ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
近年来，随着钢材生产工艺的进步及一大批重点工程、标志性建筑的兴建，高强度结构钢在工程中的应用逐渐增长。高强度结构钢与普通强度钢材的力学性能存在明显差异，然而现有设计规范的制定是基于普通强度钢结构的试验与理论研究，其能否适用于高强度钢的结构设计有待进一步研究。首先介绍了高强度结构钢的经济性与其在国内外工程中应用的概况，然后总结了国内外关于高强度结构钢在材料性能、基本构件力学行为、连接与节点性能和抗震设计方面的研究成果与现状。已有的研究结果表明，随着钢材强度的提高，其伸长率下降，屈强比升高，延性变差，阻碍了高强度结构钢在抗震结构中的应用。最后对高强度结构钢在地震设防区应用所面临的问题进行讨论，提出了高强度结构钢在抗震结构中应用的两种思路，并指出未来高强结构钢应用仍需开展的研究工作。
为研究国产Q460高强钢焊接箱形截面的残余应力分布规律，采用分割法对6个不同截面尺寸的试件进行了试验研究。基于测量数据，得到了不同试件全截面残余应力分布，研究了板件宽厚比、板件厚度等几何尺寸对残余应力的影响以及测量过程中人为产生的误差、截面板件间残余应力的相互影响及自平衡性等。试验结果表明：残余压应力与截面尺寸直接相关，残余拉应力与截面尺寸关系不大；采用分割法测量时人为操作产生的误差很小；截面4块板件的残余应力能够分别满足自平衡条件。提出了适用于Q460高强钢焊接箱形截面的残余应力分布模型和计算式，该模型能够准确反映截面尺寸的影响，且与试验结果吻合良好。
为研究高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性能，对5个国产Q460钢材焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究。试验对试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。基于试验结果，分析了该类钢柱的失稳破坏形态和整体稳定承载力，建立了有限元分析模型并对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：试件破坏模态均为整体弯曲失稳形态，大部分试件稳定承载力高于规范设计值；有限元分析模型能够准确地考虑几何初始缺陷和残余应力的影响，计算结果与试验结果吻合良好；通过与国内外钢结构设计规范的对比，提出了国产Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定设计的建议方法，即可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计，而不需要按板件宽厚比大小进行分类。
通过对Q460高强钢进行单向拉伸与反复加载下材料性能试验，得到了各试件单调拉伸和反复加载下的应力-应变关系曲线，以及反复加载下的骨架曲线，并将试验结果与文献研究结果进行了对比。试验结果表明：单向拉伸材性试验中，11 mm厚Q460C高强钢板的平均断后伸长率为23.7%，屈强比为0.847； 21 mm厚钢板的平均断后伸长率为30.4%，屈强比为0.792；Q460钢的循环硬化程度比Q345钢明显减弱，主要原因是随着钢材强度的提高，钢材的屈强比增大，钢材的应变强化效应减小。根据钢材反复加载的滞回曲线，提出了Q460高强钢材的应力应变滞回模型，用该模型计算得到的关系曲线与试验曲线对比，两者吻合较好。
进行了两层高强超薄壁冷弯型钢住宅结构足尺模型的振动台试验，模型采用屈服强度550 MPa、厚度2 mm以下超薄壁冷弯型钢龙骨，外墙内外侧覆面板分别采用12 mm厚石膏板和0.42 mm厚屈服强度550 MPa带肋波纹钢板，内墙两侧覆面板均为12 mm厚石膏板。试验选取3条实测地震波记录和1条人工合成地震波，地震加速度考虑7度多遇到9度罕遇的烈度水平。试验结果表明：结构破坏均发生在连接部位和覆面板的局部区域，破坏模式为自攻螺钉的脱落和石膏板的局部破裂，而内部主体型钢龙骨基本无破坏；结构水平刚度虽有较大削弱，但在地震作用下结构无倒塌危险；采用双面覆板构造的复合墙体结构，能够满足抗震设防地区“大震不倒”的要求；墙体开洞部位为结构的薄弱区域，结构设计时应加强门、窗等开洞部位的构造措施以及自攻螺钉连接的可靠性。
结合国内外已完成的冷弯薄壁型钢龙骨式复合墙体静力和动力试验研究成果，提出了冷弯薄壁型钢复合墙体的骨架曲线和恢复力模型。基于已经完成的屈服强度550 MPa高强超薄壁冷弯型钢足尺结构模型振动台试验，对结构在多遇和罕遇地震作用下的抗震分析方法进行了对比。结果表明：多遇地震作用下结构的弹性分析可采用底部剪力法、反应谱法和弹性时程分析法；罕遇地震作用下结构分析可采用静力非线性（推覆）分析和非线性时程分析法。依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的基本规定，提出了低层冷弯薄壁型钢龙骨体系结构的抗震设计实用方法建议。
以某超高层建筑核心筒剪力墙结构为原型，对两端为方钢管混凝土暗柱的内嵌钢板高强混凝土组合剪力墙进行了拟静力试验研究。试验设计了3个剪跨比为2.0、设计轴压比为0.5的1∶7模型试件，主要变化参数为混凝土强度等级和含钢率。试验结果表明：试件的破坏形态主要为暗柱钢板竖向焊缝开裂、暗柱内混凝土压溃和底部外包钢板局部屈曲，墙中部混凝土的弯剪斜裂缝发展不明显；3个试件的滞回曲线都较为饱满，具有较高的耗能能力，承载力极限状态时的等效黏滞阻尼系数约为0.22；3个试件的屈服位移角平均值为1/214，极限位移角平均值为1/58，延性系数平均值为3.77；在整个加载过程中，弯曲变形和剪切变形对顶点位移的贡献比例基本保持不变，由剪切变形产生的顶点位移约占总顶点位移的20%。
以天津国际金融会议酒店工程为背景对钢板剪力墙的抗震性能进行试验研究。完成了3个4层1∶5缩尺比例的钢板剪力墙试件的拟静力试验。试件主要变化参数包括墙板开洞和中柱设置。试件SPSW-1墙板开洞，试件SPSW-2墙板不开洞，试件SPSW-3带有中柱，且中柱一侧墙板开洞。在钢板剪力墙的墙板上布置了槽形和一字形两种截面形式的加劲肋。试验结果表明：钢板剪力墙结构具有良好的承载力、延性和耗能能力；开洞降低了钢板剪力墙结构的刚度和承载力；中柱提高了钢板剪力墙结构的刚度和承载力；加劲肋可增强钢板剪力墙结构的刚度和稳定承载力，开洞补强效应显著。
基于半刚接框架-钢板剪力墙试件的低周反复加载试验，采用ANSYS有限元软件对其滞回性能进行了数值模拟。分析循环荷载作用下试件的滞回性能及承载能力，考察其应力、变形发展历程、耗能机理和破坏模式。试验和有限元分析结果均表明：内填板的设置缓解了节点区自身的延性要求，框架和钢板墙协同工作良好，结构体系耗能优异，安全储备高，是一种理想的抗侧力结构体系。有限元模拟结构应力和变形发展历程与试验结果基本吻合。由于初始偏心、焊接残余应力等原因，弹性工作阶段，有限元分析的峰值荷载与试验值比较接近；进入塑性阶段，有限元分析的峰值荷载比试验值大，滞回环更饱满。
设计了11个RC梁-方钢管混凝土柱节点试件，考虑了节点形式、环梁截面尺寸、环梁纵筋和配箍率、抗剪环直径和数量及节点是否带楼板等因素，对其进行单调静力试验，研究梁柱节点受力性能及不同设计参数对其承载力的影响，分析试验现象及试件中钢筋应变发展规律。试验结果表明：环梁纵筋及箍筋的配筋率对RC梁-方钢管混凝土柱环梁节点的承载力具有显著的影响，可以通过调整环梁纵筋及配箍率使框架梁先于环梁破坏，达到强节点的目的；采用抗剪环筋传递剪力，能够可靠传力。在试验结果的基础上，以环梁破坏面的力平衡条件，推导了环梁节点承载力计算式，计算结果与试验结果吻合较好。
按钢管桁架结构K形搭接节点隐藏焊缝焊接情况制作了4个足尺试件，通过对其进行拟静力试验，研究K形搭接节点内隐藏焊缝在焊与不焊情况下的试件变形、破坏模式、节点的耗能性能等。得到了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性性能、耗能能力等抗震性能指标。试验结果表明：K形搭接节点内隐藏焊缝对试件的承载能力影响不大；节点的破坏模式主要是搭接支管的变形与屈曲以及搭接支管与被搭接管、主管之间连接焊缝的破坏；隐藏焊缝不焊接节点试件的滞回耗能优于隐藏焊缝焊接的节点试件；隐藏焊缝不焊接节点试件的变形是隐藏焊缝焊接节点试件的1.1~1.2倍。
基于箱形钢柱拟静力试验，通过有限元分析，研究腹板宽厚比、构件轴压比及平面外长细比、柱顶弯矩等因素对偏压箱形钢柱抗震性能的影响。研究结果表明：腹板宽厚比和平面外长细比对箱形钢柱抗震性能影响较大，随着腹板宽厚比、平面外长细比的增大，箱形钢柱延性和承载力均有所减小，抗震性能变差；柱顶弯矩使箱形钢柱的正向延性增大，而降低其反向延性，柱顶弯矩对箱形钢柱抗震性能的影响相对较小。在此基础上，对箱形钢构件提出与受力状态相关联的腹板宽厚比、平面外长细比限值建议。引入箱形钢柱位移角概念，进而提出大跨度空间钢结构的构件抗震等级划分方法。并给出箱形钢构件腹板宽厚比、构件平面外长细比的抗震验算流程。
对6根仅配置纵向CFRP预应力筋的钢纤维活性粉末混凝土（RPC）无腹筋梁试件进行了静力和疲劳试验，研究了RPC钢纤维含量、疲劳荷载水平、加载方式等参数对其疲劳性能的影响。结果表明：疲劳荷载作用下梁试件发生剪切破坏；无论是承受静力荷载还是疲劳荷载的梁试件，都不宜过高估计钢纤维的作用而取消抗剪腹筋；提高钢纤维含量可以显著改善梁试件的疲劳性能，钢纤维含量为3%的CFRP预应力筋RPC无腹筋梁，若RPC的主拉应力小于其抗拉强度的50%，可免于疲劳破坏；经回归分析，给出了试验梁的刚度退化方程及RPC主拉应力与疲劳寿命关系方程。
深圳证券交易所营运中心的抬升裙楼采用超长巨型悬挑钢桁架结构体系，具有悬挑跨度大、受力复杂、临时支撑卸载难度大的特点。采用自主研发的基于有线应变数据采集与无线信号传输的应变监测系统，在施工阶段，尤其是在卸载过程中，对抬升裙楼关键构件进行实时应力监测。通过长期应变监测数据统计分析、双轴对称测点应力对比分析以及焊接对结构局部应力增量影响试验研究，对施工中的抬升裙楼进行实时安全评估。结果表明：卸载过程中裙楼结构受力稳步转换；龙骨焊接施工产生的焊接残余应力对焊接区域附近的结构局部应力增量有显著影响。
参照ACI 440.3R-04提供的试验方法，将90根玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋分别放入40℃、60℃和80℃的模拟混凝土溶液中进行加速老化试验，侵蚀时间分别为3.65 d、18.0 d、36.5 d、92.0 d和183.0 d，分析了温度、侵蚀时间、SiO2含量等参数对GFRP筋受压力学性能的影响。研究表明：侵蚀183.0 d后，40℃、60℃、80℃模拟混凝土环境下的GFRP筋抗压强度较侵蚀前分别下降了29.59%、39.12%和47.62%，其抗压弹性模量分别下降了10.12%、12.47%和19.06%。采用扫描电子显微镜（SEM）对侵蚀前后GFRP筋的微观形貌进行了观测，发现侵蚀后GFRP筋的劣化区域内纤维与周围树脂之间出现了明显的脱粘现象，而且随着温度的提高这种脱黏现象更加明显。采用X射线荧光光谱分析仪（XRF）分析了侵蚀前后GFRP筋的SiO2含量变化，结果表明随着侵蚀时间的增加，模拟混凝土环境下GFRP筋中SiO2含量呈递减趋势；侵蚀前GFRP筋中SiO2含量为62.11%，在40℃、60℃和80℃模拟混凝土环境下侵蚀183.0 d后，GFRP筋中SiO2含量较侵蚀前分别下降到52.05%、50.66%和47.65%。基于XRF分析提出了模拟混凝土环境下GFRP筋抗压强度的预测模型。
为研究新型全预制装配式钢筋混凝土楼盖的竖向受力性能，对1∶2缩尺的楼盖模型进行了模拟竖向均布荷载作用的静载试验，对楼盖的竖向承载力、挠曲变形、应变规律和双向受力性能等进行了研究。试验结果表明：楼盖具有较高的承载力，在整个加载过程中楼盖梁-板连接件和板缝连接件都表现出良好的传力性能；在竖向均布荷载作用下楼盖的挠曲变形呈现出与现浇双向楼盖类似的“碟形”，具有双向板的变形特征；楼盖模型在竖向荷载作用下的跨中挠度约为同条件下单向板楼盖挠度的0.445倍，楼盖构造能有效减小变形；楼盖底部垂直板缝方向连接件可传递竖向荷载作用下的弯矩，使其具有双向受力的特点。
针对弹塑性缓冲限位与滞变-摩擦并联隔震体系，建立了隔震系统的恢复力模型和隔震体系的运动方程；根据缓冲限位装置的作用机理，定义了隔震层与缓冲限位装置软碰撞和脱离接触过程中的软碰撞拐点和恢复力拐点，给出了拐点时刻的缓冲限位装置位移和恢复力的计算公式，编制了相应隔震体系的非线性分析程序，分析了缓冲限位装置的缓冲限位距离、弹性刚度、屈服位移等关键参数对隔震体系的影响。研究表明：弹塑性缓冲限位距离的合理取值范围为60～100 mm；缓冲限位装置与滞变摩擦隔震装置的设计参数完全相同，但缓冲限位装置的设置数量为滞变摩擦隔震装置数量的一半；与仅滞变摩擦隔震情况相比，并联隔震体系隔震层位移控制效果在30%以上；与无控情况相比，并联隔震体系的上部结构层间位移控制效果在40%以上。
通过对粉煤灰混凝土黏结试件的直接拔出试验和梁式试验，分析粉煤灰掺量、钢筋种类、钢筋直径、混凝土强度和混凝土保护层厚度等因素对黏结性能的影响。研究结果表明：粉煤灰掺量越大，加载端和自由端钢筋滑移量、加载端钢筋应变、黏结应力峰值越小；混凝土强度越高，自由端钢筋开始滑移时的荷载越大，加载端和自由端钢筋滑移量越小，加载端钢筋应变、黏结应力峰值越大；钢筋直径越大，加载端和自由端钢筋滑移量、加载端钢筋应变越小；与配置HRB335级钢筋的试件相比，配置HRB400级钢筋的试件自由端钢筋开始滑移时的荷载更大，加载端和自由端钢筋滑移量、加载端和自由端钢筋应变、所需的黏结长度更小，黏结应力峰值更大。
为了研究HRB500级钢筋作为受力主筋的混凝土框架梁开裂性能，对3榀1层2跨的混凝土框架结构进行静力试验，量测了在跨中集中荷载作用下梁端与跨中截面的裂缝宽度、位移、转角以及混凝土和钢筋应变。结果表明：框架梁端裂缝宽度实测值一般大于采用现行混凝土结构设计规范公式的计算值。研究了框架梁端裂缝的开展机理，基于黏结-滑移理论,提出把裂缝处钢筋与混凝土之间的滑移分为在节点内滑移和在梁端内滑移两部分，建立框架梁抵抗负弯矩的纵向钢筋在节点区的黏结-滑移模型和相应的最大裂缝宽度计算式，并根据对试验结果的统计分析，校准了黏结-滑移模型的参数。框架梁端最大负弯矩作用下的裂缝宽度计算式可供工程实践和规范修订参考。
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