文章精选 | 高强度钢材钢结构抗震研究进展综述

摘要

Abstract

随着屈服强度的提高，高强度结构钢材的屈强比增大，断后伸长率减小，由于缺少相应规范条文，其在抗震设防地区的应用受到限制。从材料、构件和结构三个层面出发，总结了近年来国内外学者针对高强度钢材钢结构抗震性能的研究成果。重点包括：材料的静力拉伸力学性能、循环本构和极低周疲劳性能；柱、梁和连接节点的抗震性能；高强钢结构框架的抗震性能等内容。最后，对高强钢钢结构抗震性能的进一步研究工作进行了展望。

研究进展

Research advances

1 高强度钢材力学性能与本构模型研究

1.1 静力拉伸力学性能

在实际地震作用下，钢结构的耗能主要依靠构件、节点的塑性变形能力实现。针对高强度钢材的静力拉伸性能，我国规范《建筑抗震设计规范》《钢结构设计标准》《高强钢结构设计规程》(征求意见稿)及欧洲钢结构设计规范等分别对高强钢材的屈强比、断后延伸率、韧性及可焊性等指标给出了明确的规定限值。此外，相关学者在对高强钢进行研究时通过材性试验确定了材料的力学性能。 针对抗震设计关心的断后伸长率和屈强比，将相关试验数据进行汇总，结果见图1。

图1 高强钢单调拉伸试验数据汇总

目前，为促进高强钢的工程应用，仍然有必要通过更好的冶金和生产技术来不断提高高强钢的力学性能，同时，也需要发展更加适用于高强钢结构的设计理论。

1.2 循环荷载下的本构模型研究

钢材的本构关系是钢结构相关研究的基础。相较于单调荷载作用下的本构关系，钢材在循环荷载作用下的本构关系能更加准确地描述钢材在地震作用下的响应。一些学者通过材料的循环加载试验对高强钢在循环荷载作用下的本构关系和力学性能进行了研究（表1）。研究表明：高强钢在循环荷载作用下的响应和单调加载是不同的，具有循环强化和循环软化的现象；高强钢具有良好的延性和耗能性能；随着屈服强度的提高，高强钢循环硬化效应降低，并且循环软化现象更加显著。

表1 高强钢循环荷载下材性的相关研究

一些学者对高强钢循环本构模型开展了相应的研究。其中大部分学者根据Chaboche混合强化模型，对高强钢的循环本构模型进行了标定。将相关标定结果的平均值汇总于表2。总体上来看，目前对于不同循环本构模型的对比研究还较少，不同循环本构模型对结构分析结果和计算效率的影响还不明确，以后可以开展相关研究以选出合适的循环本构模型。

表2 高强钢的Chaboche混合强化模型参数汇总

1.3 极低周疲劳断裂性能研究

为和传统的低周疲劳相区别，有学者将地震作用导致的钢结构节点的疲劳断裂称为高应变低周疲劳或极低周疲劳其主要特征是疲劳寿命极短、应力幅或应变幅水平很高。在美国北岭地震和日本阪神地震中，钢结构节点的破坏大部分属于极低周疲劳断裂破坏（图2）。

钢框架梁柱节点 钢支撑连接节点

图2 地震中钢结构节点的低周疲劳断裂破坏

一些学者参照钢材高周疲劳的研究方法，利用应变疲劳对高强钢低周疲劳展开相关研究，但是大部分研究集中在机械领域，并且应变幅不超过1%。然而与高强钢抗震性能密切相关的极低周疲劳性能研究成果相对较少。高强钢极低周疲劳断裂性能的研究为确定高强钢结构危险构件(节点)和高强钢的抗震设计提供了新的思路。总体上来看，目前对于高强钢极低周疲劳断裂的研究极少，相关模型对于高强钢的适用性还有待验证，需要开展相关研究来完善高强钢的极低周疲劳断裂模型。

2 高强钢构件抗震性能

2.1 柱

国内外针对高强钢受压构件的整体稳定性能、局部稳定性能和焊接残余应力开展了研究，为高强钢的工程应用提供了设计基础。但是针对高强钢受压构件的抗震滞回性能的研究还比较少， 表3汇总了相关研究情况。

表3 高强钢受压构件抗震性能相关研究

高强钢柱作为主要承重构件，能够有效减少结构用钢量，减轻结构自重，具有广阔的应用前景。现有研究表明，高强钢柱具有较好的延性和一定的耗能能力。按照GB 50011—2010中对宽厚比的限制，能够保证高强钢柱具有良好的耗能能力和抗震性能。但是，现有研究还不够完善，对于材料屈服强度在460MPa 以上的高强钢柱，相关研究匮乏。并且随着钢材屈服强度的提高，钢号修正系数减小，宽厚比限值进一步增大；当钢材屈服强度达到960MPa时，钢号修正系数降低至0.49。所以需要进一步对高强钢柱的抗震性能及设计开展研究，使其抗震设计更加合理，应用更加广泛。

2.2 梁

由于在钢结构设计中需遵循强柱弱梁的原则，并且相较于材料的影响，截面形式对梁性能的影响更加显著，因此高强度钢梁的研究并不是目前研究的重点。现有研究主要针对高强钢梁的承载能力和抗火性能，少量学者对高强钢梁的抗震滞回性能进行了一定的研究。

2.3 连接节点

高强钢的连接节点包括焊接接头和梁柱节点。目前，关于高强钢焊接接头的低周疲劳性能研究，特别是与其抗震性能密切相关的极低周疲劳性能研究成果相对较少。梁柱节点是钢框架结构抗震设计中的关键部位，其受力状态复杂，并且一旦发生破坏可能导致结构倒塌的严重后果。表4汇总了高强钢梁柱节点相关研究情况。

表4 高强钢梁柱节点抗震性能研究汇总

总体来看，对于高强钢梁柱节点抗震性能的研究相对较多，但为了更加充分地了解高强度梁柱节点的抗震性能，需要开展更多的相关研究。此外，作为梁柱焊接节点的重要性能指标，对高强钢梁柱焊接节点断裂破坏准则的研究较少，需要开展更多的研究。为了提高高强钢梁柱节点的抗震性能，建议利用相应的构造措施实现强节点弱构件，如板式加强型梁柱节点和带损伤控制“保险丝”的高强钢节点。

3 高强钢框架整体抗震性能研究

框架结构是钢结构的重要形式，为了分析高强钢框架结构在地震中的响应，相关学者对高强钢框架进行了研究。 总体来看，现有高强钢框架具有更高的承载力，其延性和耗能能力虽然不及普通钢框架，但仍然满足各国抗震规范的要求。相关学者基于无损设计方法，使高强钢框架的破坏集中于耗能梁段，破坏时高强钢梁柱构件基本处于弹性工作状态，能够充分发挥高强钢的强度优势，并且符合基于性态的钢结构抗震设计理念，应当是今后高强钢抗震研究的一个重要方向。现有研究中耗能梁段与框架焊接连接，如果耗能梁段与框架能够通过螺栓连接，则既符合装配式的思想，又便于灾后耗能梁段的更换，符合韧性城市的理念。再者由于构件屈服强度的提高，耗能构件也可以采用更高强度材料，防止在多遇地震时的过早屈服，造成不必要的浪费。

结论与展望

Conclusions and prospects

本文分别从材料、构件和结构层面全面介绍了国内外关于高强度钢材钢结构抗震性能的最新研究进展，所得主要结论以及对未来研究展望如下：

1）材料层面，随着屈服强度的提高，材料的屈强比增大，断后伸长率减小，当屈服强度高于690MPa时，大部分试验数据不满足GB 50011—2010和GB 50017—2017的要求；循环荷载下材料的本构模型和单调荷载下的本构模型不同；随着材料屈服强度提高，循环软化越加明显；目前关于材料不同循环本构模型对比和极低周疲劳的研究较少，需要进一步展开研究。

2）构件层面，对于受压构件的抗震性能，国内已对Q460高强钢受压构件进行了较为深入的研究，结果表明轴压比和板件宽厚比对构件抗震性能影响较大，通过参数分析给出了相关设计建议；但对于屈服强度超过460MPa的高强钢研究较少，需要进一步开展研究以推进高强钢在抗震区的应用。高强钢梁的抗震性能不是目前研究的重点；关于节点连接的研究较多，合理设计的高强度钢材连接节点的抗震性能优良，满足各国相关抗震规范要求；此外，建议针对高强钢节点的断裂准则进行研究。

3）结构层面，高强钢框架具有更高的承载力，其延性和耗能能力虽然不及普通钢框架，但仍然满足各国相关抗震规范的要求。相关学者基于无损设计方法，使高强钢框架的破坏集中于耗能梁段，破坏时高强钢梁柱构件基本处于弹性工作状态。这一理念符合基于性态的钢结构抗震设计理念，应当是今后高强钢抗震研究的一个重要方向。后续可针对耗能梁段与框架的螺栓连接和较高强度材料耗能构件展开研究。

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通信作者简介

杨 璐

北京工业大学城市建设学部 教授

主要从事钢结构、钢-混凝土组合结构设计理论以及复杂结构施工技术方面研究。

近年来主持国家自然科学基金项目3项、国家重点研发计划子课题1项、北京市自然科学基金面上项目1项以及其他纵横向项目10余项，为国家自然科学基金委创新群体团队和教育部科技创新团队骨干成员。

2016年入选北京市“科技新星”计划（B类），同年入选北京工业大学青年“日新人才”计划；2018年入选北京市“高创”计划（青年拔尖人才）；2019年获国家自然科学基金委优秀青年基金项目。获省部级科研奖励2项，参编协会/地方标准9部。