高强度钢材在工程结构中的应用研究进展,结构工程论文

高强度钢材在工程结构中的应用研究进展,结构工程论文高强度构造钢〔简称高强钢〕是指采用微合金化及热机械轧制技术生产出的具有高强度〔委屈服从强度大于等于460,MPa〕、良好延性、韧性以及加工性能的构造钢材[1].区别于普通强度钢材，由于高强度钢材的委屈服从平台长度较短、屈强比拟高而无法到达抗震规范的要求，其变形能力的验证愈加重要。随着高强钢在工程构造领域的逐步推广应用，有必要对高强度钢材钢构造的承载力、延性和抗震性能进行系统的研究。本文旨在总结高强度钢材在工程构造中的应用现在状况与研究进展，进而讲明相应需要深切进入研究的问题。1高强钢的应用状况及限制因素高强钢在发达国家已得到初步推广，获得了良好的效果，华而不实应用最多的领域是桥梁工程。德国的1ViaductBridge中均采用了S460高强度钢材〔委屈服从强度为460,MPa的钢材，简称S460高强钢〕。为减小桥墩尺寸，知足外观要求，德国的Nesenbachtalbruke桥中受压构件采用了S690高强钢；为有效降低自重，便于战时快速运输与安装，瑞典的48号军用快速桥采用了S1100超高强钢。高强钢的应用不仅减小了钢板的厚度进而减轻构造自重，同时也减小了焊缝的尺寸进而减少焊接工作量、提高焊缝质量。因而，在一定程度上缩短了施工工期，同时延长了桥梁的使用寿命。高强钢已经在一些建筑构造中成功运用。这些工程大多采用了460~690,MPa等级钢材，个别工程还使用了780,MPa等级钢材。如日本横滨LandmarkTower大厦，其工字形截面柱采用600,MPa钢材；德国柏林的SonyCentre大楼的屋顶桁架采用S460和S690钢材；澳大利亚悉尼的StarCity在地下室柱子和其内部Lyric剧院的2个桁架构造中采用650,MPa和690,MPa等级的钢材；悉尼的Latitude大厦在转换层中采用690,MPa高强度钢板；美国休斯顿ReliantStadium体育馆的屋顶桁架构造采用450,MPa高强度钢材。高强钢在我们国家也已成功运用于建筑工程。如国家体育场鸟巢的关键部位采用了700,tQ460等级钢材；国家游泳中心水立方构造采用了2,600,tQ420钢；央视新台址主楼构造采用了2,674.19,tQ460钢等。除此之外，值得一提的是，G550高强钢在澳大利钢构造住宅方面也有了初步的应用[2].输电塔、海洋平台、压力容器、油气输送管道、船舶制造与汽车制造等领域是高强钢的潜在市场。日本和美国的铁塔设计标准都已经给出了较高等级的可选钢材。(日本架空送电规程〕[3]中焊接构造钢的委屈服从强度最高为460,MPa,铁塔用高拉力型钢的委屈服从强度到达520,MPa;(美国输电铁塔设计导则〕[4]中的钢材强度已到达686,MPa;高强钢在我们国家输电线路领域中的运用起步较晚，我们国家(架空送电线路杆塔构造设计规定〕[5]中的最高强度等级当前只要390,MPa.但2007年，Q460角钢在平顶山-洛南500,kV线路的输电塔中得以应用。结果表示清楚，高强钢的使用能够有效降低输电塔的自重，节省材料可达10%,,进而降低整体造价达8%,之多[6].固然高强钢已开场在一些国家和地区得到推广和使用，但其普及仍遭到众多因素的限制。首先，由于相关的研究工作还有待深切进入，其构造设计方式方法还相对滞后。欧洲钢构造规范仅在原有普通钢材钢构造设计规范中，增加了针对S460-700的补充条款；美国的荷载抗力系数设计规范〔极限应力设计法LRFD〕中虽提出了最高为A514〔强度标准值690,MPa〕的几种高强度构造钢材的荷载抗力系数，但两者均仅套用普通钢材钢构造的设计方式方法和计算公式，并未建立在充足研究数据的基础上。同时，由于生产高强钢采用了新的加工工艺，其力学性能及连接的受力性能等均随之变化，而现行设计方式方法没有能充分考虑这些变化。我们国家的钢构造设计规范更是缺少针对460,MPa以上等级钢材的设计条文，缺少高强钢的抗力分项系数和强度设计值指标，因而，无法指导和规范工程设计[7].其次，相对于强度的大幅增长，高强钢的弹性模量并没有明显增长，而使用此类钢材伴随的焊缝造价增加、钢材延性降低等问题又尚未得到合理解决。2高强钢梁柱端板连接节点的研究高强钢在工程构造中的应用研究，当前主要集中在材料性质和节点性能两个方面。国内外针对高强度钢构造力学性能的研究成果还主要集中于静力、分布研究和受压构件的整体稳定、局部稳定及滞回性能研究中。节点是构造中构件互相交汇连接的区域，是构造十分关键的部位。对于高强钢构造节点而言，一方面，由于钢材委屈服从平台长度较短、屈强比拟高而无法到达抗震规范的要求，其变形能力的验算愈加重要。另一方面，由于缺少一定数量的研究，难以对节点实际变形和转动能力进行估计，因而，高强钢构造节点的力学性能还是亟需解决的一个关键问题。在建筑工程中量大面广的构造是框架构造，其典型的节点主要为梁柱连接节点，通常有焊接连接和螺栓连接两种基本类型。由于梁柱螺栓连接大多借助端板连接，故此类节点又称为端板连接节点。下面主要介绍端板连接节点的研究情况。2.1节点试验研究端板连接节点的试验主要以抗弯试验为主，对端板的理论研究主要采用T-stub理论。Coelho等在文献[8]中证实，在端板厚度不超过一定限值的情况下，节点的转动主要来自于节点的受拉区，该受拉区能够简化为一个T-stub模型，如此图1所示。根据节点塑性铰出现位置不同，在轴拉力作用下的T型件毁坏形式可分为翼缘产生塑性铰、联合毁坏和螺栓拉坏3种。研究表示清楚[9-12],欧洲规范能够较为准确地预测节点的承载力，但高估了其初始转动刚度，对转动能力的估算也偏于保守。研究还表示清楚，端板厚度对节点初始刚度的影响比柱翼缘的厚度愈加显着，华而不实，端板厚度越大，节点的初始抗弯能力和刚度就越大，而其转动能力却随之减小。反之，随着端板厚度的减少，节点的转动能力也随之增加。大体上，薄端板通常能够知足塑性转动30,mrad的要求。高强钢端板具有足够的局部延性来保证荷载的应力重分布，甚至当螺栓并未按最佳方式布置时，仍然具有充分的延性[13-14].其工作机理为：首先，只要一个螺栓承当所有的荷载；当其他螺栓激活后，即应力重分布后，所有螺栓共同承当荷载。通过螺栓孔的椭圆化率来断定钢材的局部延性能够发现，构件在试验中表现出了极大的塑性变形。试验结果表示清楚，由纯剪造成的螺孔伸长并不是构件的最终极限状态，通过限制平均承载应力大小的方式来限制形变的欧洲规范偏于保守。实际上，高强钢螺栓节点在弹塑性阶段的荷载-位移曲线表示清楚，螺孔的容许伸长率能够到达d0/6〔d0为螺孔直径设计值〕。在弹性曲线的最后阶段，其极限承载力也只减少了20%,,因而，相应的规范限值还需进一步修正。对抗剪连接构件的试验表示清楚[15-17],即便高强钢的极限强度与委屈服从强度的比值较小，甚至对S1100钢而言，小至1.05,其对构件局部延性的影响也甚微。本来试件在螺栓孔发生较大伸长的情况下，将发生劈裂或者剪切毁坏，而实际上，几组试验的端板均在净截面处毁坏。该试验结果与欧洲和美国规范进行比拟能够发现，两者的计算结果均较为保守。参考对高强钢焊接节点域的研究[18],在保证承载力的情况下，只要设计合理，适当减小柱腹板厚度，高强钢板仍具有足够的延性，知足形变的要求。试验表示清楚，同等尺寸的构件，由于高强钢委屈服从应力增加，其承载能力更高层次。同时，节点域中的腹板越厚，延性越低，并且随着钢板强度越高，相应的形变能力和延性就越低。因而，需要对腹板厚度进行一定的取舍，但节点域腹板不能过分薄，否则局部稳定不能保证。该试验结果与欧洲规范的比照表示清楚，欧洲规范仍适用于高强钢构件设计，但存在一些缺乏，如未考虑轴向压力对构件承载力的不利影响，应对现有公式进行修正。高强度钢材节点中的螺栓不宜采用12.9级高强螺栓。由于螺栓这类脆性构件，极有可能在端板仍表现为延性时发生毁坏[11,19].试验证明，采用12.9级螺栓将极大地限制构件的延性，并且在端板弯曲经过中几乎无任何形变。因而，在高强钢节点中不建议使用强度很高的螺栓，相反则推荐使用具有较高延性的8.8级螺栓。在合理选用螺栓的情况下，高强钢节点也能够充分知足高形变和高延性的要求。高强钢节点在螺栓布置方面，无需比普通钢节点要求严格。欧洲规范规定，对于普通钢节点，如螺栓边距小于1.5倍孔径，或螺栓间距小于3倍孔径时，需对螺栓节点的承载力进行折减。然而，Puthli等[20]对高强钢S460节点的一系列试验表示清楚，上述限制并不是必须的。Puthli等[20]以为，对于螺栓与板边缘间距大于1.2倍孔径，或者螺栓间距大于2.4倍孔径的情况，节点的设计承载力无需进行折减。并且，最小的螺栓边缘间距能够到达1.0倍孔径〔甚至是0.9倍孔径〕，最小螺栓孔间隙能够到达2.0倍孔径〔甚至是1.8倍孔径〕。此时，节点的承载力需折减至3/4.其他情况下的折减系数能够采用插值法求解。清华大学石永久等[21]对Q460钢材螺栓抗剪连接试验表示清楚，欧美规范均不能很好地估算高强钢抗剪连接的毁坏形式及极限承载力。同时，固然欧洲规范已经对高强度钢材做出了相关规定，但并未与普通钢材进行区分，尤其是关于端距、边距和螺栓间距对高强度钢材抗剪连接性能影响的研究特别缺乏，因而，建议进行更深切进入的参数分析以完善规范设计方式方法。当前，已有研究[22]通过引入两个方向边距比值的影响，修正承载力计算公式，可较好地估算荷载在螺栓间的分布规律，进而控制构件不同的毁坏机理，并通过改变系数，较为准确地计算沿荷载方向布置多个螺栓的节点的承载力。Cruz等[23]对S690抗剪连接构件的滑移系数进行测定，并与S275钢板比拟发现无明显差异，进而以为欧洲规范原有的抗滑移系数规定同样适用于S690钢材。到当前为止，对高强钢连接节点的试验已经获得了初步进展。然而，上述诸多试验大多停留在对规范进行验证的基础上，还没有进入对规范相应条文提出修正建议的层面。首先，这些研究本身的前提也有待验证。即便T-stub力学行为在过去得到较多研究，这些研究主要集中在对普通钢材T-stub塑性承载力和初始刚度的试验与理论分析[24-25],对高强度钢材T-stub组件和T-stub变形能力研究较少。文献[26]对普通钢材的试验表示清楚，外伸端板的实际委屈服从线与T-stub模型中并不总是吻合的，因而，对于外伸端板来讲，撬力并没有被合理考虑。其次，上述研究中的一些结论还有待细化。如文献[11]中指出，薄端板能够知足塑性转动的要求，但该文献并未对端板的厚薄程度进行区分，即并没有指出端板厚度取何值时，将不再知足规范要求的地震下的塑性转动能力的要求。同时该文献也指出