钢盾宝钢盾学院 - 钢结构产业互联网融媒体平台！
随着钢材生产技术和加工工艺的不断进步，目前可以生产名义屈服强度达到2000 MPa级的钢材。学界将屈服强度在460~690 MPa之间的结构钢材定义为高强度结构钢材，而屈服强度超过690 MPa的结构钢材则被归类为超高强度结构钢材（简称“超高强钢”）。超高强度钢材与普通强度钢材在生产工艺上的差异，使得二者的强度、延性、韧性、屈强比等力学性能均有明显差别。因此，超高强钢材材料性能的变化必然使超高强钢构件的力学性能不同于普通钢构件。
然而，目前国内外对于超高强钢结构尚未有成熟的计算理论和设计方法，各国（地区）的主要钢结构设计规范均仅涵盖屈服强度不超过690 MPa的高强度钢材钢结构的设计，这在极大程度上限制了超高强钢结构的工程应用。超高强钢结构的合理设计方法既是工程界亟需解决的问题之一，也是进一步完善现行设计规范的一个重要研究课题。
该文从材料、截面残余应力分布、构件、连接与节点、结构体系五个层面出发，系统总结了近年来国内外学者针对超高强度钢材钢结构的研究成果。主要内容涵盖：材料的静力拉伸力学性能、循环本构、韧性、抗火性能；截面残余应力分布规律；轴压构件、受弯构件和压弯构件的力学性能；焊接接头、螺栓接头、梁柱节点的力学性能；钢结构相关设计方法及结构力学性能等。文章还对超高强钢结构的进一步研究工作进行了展望，旨在为超高强钢材的计算方法和设计理论提供借鉴，推动其在工程领域的应用。
English Abstract
With the advancement of steel production technology and processing techniques, steels with nominal yield strengths reaching 2000 MPa can now be manufactured. In the academic community, structural steels with yield strengths between 460 MPa and 690 MPa are defined as high-strength structural steels, while those with yield strengths exceeding 690 MPa are classified as ultra-high-strength structural steels (abbreviated as “ultra-high-strength steels”). The different production processes of ultra-high-strength steels compared to conventional strength steels result in significant differences in mechanical properties such as strength, ductility, toughness, and yield-to-tensile ratio. Consequently, the variations in material properties inevitably lead to mechanical behavior of ultra-high-strength steel members that differs from that of conventional steel members.
However, mature calculation theories and design methods for ultra-high-strength steel structures are currently lacking both domestically and internationally. The main steel structure design codes in various countries (regions) only cover the design of high-strength steel structures with yield strengths not exceeding 690 MPa, which greatly limits the engineering applications of ultra-high-strength steel structures. The development of rational design methods for ultra-high-strength steel structures is both an urgent engineering need and an important research topic for further improving current design specifications.
This paper systematically summarizes the research achievements of domestic and foreign scholars on ultra-high-strength steel structures from five aspects: materials, residual stress distribution of sections, members, connections and joints, and structural systems. The main contents include: static tensile mechanical properties, cyclic constitutive behavior, toughness, and fire resistance of materials; residual stress distribution of sections; mechanical properties of axial compression members, flexural members, and combined compression and bending members; mechanical properties of welded joints, bolted joints, and beam-column connections; and relevant design methods for steel structures and structural mechanical properties. The paper also provides prospects for further research on ultra-high-strength steel structures, aiming to provide a reference for calculation methods and design theories of ultra-high-strength steel materials and promote their applications in the engineering field.
一、超高强度钢材的定义与分类
钢材生产技术和加工工艺的进步大幅度提高了钢材的强度和加工性能。随着生产、加工工艺的发展，目前可以生产名义屈服强度达到2000 MPa级的钢材。在这一技术背景下，学术界对结构钢材的强度等级进行了明确划分：屈服强度在460~690 MPa之间的结构钢材定义为高强度结构钢材；而屈服强度超过690 MPa的结构钢材则被归类为超高强度结构钢材（简称“超高强钢”）。
二、超高强度钢材与传统钢材的力学性能差异
超高强度钢材与普通强度钢材的生产工艺不同，使得二者的强度、延性、韧性、屈强比等力学性能均有明显差别。具体而言，随着屈服强度的提高，高强度结构钢材的屈强比增大，断后伸长率减小。这些力学性能的变化必然使超高强钢构件的力学性能不同于普通钢构件。然而，目前国内外对于超高强钢结构尚未有成熟的计算理论和设计方法，各国（地区）的主要钢结构设计规范均仅涵盖屈服强度不超过690 MPa的高强度钢材钢结构的设计，这在极大程度上限制了超高强钢结构的工程应用。超高强钢结构的合理设计方法既是工程界亟需解决的问题之一，也是进一步完善现行设计规范的一个重要研究课题。
三、规范缺失对工程应用的制约
目前各国（地区）主要钢结构设计规范均未涵盖屈服强度超过690 MPa的超高强度结构钢材钢结构的设计，限制了超高强度结构钢材钢结构的工程应用。由于缺少相应规范条文，超高强钢在抗震设防地区的应用也受到限制。
相较于普通强度钢材（如S355），S690钢材的屈服强度和承载力可提高至2倍左右。为了充分发挥I型截面承载力，进行塑性设计时，截面承载力可进一步增加1.15至1.20倍。超高强度钢材的应用可推动建筑行业的可持续发展和国家“双碳”目标的达成，其强度高、设计尺寸和自重小，在大跨、高耸和重载工程中具有良好的应用前景。但是超高强钢结构的力学性能较普通强度钢结构有明显差异，目前各国钢结构设计规范中没有针对超高强钢结构的设计方法。
因此，超高强钢结构的合理设计方法既是工程界亟需解决的问题之一，也是进一步完善现行设计规范的一个重要研究课题。近年来，相关学者对超高强钢结构进行了广泛的研究。
四、研究目的与思路
在上述背景下，该文拟分别从材料、截面残余应力分布、构件、连接与节点、结构体系五个层面出发，对超高强钢的现有相关研究进行系统总结，以期对超高强钢结构的进一步研究提供建议及展望。
该论文从五个层面系统总结了近年来国内外学者针对超高强度钢材钢结构的研究成果。
1.1 静力拉伸力学性能
为保证钢结构及其构件具有足够的延性和塑性变形能力，多国钢结构规范对钢材的屈强比和断后伸长率给出了限值。目前各国（地区）主要钢结构设计规范均是针对屈服强度690 MPa级及以下的钢材。在此基础上，文章统计了国内各钢厂生产的高强度钢材及超高强度钢材的材性结果平均值，包括不同钢材等级、钢厂、厚度下的弹性模量、屈服强度、屈服平台末端应变等关键力学性能指标。
1.2 循环本构
超高强钢在地震等往复荷载作用下的循环本构关系是评估其抗震性能的重要基础。文章对超高强钢材在循环荷载作用下的应力-应变关系、滞回特性及硬化规律等方面的研究成果进行了总结。
1.3 韧性
韧性是衡量钢材抵抗断裂能力的重要指标。文章梳理了超高强钢材在不同温度、不同应力状态下的韧性研究成果，包括冲击韧性、断裂韧性等。
1.4 抗火性能
钢材在高温下的力学性能退化是钢结构抗火设计的核心问题。文章对超高强钢材在高温条件下的强度退化、蠕变特性及抗火设计方法等方面的研究进展进行了综述。
焊接是钢结构制作中最主要的连接方式之一，而焊接过程不可避免地在构件截面中产生残余应力。残余应力的存在会影响构件的稳定承载力和疲劳性能。文章对超高强钢材焊接截面的残余应力分布规律、影响因素及测试方法等方面的研究成果进行了总结。
3.1 轴压构件的力学性能
文章系统总结了超高强钢轴压构件的整体稳定性能和局部稳定性能研究成果。
在整体稳定性能方面，针对焊接工字形截面构件、箱形截面构件和圆管截面构件，国内外学者通过试验研究和数值模拟方法，对S960、Q620、Q690、Q800、Q890、Q1100等多种超高强钢材牌号的轴压构件进行了系统研究。主要结论包括：中国规范曲线对于S960焊接工字形截面轴压构件的设计过于保守；对于焊接工字形截面构件，强轴失稳应采用中国规范曲线a类，弱轴失稳构件中Q460~Q800钢采用b类曲线、Q890和Q960钢采用a类曲线；欧洲规范、美国规范和澳洲规范的设计方法对于超高强钢轴压构件的设计偏于保守；对于箱形截面构件，Q690、Q800按b类曲线进行设计，Q890和Q960按a类曲线进行设计；对于Q690钢材的焊接箱形截面宜采用欧洲和中国规范的曲线b，Q800和Q960钢材宜采用欧洲和中国规范曲线a。总体而言，在正则化长细比0.4~1.5范围内，随着钢材屈服强度的上升，截面的稳定系数随之增大；正则化长细比超过1.5后，钢材屈服强度对截面承载力影响不大。
在局部稳定性能方面，研究涵盖了HSA800、S960、Q1100、S700、S900、S1100、S690、S770、Q1350等多种钢材牌号以及焊接工字形、焊接箱形、冷弯箱形、冷弯圆管、热轧箱形、冷弯角钢、冷弯槽钢等多种截面类型。主要研究发现包括：EN 1993-1-12、ANSI/AISC 360-16和AS 4100的板件宽厚比限值和设计公式适用于S960钢；规范中的板件屈服宽厚比限值对S700、S900和S1100冷弯箱形截面不适用，需要采用修正的设计方法；欧洲规范和美国规范的设计方法和截面分类都低估了S700钢圆管截面的局部稳定承载力；随着钢材屈服强度的提高，轴压构件的局部稳定性能会有所提高。研究还提出了适用于Q1100焊接工字形轴压构件局部屈曲截面抗压承载力计算的直接强度法，以及适合S900以上钢材局部屈曲承载力计算的新柱子曲线。
3.2 受弯构件的力学性能
文章对超高强钢受弯构件（梁）的弯曲承载性能、稳定性能及变形能力等方面的研究成果进行了总结。
3.3 压弯构件的力学性能
文章对超高强钢压弯构件在压弯组合受力状态下的承载性能、稳定性能及设计方法等方面的研究进展进行了综述。
4.1 焊接接头
焊接是钢结构中最基本的连接方式。文章对超高强钢材焊接接头的力学性能、焊接工艺、热影响区性能及焊接缺陷控制等方面的研究成果进行了总结。
4.2 螺栓接头
螺栓连接是钢结构装配化施工的重要连接方式。文章对超高强钢材螺栓连接的承压性能、抗滑移性能及设计方法等方面的研究进行了梳理，包括Q690高强钢T型连接极限变形能力、Q690D高强钢-12.9s超高强螺栓T型连接受力性能、超500MPa级高强钢承压型螺栓连接承载力等。
4.3 梁柱节点
梁柱节点是框架结构中的关键部位。文章对超高强钢框架梁柱节点的抗震性能进行了系统总结，包括Q690高强钢端板连接梁柱节点抗震性能试验研究、高强度钢材钢框架梁柱节点抗震性能试验研究、考虑节点域加强的Q690GJ高强钢梁柱节点抗震性能试验研究、基于微观断裂机理的高强钢框架梁柱节点抗震性能有限元分析、带“保险丝”连接板的焊接高强钢梁柱节点抗震性能试验研究等。
文章对超高强钢结构相关设计方法及结构力学性能等方面的研究成果进行了总结。这包括超高强钢框架结构的整体抗震性能、高层及超高层建筑中超高强钢结构的应用等。
通过对超高强度（fy>690 MPa）钢材钢结构研究进展的系统综述，可以得出以下主要结论：
（1）超高强度钢材具有显著的性能优势，但其力学性能（包括强度、延性、韧性、屈强比等）与普通强度钢材存在明显差别。随着屈服强度的提高，屈强比增大，断后伸长率减小。
（2）现行设计规范的缺失是制约超高强钢结构工程应用的主要瓶颈。目前各国（地区）主要钢结构设计规范均仅涵盖屈服强度不超过690 MPa的高强度钢材钢结构的设计。超高强钢结构的合理设计方法既是工程界亟需解决的问题之一，也是进一步完善现行设计规范的一个重要研究课题。
（3）在材料层面，超高强钢的静力拉伸力学性能、循环本构、韧性和抗火性能已取得较为丰富的研究成果，为进一步建立设计方法提供了基础数据。
（4）在构件层面，超高强钢轴压构件的整体稳定性能和局部稳定性能研究最为充分。研究表明，随着钢材屈服强度的提高，轴压构件的稳定承载力和局部稳定性能均有所提高。现有规范的设计方法对于超高强钢构件普遍偏于保守，需要建立针对性的设计方法。
（5）在连接与节点层面，超高强钢焊接接头、螺栓接头和梁柱节点的力学性能已有一定的研究基础，但抗震性能方面的研究仍需进一步深入。
（6）在结构体系层面，超高强钢结构的设计方法和结构力学性能研究尚处于起步阶段，需要更多系统性的研究工作。
（7）后续研究方向：建议在以下方面开展进一步研究：建立超高强钢结构的系统设计理论和计算方法；深化超高强钢结构在抗震设防地区的应用研究；完善超高强钢连接节点和结构体系的抗震性能研究；推动相关设计规范和标准的修订与完善。
