高强钢结构的工程应用和研究进展.ppt

高强钢结构的工程应用和研究进展EngineeringApplicationandRecentResearchAdvancesofHighStrengthSteelStructures 施刚博士 副教授GangSHIPhD Assoc Prof 清华大学土木工程系Dept CivilEngineering TsinghuaUniversity2020 1 1 2010年度中信 CBMMR D项目报告会CITIC CBMMR DProject 目录Contents 第一部分 高强度钢材钢结构的工程应用PartI EngineeringApplicationofHighStrengthSteelStructures 第二部分 高强度钢材钢结构的研究进展PartII RecentResearchAdvancesofHighStrengthSteelStructures 第三部分 项目年度进展报告 国产高强钢柱的整体稳定试验进展PartIII R DProjectAnnualReport ExperimentalResearchAdvancesontheOverallBucklingofHighStrengthSteelColumns 第一部分高强度钢材 460MPa 钢结构的工程应用 PartIEngineeringApplicationofHighStrengthSteel 460MPa Structures 工程应用EngineeringApplication LandmarkTowerincentralYokohama Japan steelwithtensilestrength600MPaintheI sectioncolumns JREastJapanHeadquartersBuilding usingHSS NTVTower Tokyo usingHSS 工程应用EngineeringApplication TherooftrussstructureoftheSonyCentreinBerlin Germany S460 S690 TheStarCityinSydney Australia 650MPa 690MPasteelsinthebasementcompositecolumns therooftrussesoftheLyricTheatre 工程应用EngineeringApplication TheLatitudeinSydney 690MPasteelplatesusedinthe7mdeeplargesteeltransferstructure 工程应用EngineeringApplication TheRhinebridgeDusseldorf Ilverich S460steelusedintheV shapedpylons TheMillaubridgeinFrance S460steelplateswiththicknessesupto80mm 工程应用EngineeringApplication TheCompositebridgenearIngolstadt Germany 690MPa TheMittadalenhybridbridgegirder Sweden 690MPa 工程应用EngineeringApplication TheNationalStadium bird snest Beijing usingQ460E Z35morethan500T TheCCTVheadquarters Beijing usingQ390D Z35 Q420D Z25andQ460E Z25 Z35steel 工程应用EngineeringApplication 华润深圳湾体育中心ShenzhenBaySportsCenter 2011年世界大运会分会场 闭幕式场馆VenueforUniversiade2011Shenzhen 工程应用EngineeringApplication 华润深圳湾体育中心ShenzhenBaySportsCenter Q390GJD Q460GJD 第二部分高强度钢材钢结构的研究进展 PartIIRecentResearchAdvancesofHighStrengthSteelStructures 内容Contents 1 高强度钢材的材性MaterialPropertiesofHighStrengthSteel HSS 2 高强度钢材构件截面残余应力ResidualStressofHSSSections3 高强度钢材钢柱整体稳定试验OverallBucklingTestofHSSColumns4 高强度钢材钢柱局部稳定试验LocalBucklingTestofHSSStubColumns5 高强度钢材钢柱滞回性能HystereticBehaviorofHSSColumns6 高强度钢材钢框架抗震性能SeismicBehaviorofHSSFrames7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS8 高强度钢材材料疲劳试验FatigueTestofHSS9 高强度钢材钢结构有限元数值模拟FiniteElementAnalysisofHSSColumns 目标 为制定设计规范提供依据Object TosupportthedevelopmentofHighStrengthSteelStructuresDesignCode 1 高强度钢材的材性MaterialPropertiesofHSS 1 1应力 应变曲线Tensioncoupontestresults Q420 420MPa S690 690MPa S960 960MPa 屈强比随强度提高而提高TheY Tratioincreaseswiththeincreasingyieldstrengthofsteelgrades 应变比和伸长率随强度提高而降低 延性降低The u yvaluesandelongationdecreasewiththeincreasingyieldstrengths whichmeansthathigherstrengthsteelshavelowerductility 1 2高强度钢材力学性能特点MaterialpropertycharacteristicsofHSS 1 高强度钢材的材性MaterialPropertiesofHSS LangenbergP 1 2高强度钢材力学性能特点MaterialpropertycharacteristicsofHSS 1 高强度钢材的材性MaterialPropertiesofHSS BanHY 2 1焊接截面计算公式Calculationformulaeforweldedsection工字形I sections Shearcut 2 高强度钢材构件截面残余应力ResidualStressofHSSSections 2 1焊接截面计算公式Calculationformulaeforweldedsection箱形Boxsec十字形Cruciformsec 2 高强度钢材构件截面残余应力ResidualStressofHSSSections 焊接残余压应力的数值受板件宽厚比大小的影响非常明显Significanteffectofb tontheresidualstressmagnitudes 2 高强度钢材构件截面残余应力ResidualStressofHSSSections 2 2Q420热轧角钢残余应力量测试验ResidualstressmeasurementsofQ420angles 分割法Sectioningmethod线切割Wire cutElectronDischargeMachining手持应变仪Whittemorestaingage 2 高强度钢材构件截面残余应力ResidualStressofHSSSections 2 2Q420热轧角钢残余应力量测试验ResidualstressmeasurementsofQ420angles 板件宽厚比增大 残余应力系数减小Withtheincreaseofb t theresidualstressfactoratthemiddleandedgeofleg 1 maxand 2 max decrease 试验值小于规范取值0 115V S 0 20ThetestresultsaremuchsmallerthanthoseaccordingtotheChinesesteelstructuresdesigncode 0 115V S 0 20 3 高强度钢材钢柱整体稳定试验OverallBucklingTestofHSSColumns 3 1Q420等边角钢轴压柱Q420equalanglecolumns共60个试件60columnstotally长细比 Slenderness x 30 40 50 60 80 3 高强度钢材钢柱整体稳定试验OverallBucklingTestofHSSColumns 3 1Q420等边角钢轴压柱Q420equalanglecolumns Thebucklingstrengthismuchhigherthancurveb evenhigherthancurvea EffectofgeometricimperfectionsThereisnopronouncedeffectofthewidth thicknessratioofanglelegontheoverallbucklingstrengthThecurrentdesignmethodforQ420equalanglecolumnsisconservativemoreorless 试验点数据远高于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现有的设计方法对于Q420角钢柱太过保守 3 高强度钢材钢柱整体稳定试验OverallBucklingTestofHSSColumns 3 2端部带约束的焊接截面钢柱WeldedSectionColumnswithEndRestraints Hydraulicram Column Topbeam Bottombeam Loadcellatbeamend Out of planebrace S690 S960高强钢S690andS960HSS工形截面绕强轴BucklingaroundmajoraxisofI sec整体稳定系数提高Bucklingstrengthimproved 3 高强度钢材钢柱整体稳定试验OverallBucklingTestofHSSColumns 3 2端部带约束的焊接截面钢柱WeldedSectionColumnswithEndRestraints Eurocode3Higherthancurveb 15 7 Higherthancurvea0 0 6 利用验证后的有限元模型计算轴心受压柱Finiteelementresultsusingthevalidatedmodel GB50017 2003Higherthancurveb 15 1 Higherthancurvea 3 9 3 高强度钢材钢柱整体稳定试验OverallBucklingTestofHSSColumns 3 3国产高强钢柱Pin endedweldedsectioncolumns 焊接过程Weldingprocess 加载装置Testsetup 钢材等级Steelgrade Q460C Q690D截面类型 工形绕强轴和弱轴 等边箱形Sectiontype I sectionsaroundmajorandweakaxis Boxsections试件数量 Specimennumbers 23 5 9 9 材性试件Tensioncoupons 试件Columnspecimens 4 高强度钢材钢柱局部稳定试验LocalBucklingTestofHSSStubColumns Q420等边角钢局部稳定Q420equalanglestubcolumns 失稳模态 大部分为单波形Bucklingmode mostlysinglewaveshape屈曲应力低于钢材屈服强度Bucklingstress lowerthansteelyieldstrength随板件宽厚比增大 屈曲应力降低Bucklingstress decreaseswithb tincreases弹性嵌固系数试验值 0 996 与理论值接近 1 0 Testelasticclampingcoefficient 0 996 theoreticalvalue 1 0 Q420等边角钢局部稳定Q420equalanglestubcolumns 试验值高于规范设计值Testresultsarehigherthandesigncodevalues AISC360 05的设计值与有限元结果吻合最好 较为经济合理 同时安全FEAresultshaveagoodagreementwithAISC360 05designvalues whichismoreeconomicandsafe Testresults 不同钢材强度和宽厚比的局部屈曲强度Localbucklingstrengthwithdifferentsteelgradesandb tvalues 4 高强度钢材钢柱局部稳定试验LocalBucklingTestofHSSStubColumns 5 1有限元模型Finiteelementmodel计算软件Software ANSYS试件Specimen WeldedIandboxsectioncolumns材料本构Materialproperty Multilinearisotropichardeningmodel钢材等级Steelgrade 460MPa 5 高强度钢材钢柱滞回性能HystereticBehaviorofHSSColumns 有限元模型FEM 考虑几何初始缺陷和残余应力Consideringresidualstress geometricimperfections 5 2有限元模型验证Finiteelementmodelverification 5 高强度钢材钢柱滞回性能HystereticBehaviorofHSSColumns PL 1Specimen PL 3Specimen MasayoshiN 40 6 RSpecimen 60 6 RSpecimen ChenYY 5 3试验方案Testprogram 5 高强度钢材钢柱滞回性能HystereticBehaviorofHSSColumns 试验装置Testsetup 试件数量Specimennumber 11钢材Steel Q460C轴压比Axialcompressionratio 0 2 0 4宽厚比Width thicknessratio differentsections 加载制度Loadingsystem 6 高强度钢材钢框架抗震性能SeismicBehaviorofHSSFrames 6 1钢材屈强比与塑性长度关系SteelY Tratioandlengthofplasticzone Conclusion 为保证钢框架的抗震耗能性能 应对屈强比作出合理的规定Y Tratioshouldbelimitedintheplasticdesignandseismicdesigninordertoensuretheseismicbehavior thatisalsothereasonwhymanycodesfortheseismicdesignprovideupperlimitofY Tratio 屈强比增大 塑性区域长度变小ThelengthofplasticzonedecreaseslinearlyastheY Tratioincreases whethersteelhasayieldplateauornot本构关系中应变取值的影响小Thestainhaslittleeffectonthelengthofplasticzone 结论 6 高强度钢材钢框架抗震性能SeismicBehaviorofHSSFrames 6 2屈强比与抗震性能SteelY Tratioandseismicbehavior Steelframe1 Steelframe2 Steelfram3 屈强比提高 钢框架承载能力和耗能能力均降低WiththeimprovementofY Tratio theultimatestrengthofsteelframeswilldecrease theenergy dissipationunderearthquakeloadwillbeweaker 6 高强度钢材钢框架抗震性能SeismicBehaviorofHSSFrames 6 2屈强比与抗震性能SteelY Tratioandseismicbehavior Steelframe1塑性变形Plasticdeformationofcolumn 屈强比提高 塑性变形减小 耗能能力降低WiththeincreaseofY Tratio theplasticdeformabilitywilldecrease theenergy dissipationunderearthquakeloadwillbeweaker Steelframe2塑性变形Plasticdeformationofcolumn Steelframe3塑性变形Plasticdeformationofcolumn 6 高强度钢材钢框架抗震性能SeismicBehaviorofHSSFrames 6 3高强钢框架抗震性能SeismicbehaviorofHSSFrames Q345 Q460 Q690 6 高强度钢材钢框架抗震性能SeismicBehaviorofHSSFrames 6 3高强钢框架抗震性能SeismicbehaviorofHSSFrames Q345 Q460 Q690 高强钢框架承载能力随钢材强度提高而提高 且提高幅度要大于材料强度的幅度Theloadingcapacityofsteelfamesincreaseswiththeincreaseofthesteelgrade andtheincreaseofcapacityarebiggerthanthatofthesteelyieldstrength 高强钢框在地震作用下延性较差 局部屈曲现象突出 刚度退化现象差别不大TheductilityofHSSframessubjectedtocyclicloadingismoredeteriorated andthelocalbuckingaremoreconspicuous Thestiffnessdegenerationsaresimilar 高强钢框架仍有一定的耗能能力 但随强度增大而有所降低TheHSSframeshaveaconsiderableenergydissipationcapacity whichwillbeweakerwiththeincreaseofthesteelyieldstrength 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 7 1试验方案Testprogram 试验方法Testmethod 预期成果Expectedresults 单调加载Monotonicloading 循环加载Cyclicloading 单调拉伸和单调压缩应力 应变曲线Stress straincurvesunderuni axialtensionandcompression 各种循环加载制度下的应力 应变曲线Stress straincurvesunderdifferentcyclicloadingsystems Specimen extensometer Specimen Chuck 拉扭复合万能低周疲劳试验机Low cyclefatiguemachine instronmodel1343 20个Q460D试件20specimens 460Dsteel10种加载制度10loadingprograms 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 7 2试验结果Testresults 加载制度1Loadingprogram1 加载制度2Loadingprogram2 包辛格效应Bauschingereffect滞回曲线饱满Hystereticcurvesexhibitedplumploops硬化现象不明显 后期应力提高不大Cyclichardeningisnotobvious increasesoflatterstressareless屈服点出现后应力下降并出现短暂平台Stresswilldecreaseandstressplateauappearsafteryieldpoint 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 加载制度4Loadingprogram4 加载制度3Loadingprogram3 加载制度3出现硬化现象Cyclichardeningappearsinloadingsystem3初始所加应变很大时 后续每级应力不在增加Subsequentstresspercyclewillnotincreaseiftherearesuperiorinitialstrain滞回曲线饱满Hystereticcurvesexhibitedplumploops 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 加载制度5Loadingprogram5 加载制度6Loadingprogram6 加卸载的斜率和初始弹模基本一致 加载制度5 Theslopeisbasicallyidenticalwithelasticmodulusinloadingsystem5压应变固定 逐级加载应力几何不再增加 加载制度6 Thestresswillnotincreaseinloadingsysterm6 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 加载制度8Loadingprogram8 加载制度7Loadingprogram7 每级最大应力逐级减小 加载制度7 Thestressofsubsequentpercyclewilldecreaseinloadingsystem7随机加载下滞回曲线仍然饱满 加载制度8 Hystereticcurvesexhibitedplumploops 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 加载制度9Loadingprogram9 加载制度10Loadingprogram10 循环硬化现象不明显Cyclichardeningisnotobvious最大应力随滞回圈数增加而减小Cyclicsoftening themaximumstress decreasesasthenumberofcyclesincreases 7 高强度钢材材料循环加载试验CyclicLoadingTestofHSS 7 3Q460D循环骨架曲线和单调曲线比较Comparisonbetweencycleskeletoncurvesandmonotonicloadingcurves 循环拉压和单向拉伸曲线Cyclicloadinganduniaxialtension 循环压拉和单向压缩曲线Cyclicloadinganduniaxialcompression 循环硬化提前Cyclehardeningearlier最大应力增加Themaximumstressincreases二者曲线类似Thecurvesaresimilar 8 高强度钢材材料疲劳试验FatigueTestofHSS 8 1试验方案Testprogram 试件数量SpecimenQuantity 25钢材Steelgrade Q390GJD 35mm应力幅Stressamplitude 15types 173 25MPa 297MPa 试验设备Testequipment PLG 200C高频疲劳试验机PLG 200CHighfrequencytester 试件尺寸Dimensionsofspecimens 8 高强度钢材材料疲劳试验FatigueTestofHSS 8 2试验结果Testresults 试件断口Fractureofspecimens 根据试验结果拟合到的S N曲线 FittingS Ncurvebasedontestresults 相关系数R 0 93CorrelationcoefficientR 0 93 TestresultsFittingcurve 9 高强度钢材钢结构有限元数值模拟FiniteElementAnalysisofHSSColumns 有限元模型FEAmodel 应力 应变关系Stress straincurve 残余应力分布模型Residualstressdistributionmodel 单元Element BEAM188 SHELL181 SOLID186 考虑几何初始缺陷和残余应力的该有限元模型经过验证是足够准确 安全 可靠的ThisFEMisvalidatedaccurateenough consideringtheinitialgeometricimperfectionsandresidualstresses 9 高强度钢材钢结构有限元数值模拟FiniteElementAnalysisofHSSColumns 模型验证Verification 690MPa Localbuckling Q420 Localbuckling 690MPa Interactivebuckling RasmussenKJR UsamiT BanHY ShiG LiuZ Meanerror 0 044Standarddeviation 0 048 Meanerror 0 020Standarddeviation 0 022 Meanerror 0 016Standarddeviation 0 047 Meanerror 0 020Standarddeviation 0 051 Meanerror 0 036Standarddeviation 0 060 690MPa Overallbuckling Q420 Overallbuckling 第三部分 项目年度进展报告国产高强钢柱的整体稳定试验进展 PartIII R DProjectAnnualReportExperimentalResearchAdvancesontheOverallBucklingofHighStrengthSteelColumns 汇报内容Contents 1 高强度钢材钢板数量统计1 TotalSumofHighStrengthSteelPlate2 试验研究进展2 ExperimentalResearchAdvances3 试验研究后续工作计划3 Follow upPlanforFuture 1 高强度钢材钢板数量统计TotalSumofHighStrengthSteelPlates 已收到来自3个厂家共计20 3T的高强度钢材Totalsumof20 3THSSplate from3steelmanufacturers 首钢ShougangGroup 舞阳钢铁HBISWuyangSteel 鞍山钢铁AngangSteel 共计4块钢板 重量小计2 44T4steelplates 2 44T 1 高强度钢材钢板数量统计TotalSumofHighStrengthSteelPlates 已收到来自3个厂家共计20 3T的高强度钢材Totalsumof20 3THSSplate from3steelmanufacturers 首钢ShougangGroup 舞阳钢铁HBISWuyangSteel 鞍山钢铁AngangSteel 共计4块钢板 重量小计9 47T4steelplates 9 47T 1 高强度钢材钢板数量统计TotalSumofHighStrengthSteelPlates 已收到来自3个厂家共计20 3T的高强度钢材Totalsumof20 3THSSplate from3steelmanufacturers 首钢ShougangGroup 舞阳钢铁HBISWuyangSteel 鞍山钢铁AngangSteel 共计6块钢板 Q460 4块 Q690 2块 重量小计8 38T Q460 5 76T Q690 2 62T 6steelplates 8 38T Q460 5 76T Q690 2 62T 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 1试验方案概述TestProgram残余应力试验ResidualStressTest 研究目的Objective 得到高强度钢材焊接截面残余应力分布模型Residualstressdistribution 宽厚比 钢材强度 板厚 焊缝形式的影响Effectsofb t steelgrade thickness weldtypeetc 焊缝区域附近残余拉应力Residualtensilestress 为受压构件的稳定性能研究提供基础数据Basictestdataforcolumns 研究内容Content 钢材 Q460 Q690Steelgrade Q460 Q690 截面 焊接工字形8 3和焊接箱形6 3Section WeldedIandboxsec 分割法 手持应变仪Sectioning Whittemorestaingage 研究方法Method 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 1试验方案概述TestProgram残余应力试验ResidualStressTest 钢材强度Steelgrade 腹板宽厚比Flangeb t 翼缘宽厚比Webb t 板件厚度Thickness 焊缝类型Weldtype 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 1试验方案概述TestProgram残余应力试验ResidualStressTest 板件厚度Thickness 钢材强度Steelgrade 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 1试验方案概述TestProgram高强度钢材轴心受压钢柱整体稳定试验OverallBucklingColumnTest 试件长细比分布Distributionofprincipalslendernessofcolumns 钢材强度Steelgrade Q460C Q690D截面类型 焊接工字形绕强轴I 弱轴H以及等边箱形Sectiontpye WeldedIsecaroundmajorandweakaxis boxsec试件数量Specimennumber 23 5 9 9 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 1试验方案概述TestProgram高强度钢材轴心受压钢柱整体稳定试验OverallBucklingColumnTest 试验装置Testsetup 几何初弯曲测量Initialgeometricimperfectionsmeasurement 荷载初偏心测量Loadeccentricitymeasurement 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 1试验方案概述TestProgram高强度钢材轴心受压钢柱整体稳定试验OverallBucklingColumnTest 柱中截面位移计及应变片布置Layoutofdisplacementtransducersandstraingaugeatmid lengthofcolumns 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 2焊接工艺评定WeldingProcedureQualification母材牌号 Q460C 舞阳钢铁 Basemetal Q460C HBISWuyangSteel 焊丝型号 JM 60 锦州锦泰金属工业有限公司 Weldingwire JM 60 JinzhouJintaiWelding MetalCO LTD 依据规范 建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81 2002Code JGJ81 2002TechnicalspecificationforWeldingofSteelstructureofbuilding试件形式 3组 气体保护焊 Specimen 3groups Gasshieldedarcwelding 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 2焊接工艺评定WeldingProcedureQualification 对接接头 有垫板 试件Buttjoint Backingplate specimen 对接接头 无垫板 试件Buttjoint Nobackingplate specimen T形接头 弯曲试件 Tjoint 焊接工艺评定试件焊接过程Weldingprocess 评定工作已完成 全部合格Allqualified 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 3试件准备SpecimenPreparation加工单位 中国二十二冶集团有限公司金属结构工程分公司Fabricator China22MCCGroupCorporationLtd 板件定位 箱形截面试件 Positioningpanels Boxsection 钢板下料 直条火焰切割机 Cuttingsteelplate 2 试验研究进展ExperimentalResearchAdvances 2 3试件准备SpecimenPreparation 焊接过程 气体保护焊 Weldingprocess Gasshieldarcwelding 试件成品 端头小盖板 Specimens Q460试件Q460columnspecimens 试件加载装