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1、高强钢结构研究进展和规程编制高强钢结构研究进展和规程编制1内 容 1.高强钢结构高强钢结构概述概述2.高强钢结构的高强钢结构的工程应用工程应用3.高强钢结构高强钢结构国外研究现状国外研究现状4.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能5.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力6.高强钢高强钢柱柱的受力性能的受力性能7.高强钢高强钢螺栓连接螺栓连接的受力性能的受力性能8.高强钢结构的高强钢结构的规范编制规范编制21.高强钢结构概述n新的钢材生产工艺大幅度提高了钢材的强度和加工性能n同时与高强度钢材相匹配的焊接技术已经比较成熟n高强度钢材钢结构(屈服强度标准值fy460MPa）n初步研究
2、结果表明：构件的初始缺陷（主要包括几何初始缺陷和残余应力）对高强度钢材钢结构的影响要小很多。钢结构采用高强度钢材能够显著提高结构性能使得高强度钢材应用于钢结构成为可能。4n高强度钢材钢结构的高强度钢材钢结构的优势优势 (1)(1)经济性：经济性：降低用钢量，减少焊接工作量和焊接材料用量，降低用钢量，减少焊接工作量和焊接材料用量，减少各种涂层（防锈、防火）用量及施工工作量，减少各种涂层（防锈、防火）用量及施工工作量，降低加工制作、运输和施工安装成本；降低加工制作、运输和施工安装成本；创造更大的使用净空间；创造更大的使用净空间；以上这些都能够直接以上这些都能够直接创造良好的经济效益创造良好的经济效
3、益。1.高强钢结构概述(2)(2)保护环境：保护环境：减少铁矿石资源的消耗；减少铁矿石资源的消耗；减少焊材和涂层对应的其他资源的消耗；减少焊材和涂层对应的其他资源的消耗；减少因资源开采对环境的破坏；减少因资源开采对环境的破坏；有利于我国有利于我国可持续发展战略和保护环境可持续发展战略和保护环境基本国策的实施。基本国策的实施。(3)(3)低碳节能：低碳节能：降低钢材用量能够减少相应钢材冶炼的能源消耗，降低钢材用量能够减少相应钢材冶炼的能源消耗，最终降低单位面积建筑产品的能源消耗和碳排放量；最终降低单位面积建筑产品的能源消耗和碳排放量；有利于实现我国有利于实现我国降低能耗、发展低碳经济降低能耗、发
4、展低碳经济的发展目标。的发展目标。5n工程设计案例对比工程设计案例对比 北京地区四层钢框架办公楼，烈度为北京地区四层钢框架办公楼，烈度为8 8度，地震分组按第一组。度，地震分组按第一组。焊接工字型梁柱，三类场地，焊接工字型梁柱，三类场地，分别采用分别采用Q345Q345、Q420Q420、Q460Q460钢材进行设计钢材进行设计，同样应力比，同样应力比1.高强钢结构概述钢材型号钢材型号总用钢量对比总用钢量对比/%/%总价对比总价对比/%/%Q345Q345Q420Q420-19.38-17.25Q460Q460-25.03-21.742.1 建筑结构建筑结构2.高强钢结构的工程应用日本横滨的L
5、andmark Tower大厦，600MPa日本东京的JR East Japan总部日本东京的NTV Tower德国柏林索尼中心大楼，S460&S6902.1 建筑结构建筑结构澳大利亚悉尼的星城饭店，650&690MPa澳大利亚悉尼的Latitude大厦，690MPa 美国休斯顿的雷利昂体育馆，450MPa72.高强钢结构的工程应用2.1 建筑结构建筑结构国家体育场，Q460E/Z35国家游泳中心，Q420C 北京新保利大厦，420MPa(GR60)中央电视台新台址，Q460E凤凰国际传媒中心，Q460GJE深圳湾体育中心，Q460D2.高强钢结构的工程应用2.2 桥梁结构桥梁结构德国莱茵河大
6、桥，S460法国的Millau高架桥，S460德国Ingolstadt市高速公路桥，S690德国Nesenbachtalbrcke组合桥，S46092.高强钢结构的工程应用2.2 桥梁结构桥梁结构瑞典Mittdalen的杂交梁桥，S460瑞典48m跨快速安装军用桥，S960&S1100 上海南浦大桥，StE460江西九江长江大桥，15MnVN，450MPa102.高强钢结构的工程应用（1 1）相关规范）相关规范n欧洲规范：S700钢材(fy=700MPa)n美国LRFD规范：A514钢材(fy=690MPa)n我国钢结构规范最高强度钢材为Q420钢材(fy=420MPa)，尚不涉及高强度钢材钢
7、结构尚不涉及高强度钢材钢结构。简单套用传统设简单套用传统设计方法，缺乏研计方法，缺乏研究依据究依据（2 2）高强度钢材钢结构的研究）高强度钢材钢结构的研究 nGustafsson,Pijpers,Martinez：550MPa钢材焊接节点、S690和S1100钢材焊缝、DOMEX590、WELDOX700、WELDOX900的疲劳nRasmussen,Usami,Nishino,Kaname,McDermott,Beg：690MPa钢材截面残余应力、轴心受压整体和局部稳定、I形梁截面局部稳定的少量试验；nGiro Coelho：端板S690钢材，节点域性能3.高强钢结构国外研究国外研究现状现状
8、项目来源项目来源国家自然科学基金：国家自然科学基金：1个重点、个重点、2个面上、个面上、1个青年个青年国家重点实验室基金：国家重点实验室基金：2个个企业单位横向课题：企业单位横向课题：4个个其他：其他：2个个4.1 高强度钢材高强度钢材拉伸试验拉伸试验4.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能Q420(420MPa)S690(690MPa)960MPaQ460(460MPa)钢材屈强比随着屈服强度的提高而提高应变比 u/y和伸长率A A随着屈服强度的提高而降低高强度钢材S690S690仍满足欧洲钢结构规范的要求134.2高强度钢材的高强度钢材的力学性能特点力学性能特点4.高强钢的高强钢的材料
9、力学性能材料力学性能Langenberg P144.2高强度钢材的高强度钢材的力学性能特点力学性能特点4.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能154.3 高强度钢材的高强度钢材的低温低温力学性能特点力学性能特点静力拉伸试件静力拉伸试件:15+15三点弯试件三点弯试件:15+15+15冲击韧性试件冲击韧性试件:15+15+154.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能常温下冲击韧性良好；常温下冲击韧性良好；当当 T-20时时，冲击韧性，冲击韧性显著降低显著降低低温下的冲击功甚至低于规范限值低温下的冲击功甚至低于规范限值Q460 steel(460MPa)母材母材+焊缝焊缝+热热影响区影响区
10、164.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能4.4 循环荷载下循环荷载下高强度钢材的力学性能高强度钢材的力学性能 试验方案试验方案 试验方法预期结果单调单调加加载载循循环环加加载载单单向拉伸和向拉伸和单单向向压缩压缩曲曲线线各种循各种循环环加加载载制度下制度下应应力力应变应变曲曲线线引伸引伸计计试试件件夹头夹头47(20+11+16)个个试试件（件（Q460D、Q460C 钢钢材及其材及其对对接接焊缝焊缝接接头头10 种加种加载载制度制度拉扭复合万能低周疲拉扭复合万能低周疲劳试劳试验验机机(instron model 1343)174.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能循环骨架曲线和
11、单调拉伸曲线的对比循环骨架曲线和单调拉伸曲线的对比Q460 钢钢材材Q460 焊缝焊缝目目标标建立在建立在结结构体系中构体系中应应用的准确、用的准确、有效的本构模型有效的本构模型184.高强钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能4.5 高强度钢材的高强度钢材的疲劳性能疲劳性能 试验方案试验方案 试件：试件：25+19(Q390GJD,35mm 和对接焊缝接头和对接焊缝接头)21+21(Q460C母材和对接焊缝接头母材和对接焊缝接头)21 (Q460D)应力幅应力幅:15种种,173.25MPa297MPa试验设备PLG-200C高高频频疲疲劳试验劳试验机机试件尺寸试件尺寸试件断口试件断口4.高强
12、钢的高强钢的材料力学性能材料力学性能4.5 高强度钢材的高强度钢材的疲劳性能疲劳性能 试验结果试验结果 母材和焊缝接头的母材和焊缝接头的S-N疲劳曲线疲劳曲线Q390GJD 母材母材Q390GJD 焊缝接头焊缝接头Q460D 母材母材Q460C 母材母材Q460C焊缝接头（抛光）焊缝接头（抛光）Q460C焊缝接头（原状）焊缝接头（原状）205.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力5.1 热轧等边角钢热轧等边角钢(Q420)残余应力测量试验残余应力测量试验 标标孔孔 采用分割法采用分割法线线切割加工切割加工手持手持应变仪应变仪量量测测215.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残
13、余应力5.1 热轧等边角钢热轧等边角钢(Q420)残余应力测量试验残余应力测量试验 随着板件宽厚比的增大，肢中最大拉应力1,max和肢边最大压应力2,max均减小 试验点分布与规范采用的分布模式试验点分布与规范采用的分布模式类似类似，但，但平均数值要小于规范平均数值要小于规范采用采用的数值（的数值（0.115&0.20）225种截面：种截面：1258、14010、16010、18012 20014每种截面每种截面3个试件，共个试件，共15个个5.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力分布模型分布模型 23水平段水平段为为本文建本文建议议下限下限值值，斜，斜线线段的斜率由段的斜率由线线
14、性回性回归归直直线线确定；并保确定；并保证证建建议议公式能公式能够够包包络络所有所有试验结试验结果果试验试验中中试试件截面的件截面的宽宽厚比集中在厚比集中在1114之之间间，建，建议议公式适用于公式适用于宽宽厚比厚比115.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力5.2 Q460焊接焊接截面的残余应力测量试验截面的残余应力测量试验14个个试试件件（8个个工工字字形形、6个个箱箱形形）:宽宽厚厚比比，厚厚度度，翼翼缘缘和和腹板的相关性，焊缝类型，人为误差腹板的相关性，焊缝类型，人为误差245.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力5.2 Q460焊接焊接截面的残余应力测量试验截
15、面的残余应力测量试验25l 总体分布形状总体分布形状与普通强度钢材焊与普通强度钢材焊接工字形截面的分布接工字形截面的分布基本一致基本一致l 焊缝附近焊缝附近残余拉应力残余拉应力的数值要的数值要明明显小于显小于钢材屈服强度（现有分布模钢材屈服强度（现有分布模型型等于等于屈服强度）屈服强度）5.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力5.2 Q460焊接焊接截面的残余应力截面的残余应力分布模型分布模型5.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力5.3 960MPa焊接焊接截面的残余应力测量试验截面的残余应力测量试验6个试件（个试件（3个工字形、个工字形、3个箱形）个箱形）l分布形状
16、分布形状与与普通强度及普通强度及460MPa高强度钢材焊接工字形截面的分布高强度钢材焊接工字形截面的分布基本一致基本一致l焊缝处残余拉应力的数值要焊缝处残余拉应力的数值要明显小于明显小于钢材屈服强度钢材屈服强度 275.高强钢构件的高强钢构件的截面残余应力截面残余应力5.4 钢结构焊接截面残余应力钢结构焊接截面残余应力统一模型统一模型 Q235Q960286.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.1 整体稳定整体稳定-Q420等边角钢轴压柱等边角钢轴压柱共计共计60个试件个试件绕弱轴弯曲长细比包括绕弱轴弯曲长细比包括30、40、50、60、80等等296.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能
17、6.1 整体稳定整体稳定-Q420等边角钢轴压柱等边角钢轴压柱306.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.1 整体稳定整体稳定-Q420等边角钢轴压柱等边角钢轴压柱试验数据点远高于b类和a类柱子曲线缺陷影响 部分试件宽厚比的超限影响不大规范中等效长细比是否合理？需要进行进一步的数值计算研究316.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.1 整体稳定整体稳定-Q420等边角钢轴压柱等边角钢轴压柱32参数分析参数分析结结果：果：可采用可采用GB50017-2003 中中的的a类类曲曲线线；也可采用也可采用ANSI/AISC360-10设计设计方法方法EN1993-1-1EN1993-3-1GB
18、50017-2003ANSI/AISC360-106.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.2 整体稳定整体稳定-端部带约束的高强钢柱端部带约束的高强钢柱钢材种类钢材种类:S690&S960.8个焊接工字形截面钢柱，绕强轴失稳个焊接工字形截面钢柱，绕强轴失稳试试件件编编号号L(mm)H(mm)B(mm)tf(mm)tw(mm)S1-690-13001300120.49 100.16 9.98 8.29 S2-960-1300130089.54 79.54 7.92 6.11 S3-690-27002698121.08 99.99 9.97 8.03 S4-960-27002704119.99
19、 99.21 10.05 7.94 S5-690-3600357079.84 70.37 6.04 6.10 S6-960-3600359895.30 79.56 7.84 6.11 S7-690-3600359259.68 49.91 5.10 5.17 S8-960-3600359859.88 59.20 6.14 6.15 试试件尺寸件尺寸试试件正件正则则化化长细长细比分布比分布336.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.2 整体稳定整体稳定-端部带约束的高强钢柱端部带约束的高强钢柱千斤顶千斤顶 柱柱 上横梁上横梁 下横梁下横梁 两端力传感器两端力传感器 平面外支撑平面外支撑 钢柱整
20、体稳定系数提高首次对焊接工字形柱绕强轴失稳进行试验S690和S960超高强度钢材(S960为首次)346.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.2 整体稳定整体稳定-端部带约束的高强钢柱端部带约束的高强钢柱典型的整体失稳破坏模式典型的整体失稳破坏模式356.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.2 整体稳定整体稳定-端部带约束的高强钢柱端部带约束的高强钢柱欧洲欧洲规规范范平均高出平均高出b类类曲曲线线15.7%、a0类类0.6%利用验证后的有限元模型计算轴心受压柱中国中国规规范范平均高出平均高出b类类曲曲线线15.1%、a类类3.9%366.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.3 整体
21、稳定整体稳定-国产高强度钢材铰接柱国产高强度钢材铰接柱焊焊接接过过程程试验试验装置装置钢钢材材：Q460C(460MPa)、960MPa截面截面类类型：工字形截面、箱形截面型：工字形截面、箱形截面试试件数量：件数量：12+6材性拉伸材性拉伸试试件件试试件件整体稳定性能明显提高提出了设计方法和柱子曲线类型建议376.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.3 整体稳定整体稳定386.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.3 整体稳定整体稳定参数分析结果参数分析结果39强度等级截面类型Eurocodec 类 b 类 a 类ANSI/AISCGB50017-2003c 类 b 类 a 类普通强度普
22、通强度热轧热轧等等边边角角钢钢焊焊接箱形接箱形焊接工形焊接工形-强轴强轴焊接工形焊接工形-弱轴弱轴420MPa热轧等边角钢热轧等边角钢460MPa焊焊接箱形接箱形焊接工形焊接工形-强轴强轴焊接工形焊接工形-弱轴弱轴690MPa焊焊接箱形接箱形焊接工形焊接工形-强轴强轴焊接工形焊接工形-弱轴弱轴960MPa焊焊接箱形接箱形焊接工形焊接工形-强轴强轴焊接工形焊接工形-弱轴弱轴6.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.4 局部稳定局部稳定-Q420 热轧等边角钢柱热轧等边角钢柱失稳模态：大部分为单波形屈曲应力均低于钢材屈服强度随板件宽厚比增大，屈曲应力提高弹性嵌固系数试验值(0.996)与理论值(
23、1.0)接近6.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.4 局部稳定局部稳定-Q420 热轧等边角钢柱热轧等边角钢柱试验值高于规范计算值，规范安全 随板件宽厚比增大，差别增大宽厚比较小时，屈曲应力随强度线性增长宽厚比较大时，屈曲应力随强度变化呈非线性变化AISC 360-05AISC 360-05的设计方法与有限元计算结果符合的较好，较为经济与合理，同时又具有足够的安全度。416.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.5 局部稳定局部稳定-国产国产Q460、960MPa钢材焊接截面短柱钢材焊接截面短柱(20个个)试验过试验过程程试验试验装置装置屈曲模屈曲模态态板件局部稳定系数随板件宽厚比提高
24、而降低设计规范计算值偏于保守，需进行修定提出了随强度变化的板件局部屈曲应力计算公式和板件宽厚比限值426.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.5 局部稳定局部稳定-参数分析参数分析 43极限承载力的建议计算公式示例极限承载力的建议计算公式示例6.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.5 局部稳定局部稳定-板件宽厚比限值板件宽厚比限值44板件屈曲应力板件屈曲应力钢材屈服强度钢材屈服强度板件屈曲应力板件屈曲应力构件屈曲应力构件屈曲应力钢材强度钢材强度/MPa我国钢结构规我国钢结构规范限值范限值板件宽厚比板件宽厚比限值限值23540.027.346028.621.569023.319.2960
25、19.817.9GB50017-2003：460MPa6.高强高强钢柱钢柱的受力性能的受力性能6.6 滞回性能滞回性能-国产国产Q460钢材焊接截面柱钢材焊接截面柱(11个个)Q460压弯钢柱滞回性能试验研究 Q460压弯钢柱滞回圈饱满，延性好，耗能能力好无脆性断裂破坏，焊接质量好板件宽厚比和轴压比的影响明显板件宽厚比限值的确定与轴压比的大小直接相关7.高强钢螺栓连接的受力性能试验试验装置装置 孔壁承孔壁承压压破坏破坏孔孔边边撕裂破坏撕裂破坏 净净截面拉断截面拉断欧洲规范Eurocode 3和美国规范ANSI/AISC 360-05的设计值均大于试验值，偏于不安全现有螺栓抗剪连接设计方法不适用
26、于460MPa钢材，需进行修定Q460钢材螺栓抗剪连接孔壁承压性能试验研究 7.1 孔壁承压孔壁承压-国产国产Q460钢板钢板 467.高强钢螺栓连接的受力性能7.2 抗滑移系数抗滑移系数-国产国产Q460钢板钢板 表面表面处处理理抗滑移系数抗滑移系数试验结果GB50017-2003Eurocode 3 ANSI/AISC 360-10BS4604-1970AS4100-1998A0.4510.500.500.500.500.53B0.3120.40-C0.3710.400.200.330.200.35A.喷砂喷砂B.喷砂后涂无机富锌漆喷砂后涂无机富锌漆C.未经处理的干净轧制表面未经处理的干净
27、轧制表面478.高强钢结构的规范编制清清华华大大学学土土木木工工程程系系主主编编建建设设部部标标准准高高强强钢钢结结构构设设计计规程规程(JGJ)35家家参参编编单单位位：12个个设设计计院院和和科科研研院院所所、10个个钢钢结结构构公公司、司、7个钢铁企业、个钢铁企业、6个高校个高校48项项目目研研究究进进展展刊刊登登在在美美国国钢钢结结构构学学 会会(AISC)的的 官官 方方 期期 刊刊Engineering Journal8.高强钢结构的规范编制钢材强度钢材强度Q460Q690，分，分8章：章：1 总则总则2 术语和符号术语和符号3 设计基本规定设计基本规定 3.1一般规定一般规定 3
28、.2结构设计原则结构设计原则 3.3抗震性能化设计抗震性能化设计4 材料材料 4.1钢材牌号及标准钢材牌号及标准 4.2连接材料型号及标准连接材料型号及标准 4.3材料选用材料选用 4.4设计指标设计指标49高强度钢材主要适用：u由强度控制截面的构件；u大跨度屋盖结构、大跨度桥梁中的承重构件；u安全性要求高的建筑结构中的主要承重构件；u要求自重轻、强度高的构件。主要适用于大跨和高层大跨和高层8.高强钢结构的规范编制钢材强度钢材强度Q460Q690，分，分8章：章：1 总则总则2 术语和符号术语和符号3 设计基本规定设计基本规定 3.1一般规定一般规定 3.2结构设计原则结构设计原则 3.3抗震性能化设计抗震性能化设计4 材料材料 4.1钢材牌号及标准钢材牌号及标准 4.2连接材料型号及标准连接材料型号及标准 4.3材料选用材料选用 4.4设计指标设计指标508.高强钢结构的规范编制5 轴心受力构件轴心受力构件 整体和局部稳定性提高，宽厚比限值放松整体和局部稳定性提高，宽厚比限值放松6 受弯构件受弯构件 目前不考虑塑性发展和屈曲后强度目前不考虑塑性发展和屈曲后强度7 压弯构件压弯构件8 连接和节点连接和节点生产和加工制作生产和加工制作5152