• 作者：钟国辉、石永久、王立军等　　
• 出处：《钢结构》2026 年第 2 期（v.41, No.326）　　
• 主题：超高强钢设计方法、稳定与连接、本构模型、规范编制

期刊阅览链接：http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgS25110701

当前国内现行钢结构规范仅覆盖屈服强度 690MPa 及以下钢材，缺少 Q890、Q960 超高强钢配套设计计算、构造与抗震条文，严重制约轻量化高强钢在超高层、大跨度场馆、重型工业建筑的标准化落地应用。本文依托中国钢结构协会团体标准《690 至 960MPa 高强钢结构设计标准》完整编制过程，系统梳理标准研发全流程核心关键技术；以国产 Q690、Q890、Q960 调质高强钢海量试验数据库为基础，建立适配超高强钢材的单调、循环滞回双套材料本构模型；重新界定板件宽厚比分级阈值、轴压 / 压弯构件整体稳定系数曲线，修正焊接残余应力、初始缺陷对承载力的折减计算方法；针对焊接接头、大规格高强螺栓干式连接、梁柱刚接节点开展承载力与延性分级，明确不同强度钢材连接构造限值与抗力分项系数；构建分层级抗震性能化设计体系，区分 Q690 与 Q890/Q960 钢材弹塑性分析适用边界；同步对比欧盟 EN1993 系列规范设计逻辑，完成中外标准计算体系对标与本土化适配优化；针对材料冶炼、焊接施工、耐久性、防火验算配套补充专项控制条款。文章完整剖析超高强钢标准编制中的技术难点与解决路径，可为结构设计人员规范应用 690~960MPa 高强钢、后续国家规范修订、超高强钢成套技术研发提供体系化理论与试验支撑。

一、研究背景与标准编制立项意义

建筑轻量化、双碳低碳转型推动 690~960MPa 高强钢快速普及，同等承载力下相较 Q355 钢材可削减 30% 以上用钢量，大幅降低建材隐含碳排放。但现有国标《钢结构设计标准》GB 50017、行业标准 JGJ/T 483 仅针对≤690MPa 钢材，存在多重技术空白：

1. 材料层面：缺少超高强钢循环滞回本构、低温 / 高温力学衰减量化模型，无法支撑弹塑性抗震数值分析；
2. 构件稳定层面：原有宽厚比、稳定系数曲线基于普通钢材标定，超高强钢屈强比高、塑性储备低，直接套用会高估承载力，存在安全隐患；
3. 连接节点层面：焊接热影响区脆化、高强螺栓滑移、端部撕裂缺少专属折减公式，节点构造无统一标准；
4. 抗震层面：Q890/Q960 钢材塑性变形能力极弱，无法照搬常规钢框架塑性耗能设计思路，无分级性能目标管控要求。
5. 为此中国钢结构协会牵头，联合清华大学、香港理工大学、钢企、设计院、施工单位组建编制组，整合近十年国内足尺试验成果，参考欧洲钢结构规范体系，编制专用团体标准。本文作为标准编制综述，完整拆解全部核心攻关技术，填补超高强钢规范编制系统性研究空白。

二、标准编制第一大核心技术：690~960MPa 高强钢材料本构与材料性能指标体系

（一）静力单调拉伸本构模型

超高强钢无明显屈服平台，采用 0.2% 残余应变定义屈服强度；屈强比随强度提升持续升高，Q960 钢材断后伸长率显著低于 Q690。编制组基于上千组母材拉伸试验，建立分段式多折线本构，区分弹性段、强化段、软化断裂段，给出不同板厚、热处理工艺的强度、伸长率标准限值，纳入标准材料章节强制指标。

（二）地震往复荷载滞回本构模型

常规随动强化模型难以复现超高强钢循环硬化、后期承载力快速跌落特征。编制组提出改良混合强化滞回本构，区分 Q690、Q890、Q960 三组参数：

1. Q690：具备一定循环塑性变形能力，可用于整体弹塑性时程分析；
2. Q890、Q960：循环加载下塑性发展极有限，标准限定仅可采用弹性整体计算，塑性耗能构件必须搭配低屈服支撑、外置阻尼配件。

（三）多环境耦合材料性能控制条款

1. 低温韧性：明确不同厚度钢材韧脆转变温度，严寒地区限定最高使用板厚；
2. 高温抗火：建立 690~960MPa 钢材高温强度、弹性模量折减曲线，配套防火涂料厚度修正计算方法；
3. 焊接配套指标：统一碳当量、冷裂纹敏感指数 Pcm 限值，划分不同板厚预热、后热工艺最低要求，写入标准施工配套附录。

三、标准编制第二大核心技术：构件稳定与截面设计修正方法

普通钢材稳定计算体系不适用于超高强钢，编制组通过大量短柱、压弯构件试验，完成全套稳定计算体系重构。

（一）板件宽厚比全新分级限值

超高强钢板件易发生局部屈曲，原有宽厚比限值大幅放宽，标准重新划分 S1~S4 四级截面：

1. S1 全塑性截面：仅 Q690 薄板可实现，允许截面塑性内力重分布；
2. S2~S4 截面：Q890、Q960 仅能达到弹性截面，禁止采用塑性设计。同步给出焊接工字形、箱型、圆管截面专属宽厚比计算公式。

（二）轴心受压构件稳定系数曲线

考虑超高强钢焊接残余应力幅值更大、初始缺陷敏感度更高，回归生成 690、890、960MPa 三条独立稳定 φ 曲线，区分轧制截面、焊接截面两类工况，替代原规范单一曲线。

（三）压弯构件承载力交互计算公式

原有压弯相关方程基于普通钢材塑性储备推导，对超高强钢偏不安全。编制组结合数百组压弯构件试验数据，修正弯剪轴力耦合交互系数，区分平面内、平面外稳定验算两套公式。

（四）残余应力简化计算模型

实测显示同等板厚下超高强钢焊缝残余拉应力接近母材屈服强度，标准给出焊接 H 型钢、箱型截面残余应力简化分布模型，用于稳定承载力数值校准。

四、标准编制第三大核心技术：焊接、螺栓连接与节点成套设计规定

节点是超高强钢结构薄弱环节，编制组分焊接连接、高强螺栓连接、梁柱节点三大板块建立完整设计条文。

（一）焊接接头设计关键规定

1. 母材匹配焊材分级：Q690、Q890、Q960 对应不同强度超低氢焊材，严控扩散氢含量；
2. 接头承载力折减系数：粗晶热影响区韧性衰减，对接、角焊缝承载力引入专属折减系数；
3. 厚板焊接强制工艺条款：厚度≥30mm 超高强钢强制预热、焊后消氢后热，纳入标准强制性条文。

（二）大规格高强螺栓干式连接

1. 接触面抗滑移系数分级：超高强钢板喷砂、抛丸处理摩擦系数低于普通钢材，给出修正取值；
2. 端部撕裂、孔壁承压验算：超高强钢孔边应力集中显著，扩孔、边距端距限值严格收严，新增承压承载力折减公式；
3. 抗震工况螺栓预拉力、滑移控制指标。

（三）梁柱节点抗震分级设计

1. 全焊接刚性节点：塑性变形集中于焊缝热影响区，纯超高强钢节点滞回耗能差；
2. 端板螺栓节点：优化端板厚度、加劲肋布置，避免端板提前撕裂；
3. 标准推荐韧性构造方案：主体采用 Q890/Q960 高强钢承重，梁端设置狗骨削弱段、外置摩擦阻尼、BRB 支撑，将塑性损伤转移至可拆卸配件，保护高强钢主体构件。

五、标准编制第四大核心技术：分层级抗震性能化设计体系

结合超高强钢塑性能力差异，建立差异化抗震管控逻辑，为标准抗震章节核心创新点：

1. 多遇地震（小震）：所有 690~960MPa 高强钢构件全部保持弹性，无塑性损伤；
2. 设防地震（中震）分级管控：
3. 罕遇地震（大震）：

六、中外标准对标与本土化适配关键处理

编制组系统对比欧洲 EN 1993-1-1 高强钢设计体系，兼顾国际互通与国内工程实际，完成双向适配优化：

1. 吸收欧标优势：采用截面宽厚比分级、极限状态分项系数设计逻辑，统一构件验算表达形式，便于国内工程师对外工程交流；
2. 本土化修正内容：

七、标准编制现存技术难点与攻关对策

1. 试验数据库不均衡：Q960 大尺寸压弯、节点足尺试验样本偏少，编制组补充开展多组专项加载试验，完善数据样本库；
2. 塑性与抗震矛盾：超高强钢高强度与低塑性无法兼顾，通过 “主体弹性、配件耗能” 的分离式韧性构造方案化解；
3. 施工工艺配套缺失：中小加工厂超高强钢焊接设备不足，标准增设焊接工艺附录，给出分级施工管控方案；
4. 耐久性长期数据不足：腐蚀、疲劳长期试验数据有限，标准设置阶段性预留条款，后续依据长期试验持续修订完善。

八、论文核心研究结论与行业工程价值

1. 现行国标无法覆盖 690~960MPa 超高强钢设计需求，本次团体标准编制围绕材料本构、构件稳定、连接节点、抗震性能化四大核心技术构建完整计算体系，填补国内超高强钢结构规范空白；
2. Q690 与 Q890/Q960 钢材力学、循环塑性、抗震性能差异显著，标准采取分级管控思路：Q690 可适度利用塑性，Q890/Q960 仅限弹性受力，必须配套外置耗能构件实现抗震韧性；
3. 超高强钢构件稳定、螺栓 / 焊接连接均不能直接套用普通钢材计算公式，本文给出的修正稳定曲线、承载力折减系数、宽厚比限值均基于国产钢材足尺试验标定，计算精度与安全性显著提升；
4. 标准兼顾欧盟规范国际通用逻辑与国内抗震、施工国情，实现中外钢结构设计体系互通，助力国产超高强钢工程技术对外输出；
5. 文中梳理的全套标准编制关键技术、试验标定方法、分强度分级设计思路，可为超高层、大跨度轻量化高强钢项目设计、行业规范更新、超高强钢新材料研发提供权威理论与试验依据，推动建筑钢结构轻量化、低碳化高质量发展。