高强钢结构研究进展和规程编制课件

1、高强钢结构研究进展和规程编制1内 容 1. 高强钢结构概述2. 高强钢结构的工程应用3. 高强钢结构国外研究现状4. 高强钢的材料力学性能5. 高强钢构件的截面残余应力6. 高强钢柱的受力性能7. 高强钢螺栓连接的受力性能8. 高强钢结构的规范编制21. 高强钢结构概述新的钢材生产工艺大幅度提高了钢材的强度和加工性能同时与高强度钢材相匹配的焊接技术已经比较成熟高强度钢材钢结构(屈服强度标准值fy460MPa）初步研究结果表明：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。4高强度钢

2、材钢结构的优势 (1)经济性：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， 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； 以上这些都能够直接创造良好的经济效益。1. 高强钢结构概述(2)保护环境：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； 减少因资源开采对环境的破坏； 有利于我国可持续发展战略和保护环境基本国策的实施。(3)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， 最终降低单位面积建筑产品的能源消耗和碳排放量； 有利于实现我国降低能耗、发展低碳经济的发展目标。5工程设计案例对比 北京地区四层钢框架办公楼，

3、烈度为8度，地震分组按第一组。 焊接工字型梁柱，三类场地， 分别采用Q345、Q420、Q460钢材进行设计，同样应力比1. 高强钢结构概述钢材型号总用钢量对比/%总价对比/%Q345Q420-19.38-17.25Q460-25.03-21.742.1 建筑结构2. 高强钢结构的工程应用日本横滨的Landmark 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，45

4、0MPa72. 高强钢结构的工程应用2.1 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 桥梁结构德国莱茵河大桥，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

5、江西九江长江大桥，15MnVN， 450MPa102. 高强钢结构的工程应用（1）相关规范欧洲规范：S700钢材(fy=700MPa)美国LRFD规范：A514钢材(fy=690MPa) 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结构。 简单套用传统设计方法，缺乏研究依据（2）高强度钢材钢结构的研究 Gustafsson, Pijpers, Martinez ： 550MPa钢材焊接节点、S690和S1100钢材焊缝、DOMEX590、WELDOX700、WELDOX900的疲劳Rasmussen, Usami, Nishino, Kaname, Mc

6、Dermott, 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；Giro Coelho：端板S690钢材，节点域性能3. 高强钢结构国外研究现状项目来源国家自然科学基金：1个重点、2个面上、1个青年国家重点实验室基金：2个企业单位横向课题：4个其他：2个4.1 高强度钢材拉伸试验4. 高强钢的材料力学性能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随着屈服强度的提高而降低高强度钢材S690仍满足欧洲钢结构规范的要求134.2高强度钢材的力学性

7、能特点4. 高强钢的材料力学性能Langenberg P144.2高强度钢材的力学性能特点4. 高强钢的材料力学性能154.3 高强度钢材的低温力学性能特点静力拉伸试件: 15+15三点弯试件: 15+15+15冲击韧性试件:15+15+154. 高强钢的材料力学性能常温下冲击韧性良好；当 T -20时，冲击韧性显著降低低温下的冲击功甚至低于规范限值Q460 steel (460MPa)母材+焊缝+热影响区164. 高强钢的材料力学性能4.4 循环荷载下高强度钢材的力学性能 试验方案 试验方法预期结果单调加载循环加载单向拉伸和单向压缩曲线各种循环加载制度下应力应变曲线引伸计试件夹头47 (20

8、+11+16)个试件（ Q460D、 Q460C 钢材及其对接焊缝接头10 种加载制度拉扭复合万能低周疲劳试验机 (instron model 1343)174. 高强钢的材料力学性能循环骨架曲线和单调拉伸曲线的对比Q460 钢材Q460 焊缝目标建立在结构体系中应用的准确、有效的本构模型184. 高强钢的材料力学性能4.5 高强度钢材的疲劳性能 试验方案 试件： 25+19 (Q390GJD, 35mm 和对接焊缝接头) 21+21 (Q460C母材和对接焊缝接头) 21 (Q460D)应力幅: 15种, 173.25MPa297MPa试验设备PLG-200C高频疲劳试验机试件尺寸试件断口4

9、. 高强钢的材料力学性能4.5 高强度钢材的疲劳性能 试验结果 母材和焊缝接头的S-N疲劳曲线Q390GJD 母材Q390GJD 焊缝接头Q460D 母材Q460C 母材Q460C焊缝接头（抛光）Q460C焊缝接头（原状）205. 高强钢构件的截面残余应力5.1 热轧等边角钢(Q420)残余应力测量试验 标孔 采用分割法线切割加工手持应变仪量测215. 高强钢构件的截面残余应力5.1 热轧等边角钢(Q420)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类似，但平均数值要小于规范采用的数值（0.115 & 0.2

10、0）225种截面：1258、 14010、 16010、 18012 20014每种截面3个试件，共15个5. 高强钢构件的截面残余应力分布模型 23水平段为本文建议下限值，斜线段的斜率由线性回归直线确定；并保证建议公式能够包络所有试验结果试验中试件截面的宽厚比集中在1114之间，建议公式适用于宽厚比115. 高强钢构件的截面残余应力5.2 Q460焊接截面的残余应力测量试验14个试件（8个工字形、6个箱形）:宽厚比，厚度，翼缘和腹板的相关性，焊缝类型，人为误差245. 高强钢构件的截面残余应力5.2 Q460焊接截面的残余应力测量试验25 总体分布形状与普通强度钢材焊接工字形截面的分布基本一

11、致 焊缝附近残余拉应力的数值要明显小于钢材屈服强度（现有分布模型等于屈服强度）5. 高强钢构件的截面残余应力5.2 Q460焊接截面的残余应力分布模型5. 高强钢构件的截面残余应力5.3 960MPa焊接截面的残余应力测量试验6个试件（3个工字形、3个箱形）分布形状与普通强度及460MPa高强度钢材焊接工字形截面的分布基本一致焊缝处残余拉应力的数值要明显小于钢材屈服强度 275. 高强钢构件的截面残余应力5.4 钢结构焊接截面残余应力统一模型 Q235Q960286. 高强钢柱的受力性能6.1 整体稳定- Q420等边角钢轴压柱共计60个试件绕弱轴弯曲长细比包括30、40、50、60、80等2

12、96. 高强钢柱的受力性能6.1 整体稳定- Q420等边角钢轴压柱306. 高强钢柱的受力性能6.1 整体稳定- Q420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. 高强钢柱的受力性能6.1 整体稳定- Q420等边角钢轴压柱32参数分析结果：可采用GB50017-2003 中的a类曲线；也可采用ANSI/AISC360-10设计方法EN1993-1-1EN1993-3-1GB50017-2003ANSI/AISC360-106. 高强钢柱的受力性能6.2 整体稳定- 端部带约束的高强钢

13、柱钢材种类: S690 & S960.8个焊接工字形截面钢柱，绕强轴失稳试件编号L (mm)H (mm)B (mm)tf (mm)tw (mm)S149 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 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 S

14、7-690-3600359259.68 49.91 5.10 5.17 S8-960-3600359859.88 59.20 6.14 6.15 试件尺寸试件正则化长细比分布336. 高强钢柱的受力性能6.2 整体稳定- 端部带约束的高强钢柱千斤顶 柱 上横梁 下横梁 两端力传感器 平面外支撑 钢柱整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. 高强钢柱的受力性能6.2 整体稳定- 端部带约束的高强钢柱典型的整体失稳破坏模式356. 高强钢柱的受力性能6.2 整体稳定- 端部带约束的高强钢柱欧洲规范平均高出b类曲线15.7%、a0类

15、0.6% 利用验证后的有限元模型计算轴心受压柱中国规范平均高出b类曲线15.1%、a类3.9% 366. 高强钢柱的受力性能6.3 整体稳定- 国产高强度钢材铰接柱焊接过程试验装置钢材：Q460C (460MPa)、960MPa截面类型：工字形截面、箱形截面试件数量：12+6材性拉伸试件试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. 高强钢柱的受力性能6.3 整体稳定386. 高强钢柱的受力性能6.3 整体稳定参数分析结果39强度等级截面类型Eurocodec 类 b 类 a 类ANSI/AISCGB50017-2003c 类 b 类 a 类普通强度热轧等边角钢焊接箱形焊接工

16、形-强轴焊接工形-弱轴420MPa热轧等边角钢460MPa焊接箱形焊接工形-强轴焊接工形-弱轴690MPa焊接箱形焊接工形-强轴焊接工形-弱轴960MPa焊接箱形焊接工形-强轴焊接工形-弱轴6. 高强钢柱的受力性能6.4 局部稳定- Q420 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(1.0)接近6. 高强钢柱的受力性能6.4 局部稳定- Q420 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A

17、ISC 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. 高强钢柱的受力性能6.5 局部稳定- 国产Q460、960MPa钢材焊接截面短柱(20个) 试验过程试验装置屈曲模态板件局部稳定系数随板件宽厚比提高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. 高强钢柱的受力性能6.5 局部稳定- 参数分析 43极限承载力的建议计算公式示例6. 高强钢柱的受力性能6.5 局部稳定- 板件宽厚比限值44板件屈曲应力钢材屈服强度板件屈曲应力构件屈曲应力钢材强度/MPa我国钢结构规范限值板件宽厚比限

18、值23540.027.346028.621.569023.319.296019.817.9GB50017-2003：460MPa6. 高强钢柱的受力性能6.6 滞回性能- 国产Q460钢材焊接截面柱(11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装置 孔壁承压破坏孔边撕裂破坏 净截面拉断欧洲规范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- 国产Q460钢板 467. 高强钢螺栓连接的受力性能7.2 抗滑移系数- 国产Q460钢板 表面处理抗滑移系数试验结果GB50017-2003Eurocode 3 ANSI/AISC 360-10BS4604-1970AS4100-1998A0.4510.500.500.500.