的地震下的塑性轉動(dòng)能力的要求。同時(shí)該文獻也指出，歐洲規范高估了節點(diǎn)的初始轉動(dòng)剛度，對轉動(dòng)能力的估算也較為保守。那么如何進(jìn)一步修正規范相應的條件，使得其與實(shí)際情況相吻合也需要后續研究。
應當注意到，由于試驗較昂貴，以上研究多單獨采用高強鋼端板進(jìn)行試驗，或將梁柱換成普通鋼材進(jìn)行試驗，而文獻[18]給出的結論表明，高強鋼柱對于螺栓的受力也有不利影響，高強鋼塑性變形發(fā)生較晚，因此，當節點(diǎn)變形相同時(shí)，更大的變形壓力轉移到螺栓上，導致螺栓更早發(fā)生破壞，從而削弱了節點(diǎn)的轉動(dòng)能力和延性。因此，有必要全部采用高強鋼對梁柱節點(diǎn)進(jìn)行試驗。
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