超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的力學性能和穩(wěn)定性分析

超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的力學性能和穩(wěn)定性分析

自人類使用鋼筋結(jié)構(gòu)以來，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直與材料和生產(chǎn)工藝的發(fā)展密切相關(guān)。正是鋼材材料的不斷改進,提高了鋼結(jié)構(gòu)的承載力、經(jīng)濟性能和使用性能,促進了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。近幾年來,新的鋼材生產(chǎn)工藝大幅度提高了鋼材的強度和加工性能,同時與超高強度鋼材(強度標準值為460MPa～1100MPa)相匹配的具有足夠強度、良好韌性和延性的焊縫金屬材料和焊接技術(shù)也已經(jīng)比較成熟,完全能夠滿足構(gòu)件的加工制作要求,這使得超高強度鋼材應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)成為可能。1化學成分分析目前,國內(nèi)尚未生產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)用超高強度鋼材。根據(jù)歐洲的建筑結(jié)構(gòu)用超高強度鋼材規(guī)范(EN10025-6)的相關(guān)規(guī)定,超高強度結(jié)構(gòu)鋼材均經(jīng)過淬火和回火處理,其強度特性如表1所示。對于表1所示的每一種強度等級的超高強度結(jié)構(gòu)鋼材(不包括S960),又根據(jù)鋼材材料的沖擊韌性(沿鋼材縱向V形缺口試件沖擊試驗的沖擊功Akv)分為Q、QL和QL1三個級別(表2)。表3則給出了相應(yīng)這三個級別超高強度結(jié)構(gòu)鋼材的化學成分。從表3可以得到,超高強度結(jié)構(gòu)鋼材的化學成分能夠保證鋼材具有良好的焊接性能,從而有效地被加工制作成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。2超高強度鋼柱的缺陷研究結(jié)果表明,在同樣的軸心受壓條件下,采用超高強度鋼材加工制作的鋼柱,在達到整體穩(wěn)定極限承載力時,其極限應(yīng)力σu與屈服強度fy的比值σu/fy(即整體穩(wěn)定系數(shù)φ),要比相同長度和截面的普通強度鋼材鋼柱高很多。這主要是因為相對于普通強度鋼材鋼柱,構(gòu)件的初始缺陷(主要包括幾何初始缺陷和殘余應(yīng)力)對超高強度鋼材鋼柱的影響要小很多。(1)殘余應(yīng)力特別是殘余壓應(yīng)力的數(shù)值與鋼材的屈服強度沒有直接關(guān)系。在鋼柱截面起控制作用的關(guān)鍵部位,對于超高強度鋼材鋼柱而言,殘余應(yīng)力與鋼材屈服強度的比值要比普通鋼材鋼柱小很多;恰恰是這一比值對鋼柱的整體穩(wěn)定系數(shù)有很大影響,而不是殘余應(yīng)力的絕對數(shù)值大小。例如,對于超高強度鋼材焊接箱形截面:Rasmussen測量得到的690MPa鋼材(真實值705MPa)截面各邊中部殘余壓應(yīng)力分別為145MPa、92MPa、148MPa、105MPa,平均值123MPa,為0.174fy;Usami測得690MPa鋼材(真實值741MPa)截面腹板-翼緣焊縫處殘余拉應(yīng)力約為0.6fy,每個試件截面所有板件中部的殘余壓應(yīng)力幾乎是恒定的,三個試件的測量值分別是0.138fy、0.087fy和0.112fy,推薦殘余壓應(yīng)力取0.1fy;Nishino測得690MPa鋼材(真實值分別為799MPa和711MPa)焊接箱形截面殘余應(yīng)力分布如圖1所示,板件中部殘余壓應(yīng)力分別為0.1fy和0.15fy。上述所有試驗測得的板件中部殘余壓應(yīng)力明顯小于我國規(guī)范和歐洲規(guī)范計算柱子曲線時采用的0.2fy。對于超高強度鋼材焊接I形截面,試驗測量得到的名義強度690MPa鋼材(真實值660MPa)、翼緣為焰切邊的焊接Ⅰ形截面殘余應(yīng)力分布如圖2所示,翼緣和腹板的殘余壓應(yīng)力平均值分別約為135MPa和32MPa,即0.205fy和0.048fy,明顯小于我國規(guī)范計算柱子曲線時采用的0.4fy和0.35fy。(2)關(guān)于幾何初始缺陷的影響,已有研究者在僅考慮相同幾何初始缺陷條件下,針對兩種鋼材(235MPa和690MPa)的H形截面軸心受壓鋼柱繞強軸的整體穩(wěn)定承載力進行了初步計算和對比,結(jié)果表明超高強度鋼材(690MPa)鋼柱的相對強度(即整體穩(wěn)定系數(shù)φ)更高。早在1982年,針對當時的高強度鋼材(屈服強度430MPa),考慮到鋼材強度提高對軸心受壓鋼柱整體穩(wěn)定承載力的有利影響,歐洲的研究者提出,在計算其整體穩(wěn)定承載力、選取和采用柱子曲線時,對鋼柱的缺陷系數(shù)進行折減,采用下式計算:α=α0(235/fy)0.8(1)α=α0(235/fy)0.8(1)式中,α0是歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(Eurocode3)原本所采用的鋼柱缺陷系數(shù)。當鋼柱缺陷系數(shù)減小,其整體穩(wěn)定承載力將提高。從上述可見,有充分理由相信,對于超高強度鋼材軸心受壓鋼柱,可采用比普通鋼材鋼柱高的整體穩(wěn)定系數(shù),提高其整體穩(wěn)定承載力,更加充分地發(fā)揮超高強度鋼材鋼柱的強度優(yōu)勢。相對于普通鋼材,鋼結(jié)構(gòu)采用超高強度鋼材具有以下優(yōu)勢:(1)在經(jīng)濟性方面,能夠減小構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)重量,相應(yīng)地減少焊接工作量和焊接材料用量,減少各種涂層(防銹、防火等)的用量及其施工工作量,使得運輸和施工安裝更加容易,降低鋼結(jié)構(gòu)的加工制作、運輸和施工安裝成本;同時在建筑物使用方面,減小構(gòu)件尺寸能夠創(chuàng)造更大的使用凈空間;特別是,能夠減小所需鋼板的厚度,從而相應(yīng)減小焊縫厚度,改善焊縫質(zhì)量,提高結(jié)構(gòu)疲勞使用壽命。以上這些都能夠直接創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。(2)鋼結(jié)構(gòu)采用超高強度鋼材,有利于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和保護環(huán)境基本國策的實施。超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)能夠降低鋼材用量,從而大大減少鐵礦石資源的消耗;而前述的焊接材料和各種涂層(防銹、防火等)用量的減少,也能夠大大減少其他不可再生資源的消耗,同時能夠減少因資源開采對環(huán)境的破壞,這對于我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、改變“高資源消耗”的傳統(tǒng)工業(yè)化發(fā)展模式、充分利用技術(shù)進步建立“效益優(yōu)先型”、“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”國民經(jīng)濟體系都有極大的促進作用。(3)特別是,“十一五”規(guī)劃中首次提出了單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)能耗降低20%的節(jié)能目標。2006年我國GDP增長10.7%,大大超過目標要求,但是能耗降低卻沒有完成既定目標。鋼鐵工業(yè)是我國的耗能大戶。超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在降低鋼材用量的同時,能夠相應(yīng)地大大減少鋼材冶煉的能源消耗,最終降低單位面積建筑產(chǎn)品的能源消耗,有利于實現(xiàn)我國“十一五”規(guī)劃降低能耗的發(fā)展目標。目前關(guān)于超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范針對S460～S700(強度標準值460MPa～700MPa)鋼材,對原有普通鋼材鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范提出了補充條款;美國的荷載抗力系數(shù)設(shè)計規(guī)范(LRFD)中也提出了幾種高強度結(jié)構(gòu)鋼材,最高為A514(強度標準值690MPa)。但是這兩個規(guī)范本身都指出,其中關(guān)于超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的條款,都是僅僅將超高強度鋼材引入設(shè)計規(guī)范;對于其中很少量的計算公式,則是簡單套用傳統(tǒng)的普通鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和計算公式,并明確指出缺乏相關(guān)試驗和研究依據(jù);而對于其他更多的具體設(shè)計方法、計算公式和曲線,則仍然是空白;同時也聲明,目前正在進行相關(guān)的研究工作。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)所規(guī)定的最高強度鋼材僅為Q420鋼材(強度標準值420MPa),尚不涉及超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)。即使如此,超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)以其明顯的優(yōu)勢,已經(jīng)在國內(nèi)外多個實際工程中得到應(yīng)用,獲得了很好的效果。3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1屋頂桁架支護德國柏林索尼中心大樓(SonyCenter)(圖3)為了保護已有的一個砌體結(jié)構(gòu)建筑物,將大樓的一部分樓層懸掛在屋頂桁架上。屋頂桁架跨度60m,高12m,其桿件用600mm×100mm矩形實心截面,采用了S460和S690鋼材(強度標準值460MPa和690MPa),以盡可能減小構(gòu)件截面。在該工程中,還對S460鋼材在低溫下的脆性斷裂性能進行了試驗和計算分析,研究結(jié)果保證了該結(jié)構(gòu)在低溫下的安全性。3.2地下車柱結(jié)構(gòu)澳大利亞悉尼的星城飯店(StarCity)(圖4)在悉尼中心區(qū)的西部,位于繁華的達令港(DarlingHarbour)內(nèi),建筑物包括一個娛樂場、一個酒店和兩個大型劇院。整個建筑物共13層,包括屋頂和地下5層。該工程在建筑物的兩個區(qū)域采用了650MPa和690MPa鋼材。第一個區(qū)域是地下室的柱子。由于地方議會要求這個建筑物至少提供2500個停車位,這就使得地下車庫的柱子截面尺寸最大為500mm,唯一的解決辦法就是采用超高強度鋼材-混凝土組合柱。如前所述,超高強度鋼材能夠大大減小柱截面的尺寸,尤其是對于一個高層建筑中承受荷載較大的底部幾層。第二個區(qū)域就是Lyric劇院屋頂?shù)?個桁架。每個桁架都是跨度30m,高度3.5m。3.3鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層Latitude大廈(圖5)位于澳大利亞悉尼中心區(qū)的世界廣場(WorldSquare),2005年建成,55層。由于場地上已有一個部分完成的建筑物,如果在既有建筑物頂部增建新結(jié)構(gòu),則需要對原有的柱子進行加固。出于經(jīng)濟效益的考慮,為了盡快完工,結(jié)構(gòu)工程師在第16層采用7m高的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層(圖6)將荷載從新增結(jié)構(gòu)的柱子傳到既有建筑物上。在轉(zhuǎn)換層的鋼結(jié)構(gòu)中,采用了16mm厚的Bisplate80(690MPa)鋼板,以減小結(jié)構(gòu)重量。雖然該工程中超高強度鋼材的總用量只有280噸,卻收到很好的效果。3.4日本在安全問題上的運用超高強度鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)日本常用的結(jié)構(gòu)鋼材強度通常為400MPa～490MPa。但是近十幾年來,日本開始研究和使用極限抗拉強度為800MPa的鋼材,而且已經(jīng)開始研究應(yīng)用1000MPa鋼材。特別是,他們更著重于采用超高強度鋼材鋼結(jié)構(gòu)來減輕和避免地震對結(jié)構(gòu)造成的破壞。日本的第一幢采用超高強度鋼材的建筑是位于橫濱的LandmarkTower大廈(圖7),其I形截面柱采用了600MPa鋼材。日本東京的兩幢高層建筑JREastJapan總部大廈和NTVTower(圖8)也采用了超高強度鋼材。目前正在設(shè)計的位于日本清水的127層、高550m的超高層建筑也將采用600MPa鋼材?，F(xiàn)在,日本的設(shè)計公司正在研究采用超高強度鋼材,改變結(jié)構(gòu)的自振頻率,以減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞。3.5實際鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用我國也在2008奧運會主會場-國家體育場(鳥巢)(圖9)鋼結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位應(yīng)用了400噸Q460鋼材,從而滿足了設(shè)計要求,取得了很好的效果。4橋梁設(shè)計4.1長絲橋塔鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計位于德國杜塞爾多夫的Dusseldorf-Ilverich萊茵河大橋(圖10)是一座斜拉公路橋,建于1998-2002年。該橋由于靠近杜塞爾多夫機場,其橋塔高度受到限制。兩個V形橋塔頂部中間的焊接箱形截面連系鋼梁采用S460鋼材,減小了截面鋼板厚度,減小了焊縫尺寸,提高了焊縫質(zhì)量等級,從而提高了焊縫的疲勞強度和橋梁使用壽命。同時,減小焊縫尺寸還大大減少了焊接工作量,并且避免了鋼板的預(yù)熱處理要求,大大縮短工期,取得很好的經(jīng)濟效益。4.2主梁結(jié)構(gòu)施工技術(shù)法國著名的Millau大橋(圖11)是一個多跨斜拉橋,建造高度達到343m,創(chuàng)造了世界記錄。其2460m長的橋面由中間的6個342m主跨和兩邊各一個204m跨組成。橋梁截面中的中心箱形截面主梁以及一些連接構(gòu)件采用了80mm厚S460鋼板,橋塔則采用了最大為120mm厚的S460鋼板,取得了以下良好效果:(1)在不增加結(jié)構(gòu)重量的前提下提高了結(jié)構(gòu)承載力;(2)大大降低了橋梁施工中懸臂段的彎矩;(3)減小焊縫尺寸,提高了焊接工作的效率;(4)顯著降低構(gòu)件從工廠到現(xiàn)場的運輸成本;(5)大大降低結(jié)構(gòu)自重使得鋼結(jié)構(gòu)的加工制作(包括焊接)、運輸和施工安裝變得容易很多,確保了橋梁建造的順利進行。4.3凝土橋鋼板的結(jié)構(gòu)德國Ingolstadt附近的一座高速公路橋梁(圖12)是一座組合結(jié)構(gòu)多跨連續(xù)梁橋,跨度為24m+(5×30m)+20m?；炷翗蛎姘鍖?5m。該橋設(shè)計成一個整體結(jié)構(gòu),鋼梁直接用柔性鋼板連接到柱子,而沒有支座。鋼梁和組合結(jié)構(gòu)橋墩之間的半剛性節(jié)點(圖13)采用S690鋼材。為了保證節(jié)點為半剛性,柔性鋼板必須符合下列剛度和強度要求:(1)鋼板厚度必須足夠小,以減小結(jié)構(gòu)對柱子的平動和轉(zhuǎn)動約束;(2)鋼板厚度又必須足夠大以承擔豎向荷載和彎矩。這種自相矛盾的要求通過采用S690鋼材成功地加以解決。4.4下翼緣鋼梁這座橋是一座25.6m跨的簡支橋(圖14),寬7m,梁高1245mm。鋼梁的下翼緣采用了S690鋼材,使得橋梁設(shè)計很好地同時滿足了承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求。目前,瑞典已經(jīng)將這種類型的雜交梁列入橋梁設(shè)計規(guī)范。4.5內(nèi)部集中連接板設(shè)計瑞典的48m跨快速軍用橋梁(圖15)是針對北約(NATO)要求設(shè)計的承重約64噸的軍用快速架設(shè)橋梁。橋梁采用了S960和S1100(強度標準值960MPa和1100MPa)鋼材,能夠在90分鐘以內(nèi)從河流或者凹口的一側(cè)展開架設(shè)到另一側(cè),也能夠在同樣的時間內(nèi)收起來(圖16)。橋梁的跨度可以在32m至48m之間變化,由4或6個8m長的單元組成,寬4m,截面高1.6m。橋面板用5