高強(qiáng)度鋼材在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展,結(jié)構(gòu)工程論文

高強(qiáng)度鋼材在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展,結(jié)構(gòu)工程論文高強(qiáng)度構(gòu)造鋼〔簡(jiǎn)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〔委屈服從強(qiáng)度大于等于460,MPa〕、良好延性、韌性以及加工性能的構(gòu)造鋼材[1].區(qū)別于普通強(qiáng)度鋼材，由于高強(qiáng)度鋼材的委屈服從平臺(tái)長(zhǎng)度較短、屈強(qiáng)比擬高而無法到達(dá)抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗(yàn)證愈加重要。隨著高強(qiáng)鋼在工程構(gòu)造領(lǐng)域的逐步推廣應(yīng)用，有必要對(duì)高強(qiáng)度鋼材鋼構(gòu)造的承載力、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)度鋼材在工程構(gòu)造中的應(yīng)用現(xiàn)在狀況與研究進(jìn)展，進(jìn)而講明相應(yīng)需要深切進(jìn)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，獲得了良好的效果，華而不實(shí)應(yīng)用最多的領(lǐng)域是橋梁工程。德國的1ViaductBridge中均采用了S460高強(qiáng)度鋼材〔委屈服從強(qiáng)度為460,MPa的鋼材，簡(jiǎn)稱S460高強(qiáng)鋼〕。為減小橋墩尺寸，知足外觀要求，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(hào)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)而減輕構(gòu)造自重，同時(shí)也減小了焊縫的尺寸進(jìn)而減少焊接工作量、提高焊縫質(zhì)量。因而，在一定程度上縮短了施工工期，同時(shí)延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命。高強(qiáng)鋼已經(jīng)在一些建筑構(gòu)造中成功運(yùn)用。這些工程大多采用了460~690,MPa等級(jí)鋼材，個(gè)別工程還使用了780,MPa等級(jí)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SonyCentre大樓的屋頂桁架采用S460和S690鋼材；澳大利亞悉尼的StarCity在地下室柱子和其內(nèi)部Lyric劇院的2個(gè)桁架構(gòu)造中采用650,MPa和690,MPa等級(jí)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體育館的屋頂桁架構(gòu)造采用450,MPa高強(qiáng)度鋼材。高強(qiáng)鋼在我們國家也已成功運(yùn)用于建筑工程。如國家體育場(chǎng)鳥巢的關(guān)鍵部位采用了700,tQ460等級(jí)鋼材；國家游泳中心水立方構(gòu)造采用了2,600,tQ420鋼；央視新臺(tái)址主樓構(gòu)造采用了2,674.19,tQ460鋼等。除此之外，值得一提的是，G550高強(qiáng)鋼在澳大利鋼構(gòu)造住宅方面也有了初步的應(yīng)用[2].輸電塔、海洋平臺(tái)、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(chǎng)。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(jí)的可選鋼材。(日本架空送電規(guī)程〕[3]中焊接構(gòu)造鋼的委屈服從強(qiáng)度最高為460,MPa,鐵塔用高拉力型鋼的委屈服從強(qiáng)度到達(dá)520,MPa;(美國輸電鐵塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則〕[4]中的鋼材強(qiáng)度已到達(dá)686,MPa;高強(qiáng)鋼在我們國家輸電線路領(lǐng)域中的運(yùn)用起步較晚，我們國家(架空送電線路桿塔構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定〕[5]中的最高強(qiáng)度等級(jí)當(dāng)前只要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)果表示清楚，高強(qiáng)鋼的使用能夠有效降低輸電塔的自重，節(jié)省材料可達(dá)10%,,進(jìn)而降低整體造價(jià)達(dá)8%,之多[6].固然高強(qiáng)鋼已開場(chǎng)在一些國家和地區(qū)得到推廣和使用，但其普及仍遭到眾多因素的限制。首先，由于相關(guān)的研究工作還有待深切進(jìn)入，其構(gòu)造設(shè)計(jì)方式方法還相對(duì)滯后。歐洲鋼構(gòu)造規(guī)范僅在原有普通鋼材鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范中，增加了針對(duì)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)度構(gòu)造鋼材的荷載抗力系數(shù)，但兩者均僅套用普通鋼材鋼構(gòu)造的設(shè)計(jì)方式方法和計(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)方式方法沒有能充分考慮這些變化。我們國家的鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范更是缺少針對(duì)460,MPa以上等級(jí)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)，因而，無法指導(dǎo)和規(guī)范工程設(shè)計(jì)[7].其次，相對(duì)于強(qiáng)度的大幅增長(zhǎng)，高強(qiáng)鋼的彈性模量并沒有明顯增長(zhǎng)，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)鋼在工程構(gòu)造中的應(yīng)用研究，當(dāng)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(duì)高強(qiáng)度鋼構(gòu)造力學(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)是構(gòu)造中構(gòu)件互相交匯連接的區(qū)域，是構(gòu)造十分關(guān)鍵的部位。對(duì)于高強(qiáng)鋼構(gòu)造節(jié)點(diǎn)而言，一方面，由于鋼材委屈服從平臺(tái)長(zhǎng)度較短、屈強(qiáng)比擬高而無法到達(dá)抗震規(guī)范的要求，其變形能力的驗(yàn)算愈加重要。另一方面，由于缺少一定數(shù)量的研究，難以對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)際變形和轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行估計(jì)，因而，高強(qiáng)鋼構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能還是亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。在建筑工程中量大面廣的構(gòu)造是框架構(gòu)造，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)。下面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(duì)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)能夠簡(jiǎn)化為一個(gè)T-stub模型，如此圖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型件毀壞形式可分為翼緣產(chǎn)生塑性鉸、聯(lián)合毀壞和螺栓拉壞3種。研究表示清楚[9-12],歐洲規(guī)范能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的承載力，但高估了其初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)能力的估算也偏于保守。研究還表示清楚，端板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度的影響比柱翼緣的厚度愈加顯著，華而不實(shí)，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，薄端板通常能夠知足塑性轉(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，只要一個(gè)螺栓承當(dāng)所有的荷載；當(dāng)其他螺栓激活后，即應(yīng)力重分布后，所有螺栓共同承當(dāng)荷載。通過螺栓孔的橢圓化率來斷定鋼材的局部延性能夠發(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)果表示清楚，由純剪造成的螺孔伸長(zhǎng)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-位移曲線表示清楚，螺孔的容許伸長(zhǎng)率能夠到達(dá)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%,,因而，相應(yīng)的規(guī)范限值還需進(jìn)一步修正。對(duì)抗剪連接構(gòu)件的試驗(yàn)表示清楚[15-17],即便高強(qiáng)鋼的極限強(qiáng)度與委屈服從強(qiáng)度的比值較小，甚至對(duì)S1100鋼而言，小至1.05,其對(duì)構(gòu)件局部延性的影響也甚微。本來試件在螺栓孔發(fā)生較大伸長(zhǎng)的情況下，將發(fā)生劈裂或者剪切毀壞，而實(shí)際上，幾組試驗(yàn)的端板均在凈截面處毀壞。該試驗(yàn)結(jié)果與歐洲和美國規(guī)范進(jìn)行比擬能夠發(fā)現(xiàn)，兩者的計(jì)算結(jié)果均較為保守。參考對(duì)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，知足形變的要求。試驗(yàn)表示清楚，同等尺寸的構(gòu)件，由于高強(qiáng)鋼委屈服從應(yīng)力增加，其承載能力更高層次。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。因而，需要對(duì)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)范的比照表示清楚，歐洲規(guī)范仍適用于高強(qiáng)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)，但存在一些缺乏，如未考慮軸向壓力對(duì)構(gòu)件承載力的不利影響，應(yīng)對(duì)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(jí)高強(qiáng)螺栓。由于螺栓這類脆性構(gòu)件，極有可能在端板仍表現(xiàn)為延性時(shí)發(fā)生毀壞[11,19].試驗(yàn)證明，采用12.9級(jí)螺栓將極大地限制構(gòu)件的延性，并且在端板彎曲經(jīng)過中幾乎無任何形變。因而，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(jí)螺栓。在合理選用螺栓的情況下，高強(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)也能夠充分知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(duì)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(duì)螺栓節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行折減。然而，Puthli等[20]對(duì)高強(qiáng)鋼S460節(jié)點(diǎn)的一系列試驗(yàn)表示清楚，上述限制并不是必須的。Puthli等[20]以為，對(duì)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能夠到達(dá)1.0倍孔徑〔甚至是0.9倍孔徑〕，最小螺栓孔間隙能夠到達(dá)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)能夠采用插值法求解。清華大學(xué)石永久等[21]對(duì)Q460鋼材螺栓抗剪連接試驗(yàn)表示清楚，歐美規(guī)范均不能很好地估算高強(qiáng)鋼抗剪連接的毀壞形式及極限承載力。同時(shí)，固然歐洲規(guī)范已經(jīng)對(duì)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(duì)高強(qiáng)度鋼材抗剪連接性能影響的研究特別缺乏，因而，建議進(jìn)行更深切進(jìn)入的參數(shù)分析以完善規(guī)范設(shè)計(jì)方式方法。當(dāng)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)件不同的毀壞機(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(duì)S690抗剪連接構(gòu)件的滑移系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并與S275鋼板比擬發(fā)現(xiàn)無明顯差異，進(jìn)而以為歐洲規(guī)范原有的抗滑移系數(shù)規(guī)定同樣適用于S690鋼材。到當(dāng)前為止，對(duì)高強(qiáng)鋼連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)已經(jīng)獲得了初步進(jìn)展。然而，上述諸多試驗(yàn)大多停留在對(duì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，還沒有進(jìn)入對(duì)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。即便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(duì)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(duì)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(duì)普通鋼材的試驗(yàn)表示清楚，外伸端板的實(shí)際委屈服從線與T-stub模型中并不總是吻合的，因而，對(duì)于外伸端板來講，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，薄端板能夠知足塑性轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，但該文獻(xiàn)并未對(duì)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)，將不再知足規(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