• 作者：杨璐、郭玉莹、陈琳、尹飞 　　
• 出处：《钢结构（中英文）》，2025，40 (03) 　　
• 主题：总结 690MPa 及以上超高强钢的力学性能、节点构造、设计方法、工程应用与未来研究重点
• 现阶段国内外主流钢结构设计规范仅覆盖屈服强度 690MPa 及以下钢材，缺少 fy＞690MPa 超高强钢配套设计计算公式与构造细则，极大限制该类轻量化高性能钢材在建筑、桥梁、特种工程中的规模化落地应用。本文以材料基础特性、截面残余应力、单一构件受力、连接节点构造、整体结构体系五大维度为梳理主线，系统归纳国内外近年针对 Q890、Q960 等超高强度结构钢的试验、理论与数值研究成果。内容涵盖钢材静力拉伸指标、往复荷载循环本构、低温冲击韧性、高温抗火衰减规律；焊接成型 H 型钢、箱型截面残余应力分布特征；轴压、受弯、压弯构件稳定承载力与屈曲失效模式；熔透焊接接头、大规格高强螺栓连接、梁柱刚接节点的滞回耗能与破坏机理；超高强钢框架、空间网格结构整体抗震、抗侧力学行为与现有设计修正方法。文章全面剖析超高强钢应用现存短板，从材料改良、节点优化、计算理论、工程配套、标准编制层面指明后续核心研究方向，可为超高强钢构件承载力验算、节点构造优化、成套结构体系研发、行业规范补充修订系统梳理理论依据与试验参考，助力超高强度钢材实现轻量化、低碳化工程推广。

一、研究背景与行业应用价值

建筑工业化、双碳绿色建造背景下，轻量化是钢结构核心发展方向。fy＞690MPa 超高强钢包含 Q890、Q960 等热处理型低合金钢材，同等承载力条件下相较 Q355 普通钢材可减少 30%~45% 钢板厚度，显著降低结构自重、减少钢材冶炼隐含碳排放，同时缩小构件截面尺寸，释放建筑室内可用空间，在超高层巨柱、大跨度空间桁架、重型工业厂房、风电支架、跨海桥梁等场景具备不可替代优势。

但该类钢材存在明显应用壁垒：超高强钢塑性变形能力、应力重分布能力弱于常规强度钢材，焊接热影响区易出现韧性下降、冷裂纹风险；现行国标《钢结构设计标准》、国内外欧美钢结构规范均未建立适配 fy＞690MPa 钢材的稳定系数、节点折减系数、抗火验算模型；工程设计多依靠保守折减，造成材料强度无法充分利用，经济性大打折扣。

当前国内外研究较为分散，缺少覆盖材料 — 截面 — 构件 — 节点 — 整体结构的系统性综述文献。基于该行业空白，本文整合近十年国内外试验数据与理论成果，分层梳理超高强钢全套力学行为规律，明确技术瓶颈与未来攻关重点，填补超高强钢结构体系综述研究空白。

二、五大维度国内外研究成果系统梳理

（一）超高强钢材料基础力学性能研究

1. 静力单调拉伸特性fy＞690MPa 钢材无明显屈服平台，采用 0.2% 残余应变定义屈服强度；屈强比普遍偏高，塑性变形区间窄，构件达到极限承载力后无平缓强化阶段，破坏呈现突发性；随钢材强度提升，断后伸长率持续下降，构件塑性内力重分布能力大幅减弱，不能直接沿用普通低碳钢塑性设计思路。
2. 循环荷载滞回与抗震本构往复低周加载试验表明，超高强钢循环硬化 / 软化规律与普通钢材差异显著，循环加载后期承载力快速跌落；现有通用钢材本构模型难以精准复现滞回曲线，国内外学者分别提出适配 Q890、Q960 钢材的修正滞回本构，用于框架、节点地震时程数值模拟。
3. 低温韧性与断裂性能超高强钢对厚度、焊接热输入敏感，厚板构件低温冲击功衰减明显，低温环境下易发生脆性断裂；现有研究明确不同厚度、不同热处理工艺钢材的韧脆转变温度，给出低温工程选材厚度限值。
4. 高温抗火力学衰减规律高温作用下超高强钢强度、弹性模量下降速率高于 Q355 钢，500℃以上承载力折减幅度更大；现有抗火试验划分不同升温速率下钢材强度衰减曲线，提出超高强钢防火涂料厚度配套修正方案。

（二）超高强钢焊接截面残余应力分布规律

轧制、焊接成型的 H 型钢、矩形箱型截面存在残余拉、压应力，直接影响构件稳定承载力：

1. 超高强钢焊接冷却过程温差大，焊缝区域残余拉应力峰值接近材料屈服强度，极易诱发焊缝微裂纹；
2. 同等板厚条件下，超高强钢截面残余应力幅值高于普通高强钢，残余应力分布区间更窄；
3. 现有研究建立不同坡口形式、焊接热输入、板厚下的残余应力简化分布模型，修正轴心受压构件稳定系数计算偏差。

（三）超高强钢单一构件受力性能

论文汇总大量轴压、纯弯、压弯构件足尺试验，梳理构件屈曲失效特征：

1. 轴心受压构件：板件宽厚比限值严于常规钢材，宽厚比超标极易发生局部屈曲，提前丧失整体稳定；规范原有宽厚比限值不适用于 fy＞690MPa 钢材，需重新修正局部稳定控制阈值。
2. 受弯构件：高强钢薄腹板构件易发生剪切屈曲，受弯局部稳定折减系数偏大，截面塑性发展系数取值受限，不推荐采用塑性内力重分布设计。
3. 压弯构件：弯剪扭耦合受力下，超高强钢构件交互稳定曲线与现有规范公式偏差明显，学者提出适配超高强钢的压弯承载力修正计算公式。

（四）焊接、螺栓连接与梁柱节点体系研究

节点是制约超高强钢工程应用的核心薄弱环节，现有研究分为焊接接头、螺栓连接、完整梁柱节点三类：

1. 焊接接头超高强钢焊接热影响区晶粒粗化，韧性大幅降低，易产生冷裂纹、层状撕裂；试验表明低氢型专用焊材、控制热输入、预热缓冷工艺可改善接头性能；接头破坏多发生于热影响区而非母材，节点承载力折减不可忽略。
2. 高强螺栓干式连接超高强钢连接板接触面抗滑移系数、端部撕裂承载力与普通钢材不同，螺栓孔周边应力集中严重；现有试验给出适配超高强钢板材的螺栓孔径、边距、端距优化构造，提出连接承载力折减系数。
3. 梁柱节点抗震性能全焊接刚性节点、端板螺栓节点往复加载下塑性变形集中于焊缝与连接板，主体超高强钢梁柱难以进入塑性；相比普通钢节点，超高强钢节点滞回环捏缩更明显，耗能能力偏弱；学者提出增设外置耗能阻尼、狗骨式削弱梁端等改良方案，实现损伤转移至可拆卸配件，保护超高强钢主体构件。

（五）超高强钢整体结构体系性能

现有试验与数值模拟多针对多层钢框架、大跨度空间网格结构：

1. 纯超高强钢框架：结构整体刚度大、自重轻，但地震作用下塑性变形集中于节点区域，主体梁柱几乎无耗能，抗震韧性不足；
2. 混合高强钢体系：主体巨柱、桁架采用 fy＞690MPa 超高强钢，次要梁、支撑采用 Q355 普通钢材，实现刚度与耗能协同匹配，是现阶段工程最优搭配方案；
3. 空间网格、桁架结构：超高强钢可大幅减小杆件截面，提升建筑通透度，但需严格控制杆件长细比与节点刚度，防止局部失稳引发整体连续倒塌。

三、当前 fy＞690MPa 超高强钢结构应用核心行业痛点

1. 规范标准体系缺失：国内外现行钢结构设计规范无专门针对 fy＞690MPa 钢材的稳定、节点、抗火成套计算条款，设计仅能保守套用 Q690 相关公式，材料强度利用率低。
2. 材料塑性与抗震短板：超高强钢屈强比高、塑性储备不足，地震作用下难以形成多道塑性耗能防线，纯超高强钢框架抗震韧性较差。
3. 焊接施工难度高：厚板超高强钢焊接预热、层间温度、后热工艺管控严苛，中小型加工厂施工配套条件不足，焊接接头脆性断裂风险高。
4. 节点配套构造不完善：现有标准节点图集均基于普通强度钢材编制，缺少适配超高强钢的端板、加劲肋、螺栓布置标准化构造。
5. 长期耐久研究不足：超高强钢腐蚀、疲劳、冻融循环下力学衰减规律试验数据偏少，海洋、寒冷腐蚀环境工程应用缺少完善理论支撑。+

四、超高强钢结构后续核心研究发展方向

1. 材料层面：开发低屈强比、高韧性改良型超高强钢，优化热处理工艺，降低焊接热影响区性能劣化；开展长期高温、腐蚀耦合作用下材料性能衰减长期试验。
2. 构件与截面层面：建立 fy＞690MPa 钢材专用局部稳定、整体稳定计算公式，完善宽厚比、长细比分级限值；开发高效薄壁复合截面，平衡承载力与塑性变形能力。
3. 节点构造层面：研发兼具高承载力与优良耗能能力的复合自复位节点、外置阻尼耗能节点，实现 “主体超高强钢弹性、配件耗能损伤可控”；编制超高强钢专用焊接、螺栓连接标准节点图集。
4. 设计理论层面：修正压弯构件交互稳定方程、抗火承载力折减模型，形成完整超高强钢结构计算理论，为国家标准、团体标准修订提供试验依据。
5. 工程成套体系层面：推广 “超高强钢承重主体 + 普通高强钢耗能构件” 混合结构体系；开展超高层、大跨度场馆、特种工业厂房示范工程实测，形成分场景标准化应用方案。
6. 绿色低碳配套研究：量化超高强钢全生命周期碳排放，建立轻量化减碳核算方法，推动超高强钢作为双碳背景下主流轻量化结构材料。

五、综述核心研究结论与工程应用价值

1. fy＞690MPa 超高强度钢材轻量化优势突出，可大幅减少用钢量、降低建造碳排放，但塑性储备低、焊接性能敏感、规范配套缺失等问题制约其规模化推广，不能直接照搬普通强度钢材的设计与施工方法。
2. 从材料、残余应力、单一构件、连接节点、整体结构五大维度的现有试验成果显示：超高强钢稳定承载力、节点性能、高温力学行为均与 Q690 及以下钢材存在显著差异，必须配套专属修正计算参数与构造措施。
3. 纯超高强钢框架抗震耗能能力偏弱，推荐采用混合高强钢结构体系，搭配外置耗能节点、屈曲约束支撑实现分级耗能，兼顾轻量化与抗震韧性。
4. 焊接接头脆性、螺栓连接板应力集中是超高强钢结构主要薄弱部位，通过专用焊接工艺、优化节点几何构造可有效提升连接安全储备。
5. 本文系统梳理的国内外试验数据、力学规律、现存技术瓶颈与后续攻关方向，可为超高强钢构件验算、节点优化、示范工程设计、行业标准编制提供完整理论与试验支撑，推动超高强度钢材在轻量化低碳钢结构领域规范化落地应用。