摘要

Abstract

高强度结构钢材的屈服强度提高后，其屈强比会增大，断后伸长率则会减小。因为缺少相应的规范条文，所以它在抗震设防地区的应用受到了限制。近年来，国内外学者从材料、构件和结构这三个层面出发，对高强度钢材钢结构的抗震性能进行了研究，并总结出了相关的研究成果。重点包含以下内容：材料的静力拉伸力学性能；材料的循环本构；材料的极低周疲劳性能；柱的抗震性能；梁的抗震性能；连接节点的抗震性能；高强钢结构框架的抗震性能等。最后，对高强钢钢结构抗震性能的后续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

在实际地震作用的情况下，钢结构的耗能主要是通过构件以及节点的塑性变形能力来实现的。我国的规范《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）和欧洲钢结构设计规范等，分别针对高强度钢材的静力拉伸性能，给出了高强钢材的屈强比、断后延伸率、韧性以及可焊性等指标的明确规定限值。相关学者在研究高强钢时，通过材性试验明确了材料的力学性能。对于抗震设计所关心的断后伸长率和屈强比，他们把相关试验数据进行了汇总，其结果如图 1 所示。

图1 高强钢单调拉伸试验数据汇总

目前，为了推动高强钢在工程中的应用，有必要持续通过更优良的冶金技术和生产技术来提升高强钢的力学性能。同时，也需要构建起更适宜高强钢结构的设计理论。

1.2 循环荷载下的本构模型研究

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，相关情况见表 1。研究表明：高强钢在循环荷载作用下的响应与单调加载存在差异，有循环强化和循环软化的现象；高强钢具备良好的延性以及耗能性能；随着屈服强度的提升，高强钢的循环硬化效应会降低，同时循环软化现象会更加明显。

表1 高强钢循环荷载下材性的相关研究

一些学者针对高强钢循环本构模型展开了研究。其中，大部分学者依据 Chaboche 混合强化模型，对高强钢的循环本构模型进行了标定工作。他们把相关标定结果的平均值汇总在了表 2 中。目前对于不同循环本构模型的对比研究相对较少。不同循环本构模型对结构分析结果以及计算效率的影响尚不明确。以后可以开展相关研究，从而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

为与传统的低周疲劳相区分，有学者把地震作用致使的钢结构节点的疲劳断裂称作高应变低周疲劳或极低周疲劳。其主要特点是疲劳寿命很短，应力幅或应变幅水平较高。在美国北岭地震以及日本阪神地震中，钢结构节点的破坏大多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式，以应变疲劳来对高强钢低周疲劳展开相关研究。不过大部分研究都集中在机械领域，且应变幅未超过 1%。然而与高强钢抗震性能紧密相关的极低周疲劳性能方面的研究成果比较少。高强钢极低周疲劳断裂性能的研究给确定高强钢结构危险构件（节点）以及高强钢的抗震设计提供了新的思路。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多方面性能开展了研究，包括整体稳定性能、局部稳定性能以及焊接残余应力等方面。这些研究为高强钢的工程应用提供了设计基础。然而，对于高强钢受压构件的抗震滞回性能方面的研究相对较少。表 3 汇总了相关的研究情况。

表3 高强钢受压构件抗震性能相关研究

高强钢柱是主要承重构件，它能有效减少结构用钢量，还能减轻结构自重，所以有着广阔的应用前景。现有研究显示，高强钢柱的延性较好，并且具备一定的耗能能力。依据 GB 50011—2010 中对宽厚比的限制，就可以保证高强钢柱拥有良好的耗能能力和抗震性能。但是，目前的研究存在不足。对于材料屈服强度在 460MPa 以上的高强钢柱，相关的研究比较缺乏。同时，随着钢材屈服强度的上升，钢号修正系数会减小，宽厚比限值也会进一步增大。当钢材屈服强度达到 960MPa 时，钢号修正系数会降低到 0.49。需要进一步对高强钢柱的抗震性能展开研究，以便使其抗震设计更加合理；同时也需要进一步对高强钢柱的设计开展研究，从而使其应用更加广泛。

2.2 梁

在钢结构设计中要遵循强柱弱梁的原则。材料的影响和截面形式对梁性能的影响相比，截面形式的影响更显著。所以高强度钢梁的研究不是目前的重点。现有研究主要集中在高强钢梁的承载能力和抗火性能方面。有少量学者对高强钢梁的抗震滞回性能进行了一定研究。

2.3 连接节点

高强钢的连接节点包含焊接接头以及梁柱节点。当下，针对高强钢焊接接头的低周疲劳性能展开的研究，尤其是与抗震性能紧密相关的极低周疲劳性能方面的研究成果比较少。梁柱节点在钢框架结构的抗震设计中属于关键部位钢结构和钢构件的区别，其受力状况较为复杂，并且一旦出现破坏，就有可能引发结构倒塌这样严重的后果。表 4 对高强钢梁柱节点的相关研究情况进行了汇总。

表4 高强钢梁柱节点抗震性能研究汇总

总体来看，关于高强钢梁柱节点抗震性能的研究比较多。然而，要更全面地了解高强度梁柱节点的抗震性能，就需要开展更多相关研究。另外，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比较少，也需要开展更多研究。为提高高强钢梁柱节点的抗震性能，建议通过利用相应构造措施来达成强节点弱构件这一目标。例如采用板式加强型梁柱节点以及带损伤控制“保险丝”的高强钢节点。

3 高强钢框架整体抗震性能研究

框架结构属于钢结构的重要形式。相关学者为了分析高强钢框架结构在地震中的响应，对高强钢框架进行了研究。总体而言，现有高强钢框架的承载力更高。它的延性和耗能能力虽不及普通钢框架，但仍能满足各国抗震规范的要求。相关学者依据无损设计方法，让高强钢框架的破坏集中在耗能梁段。在破坏时，高强钢梁柱构件大多处于弹性工作状态，这样就能充分展现高强钢的强度优势，同时也符合基于性态的钢结构抗震设计理念，所以这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采用焊接连接。若耗能梁段与框架能够通过螺栓进行连接，那么既契合装配式的思想，又便于在灾后对耗能梁段进行更换，这符合韧性城市的理念。此外，因为构件屈服强度得以提高，所以耗能构件能够采用更高强度的材料，从而防止在多遇地震时过早屈服，避免造成不必要的浪费。

结论与展望

Conclusions and prospects

对未来研究的展望如下：

材料层面方面，屈服强度提高时，材料的屈强比会增大，同时断后伸长率会减小。当屈服强度高于 690MPa 时，大部分试验数据无法满足 GB 50011—2010 和 GB 50017—2017 的要求。在循环荷载下，材料的本构模型与单调荷载下的本构模型存在差异。随着材料屈服强度的提升，循环软化现象会越发明显。目前，对于材料不同循环本构模型的对比以及极低周疲劳的研究相对较少，需要进一步开展相关研究。

在构件层面，就受压构件的抗震性能而言，国内已经针对 Q460 高强钢受压构件展开了较为深入的研究。研究结果显示，轴压比以及板件宽厚比会对构件的抗震性能产生较大影响，并且通过参数分析给出了相关的设计建议。然而，对于屈服强度超过 460MPa 的高强钢，相关研究比较少，需要进一步开展研究工作，以此来推动高强钢在抗震区的应用。高强钢梁的抗震性能并非当前研究的重点。对于节点连接方面的研究比较多。合理设计的高强度钢材连接节点，其抗震性能良好，能够满足各国相关抗震规范的要求。另外，建议对高强钢节点的断裂准则展开研究。

结构层面方面，高强钢框架的承载力更高。它的延性和耗能能力与普通钢框架相比虽有不足，但依然能满足各国相关抗震规范的要求。相关学者依据无损设计方法钢结构和钢构件的区别，让高强钢框架的破坏集中在耗能梁段，在破坏时，高强钢梁柱构件大多处于弹性工作状态。此理念与基于性态的钢结构抗震设计理念相契合，应该是今后高强钢抗震研究的一个重要方向。后续可以对耗能梁段与框架的螺栓连接展开研究，也可以对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

主要进行钢结构方面的研究，也进行钢 - 混凝土组合结构设计理论方面的研究，还进行复杂结构施工技术方面的研究。

近年来主持了 3 项国家自然科学基金项目，1 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，还有 10 余项其他纵横向项目。同时，是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的骨干成员。

2016 年被选入北京市“科技新星”计划（B 类）。同年，还入选了北京工业大学青年“日新人才”计划。2018 年入选了北京市“高创”计划（青年拔尖人才）。2019 年获得了国家自然科学基金委优秀青年基金项目。获得了 2 项省部级科研奖励。参编了 9 部协会/地方标准。