高强度钢材钢结构研究现状

左国稷++全财华++蒲万丽++罗雨菲

摘 要：文章总结了国内外学者对高强度钢材钢结构最新的研究成果，详细阐述了高强度钢材钢结构的研究现状，包括材料力学性能、轴压构件、压弯构件的局部稳定性的研究等内容。总结现阶段研究的不足并提出未来研究的趋势，为我国今后高强度钢材钢结构的进一步发展提供参考。

关键词：高强度钢材；轴压构件；压弯构件

中图分类号：TG142 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0183-02

引言

钢材具有强度高、自重轻，塑性、韧性好，材质均匀，工业化程度高等优点，是一种理想的建筑材料。近二十年来，随着科技的发展和建筑钢材生产工艺的进步，钢材的可加工性能和力学性能得到大幅度的提高，从而促使了新型高强度结构钢材的问世。而目前，国内外尚未对高强度钢材进行详细、明确的定义。美国的ASTM规范规定，名义屈服强度大于690Mpa的钢材为高强度钢材，欧洲标准规定，名义屈服强度大于460Mpa的钢材为高强钢材，我国《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）只对名义屈服强度小于420Mpa的钢材做了详细的规定。目前，国内还没有对Q460以上的高强度钢材进行详细的研究，因此，高强度钢材钢结构的性能研究具有非常重要的工程意义[1]。

高强度钢材钢结构最早在二十世纪六十年代日本工程界得到应用，随后逐渐发展到美国、德国、英国等国。近些年，我国在多个建筑工程中已经使用了高强度钢材，包括国家体育场、中央电视台新台址主楼、深圳湾体育中心、凤凰国际中心等。

1 高强度钢材的力学性能

1.1 基本力学性能

高强度钢材的基本力学性能主要有屈强比、断后伸长率等。范金凯[2]等对48个Q460高强等边单角钢试件进行了拉伸试验，测得屈强比在1.20～1.35之间，断后伸长率在20%～25%之间。周峰[3]等对两种厚度（10mm，12mm）Q460钢板进行标准拉伸试验，试验发现试件均没有明显的屈服平台，且全部出现颈缩现象后断裂，断后伸长率在16%左右。施刚[4]等对欧洲高强度钢材S690的12个构件和S960的9个标准试件进行了拉伸试验。

1.2 低温力学性能

为了探讨高强度钢材低温条件下的力学性能，需进行冲击韧性及断裂韧性的试验。施刚[5]等通过对Q460C国产高强度钢材及焊缝连接的低温力学性能的试验研究发现，国产高强度钢材在常温下具有良好的冲击韧性，但当温度低于-20℃ 时，其韧性明显降低，甚至低于我国结构钢材标准的相关限值的规定。王元清[6]等研究了Q460高强钢在低温下材料的力学性能，认为当温度低于-40℃时Q460易脆性破坏。Yu通过对高强度钢材进行低温及常温试验，得到了钢材的断裂韧性和维氏硬度，并在试验的基础上依据有限元模型提出了材料的本构关系。

2 轴压构件

施刚[5]等对名义屈服强度为960Mpa 的超高强钢焊接H型截面柱的整体稳定性进行了研究，并计算了整体稳定性系数。班慧勇[7]等在2011年对Q420钢材的等边角钢轴心受压桿件的整体稳定性进行了研究。李国强[10]等对高强度（名义屈服强度Q460Mpa）钢材焊接箱形截面轴心受压柱进行了整体稳定试验，并利用有限元软件ANSYS进行模拟分析。李振宝[11]等对高强度（名义屈服强度Q420Mpa）双角钢十字组合截面压杆的稳定承载力进行了试验研究，研究发现我国现行规范对于悬伸板件宽厚比的限值略显保守，且限制了高强钢材材料性能的发挥。施刚[12]等对3组高强度钢材焊接工型和箱形截面轴心受压构件的局部稳定性进行了有限元分析。高磊等采用有限元软件ANSYS对屈服强度标准值为745Mpa钢材的焊接箱形截面柱受压试验进行了局部稳定性分析。

3 压弯构件局部稳定性

Earls C J研究了高强钢工形截面梁在梯度弯矩作用下的弹塑性破坏模式，并探讨了翼缘宽厚比、腹板高厚比、侧向支撑对梁转动能力的影响以及破坏形式对构件延性的影响。同济大学的孙飞飞[13]对实测屈服强度575MPa的高强度钢材热轧H型钢的两个悬臂梁进行了低周往复荷载下的试验研究，研究发现该类高强度钢梁的延性较差，但耗能能力较强。徐克龙[14]等利用有限元软件ANSYS建立四点加载下的工字形截面压弯构件模型，计算不同钢材构件的腹板屈曲后极限承载力，并与各国规范推荐式的计算值进行对比，结果发现其均不适用于高强度钢材压弯构件局部稳定的计算。

4 总结与展望

通过总结分析前人的研究成果发现，高强度钢材钢结构具有良好的受力性能以及较好的经济性能，但我国现行《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中的设计方法并不完全适用于高强度钢材，使得计算结果偏保守，不利于充分发挥高强度钢材的优势。

高强度钢材目前仍有很多问题值得讨论和研究，针对现阶段研究的不足，提出以下几点展望：

（1）高强度钢材压弯构件的滞回性能和抗震性能的研究

相对较少，需进一步的加强这方面的研究。

（2）高强度钢材钢结构相关结构体系、设计方法和计算理论方面的研究亟待解决。

（3）现行规范对Q460及其以上钢材的设计没有明确规

定，很多条文不再适合高强度钢材，因此急需对现行规范进行修订和完善。

参考文献：

[1]刘钊.高强度钢材轴心受压构件局部稳定受力性能研究[D].北京：北京交通大学，2010.

[2]范金凯.Q460高强等边单角钢轴心受压杆件的理论与试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2009.

[3]周锋，陈以一，童乐为.高强度钢材焊接H形构件受力性能的试验研究[J].工业建筑，2012，42（1）：32-36.

[4]施刚，班慧勇，石永久.端部带约束的超高强度钢材受压构件整体稳定受力性能[J].土木工程学报，2011，44（10）：17-25.

[5]施刚，班慧勇，石永久，等.高强度钢材钢结构的工程应用与研究进展[J].工业建筑，2012，42（1）：1-7.

[6]王元清，林云，张延年，等.高强度钢材Q460C低温力学性能试验[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2011，27（4）：646-652.

[7]班慧勇，施刚，石永久，等.超高强度钢材焊接截面残余应力分布研究[J].工程力学，2008，25（SII）：57-61，98.

[8]班慧勇.高强度钢材轴心受压构件整体稳定性能与设计方法研究[D].北京：清华大学，2012.

[9]班慧勇，施刚，刘钊，石永久，等.Q420等边角钢轴压杆整体稳定性能试验研究[J].建筑结构学报，2011，32（2）：60-67.

[10]李国强，王彦博，陈素文.高强钢焊接箱形柱轴心受压极限承载力试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（3）：8-14.

[11]李振宝，石鹿言，刑海军，等.Q420双角钢十字组合截面压杆承载力试验[J].电力建设，2009，30（9）：8-11.

[12]施刚，石永久，王元清.超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱整体稳定的有限元分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2009，25（2）：255-261.

[13]孙飞飞，杨芳，李国强，等.高强热轧H型钢悬臂梁低周反复试验研究[J].工业建筑，2012，42（1）：46-50.

[14]徐克龙，石永久，李一昕.高强度钢材受弯构件局部稳定设计方法对比[J].工业建筑，2016，46（9）：136-143.