淺談高強(qiáng)度鋼材在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展
高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（簡稱高強(qiáng)鋼）是指采用微合金化及熱機(jī)械軋制技術(shù)生產(chǎn)出的具有高強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度大于等于 460,MPa）、良好延性、韌性以及加工性能的結(jié)構(gòu)鋼材[1].區(qū)別于普通強(qiáng)度鋼材，由于高強(qiáng)度鋼材的屈服平臺長度較短、屈強(qiáng)比較高而無法達(dá)到抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗(yàn)證更加重要。隨著高強(qiáng)鋼在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的逐漸推廣應(yīng)用，有必要對高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的承載力、延性和抗震性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
本文旨在總結(jié)高強(qiáng)度鋼材在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，進(jìn)而說明相應(yīng)需要深入研究的問題。
1 高強(qiáng)鋼的應(yīng)用狀況及限制因素
高強(qiáng)鋼在發(fā)達(dá)國家已得到初步推廣，取得了良好的效果，其中應(yīng)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(qiáng)度鋼材（屈服強(qiáng)度為 460,MPa 的鋼材，簡稱 S460 高強(qiáng)鋼）。為減小橋墩尺寸，滿足外觀要求，德國的 Nesenbachtalbruke 橋中受壓構(gòu)件采用了 S690 高強(qiáng)鋼；為有效降低自重，便于戰(zhàn)時(shí)快速運(yùn)輸與安裝，瑞典的 48 號軍用快速橋采用了 S1100 超高強(qiáng)鋼。
高強(qiáng)鋼的應(yīng)用不僅減小了鋼板的厚度進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)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)延長了橋梁的使用壽命。
高強(qiáng)鋼已經(jīng)在一些建筑結(jié)構(gòu)中成功運(yùn)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(nèi)部 Lyric 劇院的 2 個(gè)桁架結(jié)構(gòu)中采用 650,MPa和 690,MPa 等級的鋼材；悉尼的 Latitude 大廈在轉(zhuǎn)換層中采用 690,MPa 高強(qiáng)度鋼板；美國休斯頓 ReliantStadium 體育館的屋頂桁架結(jié)構(gòu)采用 450,MPa 高強(qiáng)度鋼材。高強(qiáng)鋼在我國也已成功運(yùn)用于建筑工程。如國家體育場鳥巢的關(guān)鍵部位采用了 700,t Q460 等級鋼材；國家游泳中心水立方結(jié)構(gòu)采用了 2,600,t Q420鋼；央視新臺址主樓結(jié)構(gòu)采用了 2,674.19,t Q460 鋼等。此外，值得一提的是，G550 高強(qiáng)鋼在澳大利鋼結(jié)構(gòu)住宅方面也有了初步的應(yīng)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(lǐng)域是高強(qiáng)鋼的潛在市場。日本和美國的鐵塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)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(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度最高為 460,MPa,鐵塔用高拉力型鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到 520,MPa;《美國輸電鐵塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[4]中的鋼材強(qiáng)度已達(dá)到 686,MPa;高強(qiáng)鋼在我國輸電線路領(lǐng)域中的運(yùn)用起步較晚，我國《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》[5]中的最高強(qiáng)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(yīng)用。結(jié)果表明，高強(qiáng)鋼的使用可以有效降低輸電塔的自重，節(jié)省材料可達(dá)10%,,從而降低整體造價(jià)達(dá) 8%,之多[6].
雖然高強(qiáng)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(guān)的研究工作還有待深入，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法還相對滯后。歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范僅在原有普通鋼材鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，增加了針對 S460-700 的補(bǔ)充條款；美國的荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范（極限應(yīng)力設(shè)計(jì)法 LRFD）中雖提出了最高為 A514（強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 690,MPa）的幾種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材的荷載抗力系數(shù)，但兩者均僅套用普通鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式，并未建立在充足研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。同時(shí)，由于生產(chǎn)高強(qiáng)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(xiàn)行設(shè)計(jì)方法未能充分考慮這些變化。我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范更是缺少針對 460,MPa以上等級鋼材的設(shè)計(jì)條文，缺少高強(qiáng)鋼的抗力分項(xiàng)系數(shù)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值指標(biāo)，因此，無法指導(dǎo)和規(guī)范工程設(shè)計(jì)[7].其次，相對于強(qiáng)度的大幅增長，高強(qiáng)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(jià)增加、鋼材延性降低等問題又尚未得到合理解決。
2 高強(qiáng)鋼梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的研究
高強(qiáng)鋼在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究，目前主要集中在材料性質(zhì)和節(jié)點(diǎn)性能兩個(gè)方面。國內(nèi)外針對高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)件的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定及滯回性能研究中。
節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中構(gòu)件相互交匯連接的區(qū)域，是結(jié)構(gòu)特別關(guān)鍵的部位。對于高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)而言，一方面，因?yàn)殇摬那脚_長度較短、屈強(qiáng)比較高而無法達(dá)到抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗(yàn)算更加重要。另一方面，由于缺少一定數(shù)量的研究，難以對節(jié)點(diǎn)實(shí)際變形和轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行估計(jì)，因此，高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能仍是亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。在建筑工程中量大面廣的結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)，其典型的節(jié)點(diǎn)主要為梁柱連接節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)又稱為端板連接節(jié)點(diǎn)。以下主要介紹端板連接節(jié)點(diǎn)的研究情況。
2.1 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究
端板連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)主要以抗彎試驗(yàn)為主，對端板的理論研究主要采用 T-stub 理論。Coelho 等在文獻(xiàn)[8]中證實(shí)，在端板厚度不超過一定限值的情況下，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要來自于節(jié)點(diǎn)的受拉區(qū)，該受拉區(qū)可以簡化為一個(gè) T-stub 模型，如圖 1 所示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)塑性鉸出現(xiàn)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(guī)范能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測節(jié)點(diǎn)的承載力，但高估了其初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，對轉(zhuǎn)動(dòng)能力的估算也偏于保守。研究還表明，端板厚度對節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的初始抗彎能力和剛度就越大，而其轉(zhuǎn)動(dòng)能力卻隨之減小。反之，隨著端板厚度的減少，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力也隨之增加。大體上，薄端板通常能夠滿足塑性轉(zhuǎn)動(dòng) 30,mrad 的要求。
高強(qiáng)鋼端板具有足夠的局部延性來保證荷載的應(yīng)力重分布，甚至當(dāng)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(jī)理為：首先，只有一個(gè)螺栓承擔(dān)所有的荷載；當(dāng)其他螺栓激活后，即應(yīng)力重分布后，所有螺栓共同承擔(dān)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(xiàn)，構(gòu)件在試驗(yàn)中表現(xiàn)出了極大的塑性變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，由純剪造成的螺孔伸長并不是構(gòu)件的最終極限狀態(tài)，通過限制平均承載應(yīng)力大小的方式來限制形變的歐洲規(guī)范偏于保守。實(shí)際上，高強(qiáng)鋼螺栓節(jié)點(diǎn)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(dá)到d0/6（d0為螺孔直徑設(shè)計(jì)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(yīng)的規(guī)范限值還需進(jìn)一步修正。
對抗剪連接構(gòu)件的試驗(yàn)表明[15-17],即使高強(qiáng)鋼的極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值較小，甚至對 S1100 鋼而言，小至 1.05,其對構(gòu)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(shí)際上，幾組試驗(yàn)的端板均在凈截面處破壞。該試驗(yàn)結(jié)果與歐洲和美國規(guī)范進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，兩者的計(jì)算結(jié)果均較為保守。
參考對高強(qiáng)鋼焊接節(jié)點(diǎn)域的研究[18],在保證承載力的情況下，只要設(shè)計(jì)合理，適當(dāng)減小柱腹板厚度，高強(qiáng)鋼板仍具有足夠的延性，滿足形變的要求。試驗(yàn)表明，同等尺寸的構(gòu)件，由于高強(qiáng)鋼屈服應(yīng)力增加，其承載能力更高。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)域中的腹板越厚，延性越低，并且隨著鋼板強(qiáng)度越高，相應(yīng)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(jié)點(diǎn)域腹板不能過分薄，否則局部穩(wěn)定不能保證。該試驗(yàn)結(jié)果與歐洲規(guī)范的對比表明，歐洲規(guī)范仍適用于高強(qiáng)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)，但存在一些不足，如未考慮軸向壓力對構(gòu)件承載力的不利影響，應(yīng)對現(xiàn)有公式進(jìn)行修正。
高強(qiáng)度鋼材節(jié)點(diǎn)中的螺栓不宜采用 12.9 級高強(qiáng)螺栓。因?yàn)槁菟ㄟ@類脆性構(gòu)件，極有可能在端板仍表現(xiàn)為延性時(shí)發(fā)生破壞[11,19].試驗(yàn)證明，采用 12.9 級螺栓將極大地限制構(gòu)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(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)中不建議使用強(qiáng)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(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)也能夠充分滿足高形變和高延性的要求。
高強(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)在螺栓布置方面，無需比普通鋼節(jié)點(diǎn)要求嚴(yán)格。歐洲規(guī)范規(guī)定，對于普通鋼節(jié)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(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行折減。然而，Puthli 等[20]對高強(qiáng)鋼 S460 節(jié)點(diǎn)的一系列試驗(yàn)表明，上述限制并不是必須的。Puthli 等[20]認(rèn)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(diǎn)的設(shè)計(jì)承載力無需進(jìn)行折減。并且，最小的螺栓邊緣間距可以達(dá)到 1.0 倍孔徑（甚至是 0.9 倍孔徑），最小螺栓孔間隙可以達(dá)到 2.0 倍孔徑（甚至是1.8 倍孔徑）。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)的承載力需折減至 3/4.其他情況下的折減系數(shù)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(yàn)表明，歐美規(guī)范均不能很好地估算高強(qiáng)鋼抗剪連接的破壞模式及極限承載力。同時(shí)，雖然歐洲規(guī)范已經(jīng)對高強(qiáng)度鋼材做出了相關(guān)規(guī)定，但并未與普通鋼材進(jìn)行區(qū)分，尤其是關(guān)于端距、邊距和螺栓間距對高強(qiáng)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(shù)分析以完善規(guī)范設(shè)計(jì)方法。目前，已有研究[22]
通過引入兩個(gè)方向邊距比值的影響，修正承載力計(jì)算公式，可較好地估算荷載在螺栓間的分布規(guī)律，進(jìn)而控制構(gòu)件不同的破壞機(jī)理，并通過改變系數(shù)，較為準(zhǔn)確地計(jì)算沿荷載方向布置多個(gè)螺栓的節(jié)點(diǎn)的承載力。
Cruz 等[23]對 S690 抗剪連接構(gòu)件的滑移系數(shù)進(jìn)行測定，并與 S275 鋼板比較發(fā)現(xiàn)無明顯差異，從而認(rèn)為歐洲規(guī)范原有的抗滑移系數(shù)規(guī)定同樣適用于S690 鋼材。
到目前為止，對高強(qiáng)鋼連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)已經(jīng)取得了初步進(jìn)展。然而，上述眾多試驗(yàn)大多停留在對規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，還沒有進(jìn)入對規(guī)范相應(yīng)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(yàn)證。即使 T-stub 力學(xué)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(yàn)與理論分析[24-25],對高強(qiáng)度鋼材 T-stub 組件和 T-stub 變形能力研究較少。文獻(xiàn)[26]對普通鋼材的試驗(yàn)表明，外伸端板的實(shí)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(jié)論還有待細(xì)化。如文獻(xiàn)[11]中指出，薄端板能夠滿足塑性轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，但該文獻(xiàn)并未對端板的厚薄程度進(jìn)行區(qū)分，即并沒有指出端板厚度取何值時(shí)，將不再滿足規(guī)范要求的地震下的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力的要求。同時(shí)該文獻(xiàn)也指出，歐洲規(guī)范高估了節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，對轉(zhuǎn)動(dòng)能力的估算也較為保守。那么如何進(jìn)一步修正規(guī)范相應(yīng)的條件，使得其與實(shí)際情況相吻合也需要后續(xù)研究。
應(yīng)當(dāng)注意到，由于試驗(yàn)較昂貴，以上研究多單獨(dú)采用高強(qiáng)鋼端板進(jìn)行試驗(yàn)，或?qū)⒘褐鶕Q成普通鋼材進(jìn)行試驗(yàn)，而文獻(xiàn)[18]給出的結(jié)論表明，高強(qiáng)鋼柱對于螺栓的受力也有不利影響，高強(qiáng)鋼塑性變形發(fā)生較晚，因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)變形相同時(shí)，更大的變形壓力轉(zhuǎn)移到螺栓上，導(dǎo)致螺栓更早發(fā)生破壞，從而削弱了節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和延性。因此，有必要全部采用高強(qiáng)鋼對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。
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