淺談高強度鋼材在工程結構中的應用研究進展
高強度結構鋼（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（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(qū)別于普通強度鋼材，由于高強度鋼材的屈服平臺長度較短、屈強比較高而無法達到抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗證更加重要。隨著高強鋼在工程結構領域的逐漸推廣應用，有必要對高強度鋼材鋼結構的承載力、延性和抗震性能進行系統(tǒng)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展，進而說明相應需要深入研究的問題。
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，取得了良好的效果，其中應用最多的領域是橋梁工程。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，簡稱 S460 高強鋼）。為減小橋墩尺寸，滿足外觀要求，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結構自重，同時也減小了焊縫的尺寸從而減少焊接工作量、提高焊縫質量。因此，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結構中成功運用。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 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。如國家體育場鳥巢的關鍵部位采用了 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路領域中的運用起步較晚，我國《架空送電線路桿塔結構設計規(guī)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(jié)省材料可達10%,,從而降低整體造價達 8%,之多[6].
雖然高強鋼已開始在一些國家和地區(qū)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(guī)范僅在原有普通鋼材鋼結構設計規(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，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，而現行設計方法未能充分考慮這些變化。我國的鋼結構設計規(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，因此，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
高強鋼在工程結構中的應用研究，目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結構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)點是結構中構件相互交匯連接的區(qū)域，是結構特別關鍵的部位。對于高強鋼結構節(jié)點而言，一方面，因為鋼材屈服平臺長度較短、屈強比較高而無法達到抗震規(guī)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(jié)點實際變形和轉動能力進行估計，因此，高強鋼結構節(jié)點的力學性能仍是亟需解決的一個關鍵問題。在建筑工程中量大面廣的結構是框架結構，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。以下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)可以簡化為一個 T-stub 模型，如圖 1 所示。根據節(jié)點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生塑性鉸、聯合破壞和螺栓拉壞3 種。研究表明[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。研究還表明，端板厚度對節(jié)點初始剛度的影響比柱翼緣的厚度更加顯著，其中，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，薄端板通常能夠滿足塑性轉動 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，只有一個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。通過螺栓孔的橢圓化率來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-位移曲線表明，螺孔的容許伸長率可以達到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%,,因此，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)生較大伸長的情況下，將發(fā)生劈裂或者剪切破壞，而實際上，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(guī)范進行比較可以發(fā)現，兩者的計算結果均較為保守。
參考對高強鋼焊接節(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，滿足形變的要求。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，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。因此，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)范的對比表明，歐洲規(guī)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。因為螺栓這類脆性構件，極有可能在端板仍表現為延性時發(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，并且在端板彎曲過程中幾乎無任何形變。因此，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)點也能夠充分滿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(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，節(jié)點的承載力需折減至 3/4.其他情況下的折減系數可以采用插值法求解。清華大學石永久等[21]對 Q460 鋼材螺栓抗剪連接試驗表明，歐美規(guī)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，雖然歐洲規(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十分缺乏，因此，建議進行更深入的參數分析以完善規(guī)范設計方法。目前，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破壞機理，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 鋼板比較發(fā)現無明顯差異，從而認為歐洲規(guī)范原有的抗滑移系數規(guī)定同樣適用于S690 鋼材。
到目前為止，對高強鋼連接節(jié)點的試驗已經取得了初步進展。然而，上述眾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。即使 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明，外伸端板的實際屈服線與 T-stub 模型中并不總是吻合的，因此，對于外伸端板來說，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，薄端板能夠滿足塑性轉動的要求，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，將不再滿足規(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，歐洲規(guī)范高估了節(jié)點的初始轉動剛度，對轉動能力的估算也較為保守。那么如何進一步修正規(guī)范相應的條件，使得其與實際情況相吻合也需要后續(xù)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行試驗，或將梁柱換成普通鋼材進行試驗，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(jié)點變形相同時，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(jié)點的轉動能力和延性。因此，有必要全部采用高強鋼對梁柱節(jié)點進行試驗。
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