超高强度钢材钢结构的工程应用_施刚

-
9 60
-
-
9 80-11 50
-
-
最小伸长率/ %
L0 =5.65 S0 17 17 16 15 14 11 10
表 2 超高强度结构钢材的最小冲击功要求(单位 :J)
级别
试验温度/ ℃
0
-2 0
-4 0
-6 0
Q
30
27
-
-
QL
35
30
27
-
Q L1
40
35
30
27
表 3 超高强度结构钢材的化学成分(%)
105M Pa , 平 均 值
123M Pa ,
为 0 .174
f [ 3] y
;Usami
测得
690M Pa 钢材(真 实值 741M Pa)截 面 腹板 -翼缘 焊 缝处
残余拉应力约为0 .6 f y ,每个试 件截面所 有板件中 部的残 余压应力几乎是恒定的 , 三个试件 的测量值 分别是 0 .138
配的具有足够强度 、良好韧性和延性的焊缝金属材料和 焊 接技术也已经比较成熟 , 完全能够满足构件的加工制作 要 求 ,这使得超高强度钢材应用于钢结构成为可能[ 1] 。
1 超高强度钢材材料性能
目前 , 国内尚 未生 产建 筑结构 用超 高强 度钢 材 。根
收稿日期 :2007 -12 -21 ;收到修改稿日 期 :2008 -01 -14 基金项目 :国家自然科学基金(50708051)和长江学者创新团队发展计划联合资助 作者简介 :
据欧洲的建筑结构用超 高强 度钢 材规 范(EN10025-6)的 相关规定[ 2] , 超高强度结构钢材均 经过淬 火和回火 处理 , 其强度特性如表 1 所示 。对于表 1 所示的每一种 强度等 级的超高强度结构钢材(不包括 S960), 又根据 钢材 材料 的冲击韧性(沿钢材纵向 V 形缺 口试件 冲击试 验的 冲击
和 0 .15
f [ 5] y
。上 述所 有试
验测得的板件中部残余压应力明显 小于我国规范 和欧洲
3 4
建筑钢结构进展
第 10 卷
规范计算柱子曲线时采用的0 .2 f y [ 6 ～ 7] 。
图 1 焊接箱形截面残余应力分布
(单位 :k si ;1ksi =6 .895M Pa)
对于超高强 度钢 材焊 接 I 形 截面 , 试验 测量 得到 的 名义强度 690M Pa 钢材(真实值 660M Pa)、翼缘为 焰切边 的焊接 Ⅰ 形截 面残余 应力 分布如 图 2 所 示[ 3] , 翼缘 和腹 板的残余 压应 力平均 值分别 约为 135M Pa 和 32M Pa , 即 0 .205 f y 和0 .048 f y , 明 显小于 我国规 范计 算柱 子曲 线时 采用的0 .4 f y 和0 .35 f y [ 6] 。
第10 卷第4期 2008 年8月
建 筑 钢 结 构 进 展 Progres s in S teel Building S tru ctures
Vo l.10 N o .4 Aug .2008
超高强度钢材钢结构的工程应用
施 刚1, 2 , 石永久1 , 王元清1
(1 .清华大学 土木工程系 , 北京 100084 ;2 .清华大学 结构工程与振动教育部重点实验室 , 北京 100084)
功 A kv )分为 Q 、Q L 和 QL1 三个级别(表 2)。表 3 则给出 了相应这三个级别超高强度结构 钢材的化学 成分 。从表 3 可以得到 , 超高强度结构钢材的化学成分能够保证钢材 具有良好的焊接性 能 , 从 而有 效地被 加工 制作 成钢 结构 构件 。
等级
S 46 0 S 50 0 S 55 0 S 62 0 S 69 0 S 89 0 S 96 0
Keywords: ultra-high streng th steel ;steel structure ;engineering application
自从人类开始应用钢结构以来 , 钢结构的发展始终是 与钢材材料特性和生产 工艺的发展 紧密相 连的 。正是钢 材材料的不断改进 , 提高了钢 结构的承 载力 、经济 性能和 使用性能 , 促进 了钢结构 的发展 和应用 。近几 年来 , 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 与超高强度钢材(强度 标准值为 460MPa ～ 1100MPa)相匹
表 1 超高强度结构钢材的力学特性
最低屈服强度 f y/ M Pa
抗拉强度 fu/ M Pa
根据厚度分类/ mm
根据厚度分类/ mm
3≤t ≤50
50<t≤100 100 <t ≤150 3 ≤t ≤50
50 <t ≤100 100<t ≤150
4 60
4 40
4 00
55 0-7 20
50 0-6 70
关键词 : 超高强度钢材 ;钢结构 ;工程应用 中图分类号 :T U 511 .3 文献标识码 :A 文章编号 :1671 -9379(2008)04 -0032-07
Engineering Application of Ultra-High Strength Steel Structures
S H I Gang 1,2 , S H I Y ong-jiu1 , WA NG Y uan-qing1
(1 .Depar tment o f Civil Engineering , T singhua U niv ersity , Beijing 100084 , China ; 2 .K ey L abo rato ry o f St ructural Enginee ring and V ibratio n o f China Educatio n M inistr y ,
5 00
4 80
4 40
59 0-7 70
54 0-7 20
5 50
5 30
4 90
64 0-8 20
59 0-7 70
6 20
5 80
5 60
70 0-8 90
65 0-8 30
6 90
6 50
6 30
7 70-94 0
76 0-93 0
71 0-9 40
8 90
8 30
-
9 40-11 00
8 80-11 00
初始缺陷(主要包括几何初始缺陷和 残余应力)对 超高强
度钢材钢柱的影响要小很多[ 1] 。
(1)残余应力特别 是残余压 应力的 数值与钢 材的屈
服强度没有直接关系 。在钢柱截面起 控制作用的 关键部
位 , 对于超高强度钢材钢柱而言 , 残余 应力与钢材 屈服强
度的比值要比ห้องสมุดไป่ตู้通 钢材 钢柱小 很多 ;恰恰 是这 一比 值对
施 刚(1977 -), 男 , 博士 , 讲师 , 主 要从事钢结构和建筑玻璃幕墙结构的研究 。 E-mail :shiga ng @tsinghua.edu .cn 。 石永久(1962 -), 男 , 博士 , 教授 , 主 要从事结构工程的研究 。
第4期
超高强度钢材钢结构的工程应用
3 3
2 超高强度钢材钢结构的优点
研究结果表明 , 在同样的轴心受压 条件下 , 采 用超高
强度钢材加工制作 的钢 柱 , 在 达到整 体稳 定极 限承 载力
时 , 其极限应力 σu 与屈服强度 f y 的比值 σu/ f y(即整体稳 定系数 φ),要比相 同长度和 截面的 普通强度 钢材 钢柱高
很多 。这主要是因 为相 对于普 通强 度钢 材钢 柱 , 构 件的
钢柱的整体稳定系 数有 很大影 响 , 而 不是 残余 应力 的绝
对数值大小[ 3] 。
例如 , 对于超 高强度 钢材 焊接箱 形截 面 :Rasmu ssen
测量得到的 690M Pa 钢材(真 实值 705M Pa)截 面各 边中
部 残 余 压 应 力 分 别 为 145M Pa 、 92M Pa 、 148M Pa 、
Q
QL
Q L1
C
≤0 .20
Si
≤0 .80
Mn
≤1 .70
P
≤0 .025
≤0 .020
≤0 .02 0
S
≤0 .015
≤0 .010
≤0 .01 0
N
≤0 .015
B
≤0 .005
Cr
≤1 .50
Cu
≤0 .50
Mo
≤0 .70
Nb
≤0 .06
Ni
≤2 .0
Ti
≤0 .05
V
≤0 .12
Zr
≤0 .15
T sing hua U niver sity , Beijing 100084 , China) SH I G ang :shigan g @tsinghua .edu .cn
Abstract : In orde r to study the feasibility of applying ultra-high streng th steels to steel structure projects in China, this pape r introduces the g rades, mechanical proper ties and chemical com positions of ultra-high strength steels in detail .The sectional residual stress and initial geom etric imperfection of ultra-high strength steel structural mem bers and their influences on the overall buckling behaviour of ultra-high strength steel members under axial com pression have been analyzed.It can be concluded that ultra-high streng th steel columns under axial com pression can adopt a highe r buckling reduction factor so as to increase the overall buckling resistance , which will ex ploit the advantage of ultrahig h strength steels better .Bo th the details of the engineering applica tion of ultra-hig h streng th steels in many dom estic and over seas building structures and bridges and the ex cellent results obtained have been presented, which pro vides a reference fo r the applicatio n of ultra-hig h strength steels in our country .
摘 要 : 为了探讨超高强度钢材在我国钢结构工程中 应用的可行性 , 本文详细介 绍了超高 强度钢材的 品种 、力学性能 和化学成分 , 分析了超高强度钢材钢结构 构件的 截面残余 应力和 几何初 始缺陷 及其对 受压整 体稳定特 性的 影响 。 结果表明 , 超高强度钢材轴心受压钢柱可采用比普通 钢材钢柱高 的整体稳定 系数 , 提高其整体 稳定承 载力 , 更加充分地发挥超高强度钢材钢柱 的强度 优势 。 本 文还介绍 了超高 强度钢 材钢结 构的优 点及其 在国 内外多个建筑结构和桥梁工程中的 具体应用 情况和 所取得 的良好 效果 , 为超高 强度钢 材钢结 构在我国 的工 程应用提供了参考 。
图 2 焊接 I 形截面残余应力分布(单位 :MPa)
(2)关于几何初始缺陷的影响 , 已有研究者在仅考虑
相同几何 初 始 缺 陷条 件 下 , 针 对两 种 钢 材 (235M Pa 和
690 M Pa)的 H 形截面轴心受压钢柱绕强轴的整体稳定承
载力进行 了 初 步计 算 和 对 比 , 结 果 表 明 超 高 强 度 钢 材
f y 、0 .087 f y 和 0 .112 f y , 推 荐 残 余 压 应 力 取 0 .1 f y [ 4] ; Nishino 测 得 690M Pa 钢 材 (真 实 值 分 别 为 799M Pa 和
711M Pa)焊接箱形 截面 残余 应力 分布 如图 1 所示 , 板件
中部残余压应力分 别为 0 .1 f y