据统计，我国建筑业碳排放占全部产业碳排放比重高达 51%，大力推动节能减排，加快建立健全绿色、低碳循环的发展经济体系，助力“碳达峰、碳中和”的实现是国家十四五计划的一个重要战略目标。党中央、国务院高度重视钢结构建筑发展，在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》和《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中都明确提出了“推广钢结构建筑体系”，为发展钢结构建筑指明了方向，推广钢结构是建筑业低碳转型的关键。与传统钢筋混凝土结构相比，采用钢结构可以减少 12% 的能源消耗、减少 15% 的二氧化碳排放。有数据显示，发达国家钢结构建筑占总建筑量的比例在40%以上，而我国钢结构建筑占比只有5%–7%，发展空间巨大。1994年发生在美国的北岭地震（Northridge Earthquake）和1995年发生在日本的阪神地震（Hyogoken-Nanbu Earthquake）中，大量钢结构发生了预想不到的脆性断裂破坏，钢框架中发生断裂破坏的部位主要包括梁柱节点和支撑构件的节点。通过震后的大量调查和研究，500余座钢结构建筑的失效破坏主要是由于梁柱节点焊缝的脆性破坏，裂纹沿焊缝融合面扩展断裂引起的节点破坏。高强钢具有高强度、低成本、低碳环保等综合优势，在钢结构工程中具有巨大应用前景。近年来，在我国、美国、欧洲、日本等地的桥梁工程、建筑结构和输电塔架等钢结构工程中，高强钢的应用越来越多（见图1）。与普通钢相比，高强钢屈服强度提高，屈强比增大、断后伸长率减小、延性变差，焊接性能变差，由于缺少相应的规范条文和设计依据，高强钢在抗震设防地区的应用以及推广受到限制。

(a) 北京凤凰中心采用Q460高强钢结构	(b) 香港将军澳跨海大桥Q690高强钢桥拱

图1高强钢的典型工程应用

为此，国家安全与应急管理学院刘俊志博士及其研究团队针对Q690高强钢材料及高强钢结构的材料性能、焊接性能、冷弯效应、冷成型与焊接耦合作用、构件初始局部初始缺陷、短柱截面局部屈曲性能进行试验、数值模拟、以及理论分析的系列研究。通过对比试验数据与数值模拟的承载力结果以及破坏模式来验证有限元模型的有效性。随后通过开展参数分析来针对性研究截面关键参数对短柱力学性能影响规律。随后对现行的设计规范如我国GB50017-2017《钢结构设计标准》、欧洲钢结构设计规范EN1993-1-12以及美国钢结构规范ANSI/AISC360-16等规范设计条文对该类新型截面构件的适用性与可靠性。同时建立适用于Q690高强钢六边形截面性能设计的连续强度法Continuous Strength Method与直接强度法Direct Strength Method研究揭示了冷弯效应与焊接热影响对高强钢短柱截面材料性能的影响规律，建立了沿截面关键部位的残余应力分布模型，明晰了高强钢短柱局部稳定性的设计方法与截面承载力分析理论，该类新型截面高强钢结构在桥梁工程、建筑工程、海洋工程等领域具有良好的应用前景，为国家海洋强国建设规划布局提供了海洋基础设施建设高强钢材料及新型截面应用的新思路，为大型大跨基础设施工程建设应用提供了新方法。

研究成果发表于土木工程/结构工程著名国际顶刊《Engineering Structures》（影响因子：5.5）和《Thin-Walled Structures》（影响因子：6.4）杂志分别发表了题为 “Structural behaviour of high strength steel hexagonal hollow section stub columns under axial compression”和 “Numerical investigation and design for the local buckling behaviour of high strength steel hexagonal hollow section stub columns under axial compression”的研究成果。刘俊志博士为论文第1作者，北京师范大学国家安全与应急管理学院为论文第一单位。以上工作受到北京师范大学人才引进项目、以及香港研究资助局RGC项目的共同资助。

图2 Q690高强钢短柱的残余应力有限元模型模拟

 

图3 有限元模型的破坏模式与试验短柱失效模式进行对比验证

图4 作者提出的基于直接强度法的截面承载性能设计方法

文章引用：

 

J-Z. Liu, H. Fang, T.-M. Chan, Structural behaviour of high strength steel hexagonal

hollow section stub columns under axial compression, Engineering Structures. 268(2022)114653.

 

J-Z. Liu, H. Fang, J. Guo, S. Li, T.-M. Chan, Numerical investigation and design for

the local buckling behaviour of high strength steel hexagonal hollow section stub columns under axial compression, Thin-Walled Structures. 186(2023)110717.

 

https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.114653

https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110717