高速发展的中国高强度钢——高强度钢结构分析和构件设计

与普通钢相比，高强钢的显著优势在于具有更高强度，这意味着在同等受力状态下，采用高强度钢材可以减小构件截面尺寸并减轻构件重量。并且为建筑工程带来显著的效益。

对于建筑工业而言，使用高强钢的优势如下：

• 结构自重减轻，相应的地基尺寸减小，从而降低造价，提高施工速度；
• 梁的截面尺寸更小，降低了建筑楼层高度，可以增加楼层数；
• 较小的柱截面尺寸可以增大建筑使用空间；
• 较小的永久荷载使其对桥梁的基础承载能力要求降低；
• 可以增加桥面跨度，减少桥墩数量，便于水上运输。

对于小截面尺寸的高强钢构件而言，按正常使用极限状态设计尤其重要，如构件的变形、挠度和振动等。

如果只需要进行承载能力极限状态设计（即无需考虑正常使用极限状态），则建议使用高强度钢材。在这种情况下，采用更高强度的钢材可以更大化经济效益，并具备上述优势。

如果使用高强钢构件，还需要与之强度匹配的连接部件。例如，焊接连接设计时，应使用较高强度的连接板，避免影响连接强度；对于螺栓链接，则应使用更高强度等级的螺栓。

高强钢宜应用于下列构件：

• 多层框架的框架柱；
• 厚实截面或中等厚实截面的框架柱或梁；
• 翼缘承受大部分弯矩的预制钢构件，如预制钢梁构件；
• 受拉构件。

钢材的设计标准

《钢结构设计标准》GB 500171中建议采用Q235、Q345、Q390、Q420、Q460 和 Q345GJ钢，且所采用的钢材质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 70013，《低合金高强度结构钢》GB/T 15913和《建筑结构用钢板》GB/T 19879 4的规定。此外，GB 50017 中规定允许采用《碳素结构钢》GB/T 700，《低合金高强度结构钢》GB/T 1591和《建筑结构用钢板》GB/T 19879中所涉及的强度等级小于或等于Q460的其他牌号钢材，此时宜按照现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB 5006818 进行统计分析，研究确定其设计指标（如𝑓 和 𝑓v）及适用范围。《高强钢结构设计标准》JGJ/T 4832中规定了钢材牌号从Q460到 Q690的钢材设计指标，该标准是建筑工程行业推荐性标准，由于颁布的时间不长，应用不够广泛。

《低合金高强度结构钢》GB/T 1591对屈服强度值及部分钢种进行了修订，例如以 Q355 钢级替代 Q345 钢级等等。但此类修订在《钢结构设计标准》GB50017中尚未体现。表1.1汇总了《钢结构设计标准》GB 50017中所涉及高强钢的强度指标以及《低合金高强度结构钢》GB/T 1591和《建筑结构用钢板》GB/T 19879中规定的断后伸长率限值。表 1.2汇总了《高强钢结构设计标准》JGJ/T 483中所涉及钢号的强度指标和断后伸长率限值。

对于轧制型构件，其横截面强度往往取决于构成截面的最大厚度的板件，通常是翼缘。

在欧盟规范中，承载力设计值通过将名义抗力（基于材料名义强度，如𝑓y和 𝑓u,等）除以截面抗力分项系数𝛾M（取决于所考虑极限状态）得到，而不是对钢材的名义屈服强度进行折减。因此，即使钢材强度等级或厚度不同，其均会采用相同的截面抗力分项系数。

表 1.1 GB 50017所涉及高强度钢材的设计用强度指标

表 1.2 JGJ/T 483所涉及高强度钢材的设计用强度指标

表1.1和表1.2中给出的钢材屈强比 (𝑓y𝑓u⁄) 介于0.58 至 0.90 之间，其中高强钢的屈强比𝑓y𝑓u⁄较高。此外，随着钢材屈服强度的增加，其断后伸长率的限值𝐴有所降低。

EN 1993-1-1目前涵盖了S235 至 S460钢，EN 1993-1-1220给出了补充规定，将钢号范围扩大至S700。EN 1993-1-1 的下个修订版将涵盖 S235 至 S700 钢，新版本的 EN 1993-1-12 目前正在修订中，将补充S960钢材等级及相关要求。现行欧盟标准中延性规定参见EN 1.1。

表 1.2 JGJ/T 483所涉及高强度钢材的设计用强度指标

在下个版本EN 1993-1-1 中，延性要求可能做如下修改：

• 对于塑性分析：𝑓y/𝑓u <0.91 且断后伸长率不小于15%；
• 对于弹性分析：𝑓y/𝑓u <0.95 且断后伸长率不小于12%；删除极限应变的要求。

结构分析

在《钢结构设计标准》GB 50017中，由小于或等于Q460钢材等级制成的钢结构内力分析可以采用以下三种方法：一阶弹性分析、二阶P-Δ弹性分析和直接分析设计法（考虑二阶 P-Δ 和 P-δ 效应，可以基于弹性、弹塑性或塑性分析）。

当直接分析法按二阶弹塑性分析时，构件和节点应有足够的延性保证以便内力重分布，允许一个或者多个塑性铰产生。为保证塑性铰能够形成且具有转动能力，根据《钢结构设计标准》GB 50017第4.3.6条规定，钢材应满足以下延性要求：

• 屈强比不应大于 0.85；
• 钢材应有明显的屈服台阶；
• 断后伸长率不应小于 20%。

当钢材等级高于Q460时，钢材很难满足上述延性要求，故其设计应基于弹性分析。欧盟标准EN 1993-1-12 中规定不允许对钢级高于S460 的钢材使用塑性铰分析。

无论分析类型如何，结构内力分析之前均应根据《钢结构设计标准》GB 50017第5.1.6条规定评估二阶效应的影响程度。该规定是对结构刚度的评估，当采用小截面、高强度的构件时，其结构刚度趋于降低。因此，当使用高强钢时，设计人员应当注意，结构的二阶效应更加显著。

抗震设计

《建筑抗震设计规范》GB50011和《钢结构设计标准》GB 50017的第17章对Q460及其以下钢材等级的钢结构抗震设计进行了规定，《高强钢结构设计标准》JGJ/T 483中对Q690及其以下钢材等级的钢结构抗震设计进行了补充规定。

《建筑抗震设计规范》GB 50011给出了建筑抗震性能化设计原则和方法，其涵盖了高达 300m且抗震设防烈度高达 9 度的钢结构（包括钢框架、中心支撑框架和偏心支撑框架）设计规定；《钢结构设计标准》GB 50017对高度小于100 m 且抗震设防烈度小于 8 度的钢结构设计进行了规定。

《建筑抗震设计规范》GB 50011和《钢结构设计标准》GB 50017均对抗震钢结构塑性耗能区所用钢材的实测力学性能进行了规定，例如对于要求形成塑性铰的梁构件，其所用钢材应满足本设计指南5.3节中的延性要求。此外，所用的钢材还应具有良好的焊接性能和合格的冲击韧性。表1.1中列举的Q345GJ、Q345 和 Q390钢（≤63mm）均满足上述延性要求。对于偏心支撑框架，《建筑抗震设计规范》GB 50011中规定其消能梁段的钢材屈服强度不应大于345MPa。

对于结构中不会产生大的塑性应变的区域，高强钢可以应用于此类区域并提供足够的延性。《高强钢结构设计标准》JGJ/T 483规定，对于塑性耗能区以外的某些构件，可以采用实测屈强比不超过0.9 且断后伸长率不小于16％的钢材。

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