技术前沿

作者：郭彦林，窦超　　 出处：《工程力学》，2020，37 (05) 　　主题：整体提升、滑移施工、位形控制、监测技术 期刊官方阅览链接：http://www.engineeringmechanics.cn/cn/article/id/8c721f5d-7293-42f1-b26c-38df9c762c51大跨度空间网格、桁架、索穹顶类钢结构存在刚度弱、施工成型路径复杂、安装阶段受力与使用阶段差异显著等特征，传统高空散拼工艺易产生累积安装误差、杆件超限应力、整体位形偏离设计值等安全隐患。本文系统梳理国内大型场馆、会展中心、交通枢纽等工程主流安装工法，围绕地面拼装整体液压提升、分段累积滑移两大核心成套施工技术展开全过程力学分析；构建 “数值仿真预演 — 现场闭环监测 — 动态纠偏调控” 一体化位形控制体系，推导提升吊点同步差限值、滑移轨道摩擦力补偿、临时支撑拆撑卸载分级计算方法；依托多座实际大跨空间钢结构工程实测数据，对比两类工法在结构应力演化、成型精度、临时体系造价、施工安全管控难度上的差异化特征；总结应变传感、三维激光扫描、液压同步控制系统组合式全过程监测技术实施流程，剖析当前施工控制存在的成型偏差累积、不同步加载失稳、柔性索结构张拉精度难控等行业突出难题；分刚性网格结构、预应力柔性空间结构给出配套控制优化策略。研究形成完整大跨度空间钢结构施工力学分析与动态调控技术框架，可为大跨钢屋盖安装方案选型、施工全过程仿真验算、现场精度与应力安全管控提供系统理论支撑与工程实操标准。一、研究背景与研究意义大跨度空间钢结构广泛应用于体育馆、会展展馆、交通枢纽航站楼等公共建筑，包含空间桁架、单层网格、弦支穹顶、张弦梁等多种结构形式。该类结构自重轻、跨度大、整体刚度偏弱，安装成型过程属于典型时变力学体系：施工阶段临时支撑、提升吊点、滑移轨道会改变结构传力路径，杆件应力、整体变形持续动态变化，若缺乏精准施工控制极易出现三类重大风险：安装误差逐层累积，完工后整体位形、标高偏离设计允许范围，影响屋面围护、幕墙安装与结构受力分配；提升、滑移过程各支点不同步，局部杆件产生远超设计值的附加应力，引发局部屈曲、焊缝开裂；拆撑、预应力张拉工序管控不当，结构发生不可逆塑性变形，降低建筑长期服役安全储备。现阶段工程应用中，整体提升、累积滑移是替代高空散拼的主流高效工法，但缺少统一的全过程力学计算标准、同步位移控制阈值与闭环监测调控体系；现有研究多单一针对某一项施工工艺开展局部分析，未形成覆盖刚性、柔性两类大跨空间结构的通用施工控制理论。基于该行业技术缺口，本文整合多工程实测与数值仿真成果，系统完善大跨度空间钢结构施工全过程控制技术体系。二、两大主流工业化安装工法力学与控制要点（一）地面拼装整体液压提升施工技术整体提升工艺指在地面搭设拼装胎架完成整片钢屋盖完整焊接拼装，通过顶部永久柱或临时提升塔架布置多组液压提升器，将完整结构同步提升至设计标高后完成对接锁定，适用于底部无落地支撑条件、高空散拼难度大的大跨屋盖工程。全过程力学仿真控制要点采用非线性有限元软件建立包含提升支架、临时吊具、主体钢结构的一体化时变模型，模拟试提升、分级提升、就位锁定、拆撑全流程；计算各吊点理论分配荷载，分析吊点高差带来的附加弯矩，确定允许最大不同步位移差值；对应力超标杆件增设临时加固杆，对提升塔架、基础开展承载力与抗倾覆验算。同步提升闭环调控机制采用计算机集群同步液压控制系统，各提升油缸实时上传位移、压力数据，当任意两点高差超过规范限值时系统自动降速、单独微调，实现多吊点同步匀速上升；提升全程划分多级加载阶段，每提升 5~8m 暂停复测标高与杆件应力，形成 “仿真预判 — 实时监测 — 动态纠偏” 闭环管控。适用场景与短板优势：地面完整拼装，焊接质量、尺寸精度易管控，高空作业量大幅减少；短板：需设置专用提升支架，大重量屋盖对基础承载力要求高，小跨度低矮场馆经济性偏弱。（二）分段累积滑移施工技术滑移施工在建筑一端设置拼装平台，分段完成空间桁架、网格单元拼装后，通过轨道液压顶推设备沿屋面永久梁或临时滑移轨道向另一端累积滑移，逐段拼接直至整体就位，适合长条矩形会展、航站楼连续大跨屋盖。滑移力学与摩擦力补偿控制轨道滑动摩擦阻力、滑移单元自重会造成轨道梁、下部混凝土柱附加水平推力，论文给出摩擦力分级计算与抵消方案；滑移单元两端设置限位挡块与侧向约束装置，防止滑移过程结构侧向倾覆；建立多段累积滑移内力演化模型，预判拼接段结合处应力集中区域并优化截面。分段成型位形偏差控制每一段滑移单元拼装完成后采用三维激光扫描采集轮廓数据，与理论 BIM 模型比对，提前修正胎架拼装误差；滑移轨道设置标高微调垫块，补偿轨道沉降、压缩变形带来的竖向位形偏差，避免多段拼接后累积误差超标。适用场景与短板优势：无需大面积地面拼装场地，可分批次流水施工，适配超长连续大跨结构；短板：轨道系统、侧向限位构造增加临时工程投入，弧形、不规则曲面空间网格滑移难度大。三、大跨度空间钢结构全过程位形控制核心理论施工位形控制核心目标是消除安装、提升、滑移、拆撑全流程累积变形，保障完工后结构标高、曲线轮廓、节点坐标满足设计允许偏差，论文建立分层级控制体系：前置预调控制：拼装胎架预设反向预拱值，抵消自重、施工荷载产生的下挠变形，预拱数值通过全过程仿真计算确定；过程动态纠偏：提升、滑移阶段依托液压设备实时调整各支点竖向、水平位移，限制单次纠偏量避免冲击荷载；卸载拆撑分级控制：结构就位后临时支撑、提升吊具不能一次性同步拆除，采用分级缓慢卸荷方案，每一级释放少量支撑力，实时监测杆件应力与整体变形，防止内力突变造成塑性损伤；柔性预应力结构专项位形调控：针对弦支穹顶、张弦梁，提出 “位移 - 荷载双控” 张拉算法，同步管控索力与结构整体位形，规避单一控力或控位移带来的成型偏差。四、多维度组合式施工安全监测技术体系论文整合接触式传感与非接触扫描监测手段，搭建全覆盖实时监测系统，为施工控制提供数据支撑：应力应变监测：在桁架上下弦、网格关键杆件、提升吊点连接节点布设光纤光栅应变传感器，实时采集施工全过程应力变化，设置应力预警阈值，数据超限自动报警；位移位形监测：搭配全站仪、三维激光扫描仪两类设备，阶段性扫描整体结构轮廓，精准捕捉整体下挠、侧向偏移、节点坐标偏差；液压提升系统内置高精度位移传感器，实时同步各吊点高差；环境与辅助监测：同步采集现场风速、温度数据，修正温度变形带来的位形测量误差；对提升支架、滑移轨道基础增设沉降观测点，预防基础不均匀沉降引发结构失稳。实测数据与有限元仿真结果双向比对，持续修正计算模型参数，提升后续工况预判精度。五、当前大跨空间钢结构施工控制现存行业痛点时变施工仿真普及度低，多数项目仅做使用阶段静力计算，忽略提升、滑移、拆撑过程临时附加内力，存在安全预判盲区；同步控制标准缺失，不同地区、不同工法的吊点高差、滑移顶推速度、分级卸荷步长无统一量化限值，管控尺度差异大；柔性索膜组合空间结构张拉 - 位形耦合控制难度高，单一控索力易造成整体成型曲面不达标；现场监测数据与仿真模型脱节，多项目仅事后采集数据，缺少实时联动自动纠偏的闭环系统；异形曲面、不规则空间网格缺少标准化胎架预拱、滑移轨道布置设计方法，误差累积难以管控。六、分类型结构配套施工控制优化方案刚性空间网格、桁架屋盖（体育馆、会展中心）：优先选用整体提升或累积滑移工法，重点管控吊点 / 滑移支点同步位移、胎架预拱值、分级拆撑卸荷，以应力、标高双指标作为控制依据；预应力柔性空间结构（弦支穹顶、张弦梁）：采用 “位移荷载双控” 张拉工艺，同步监测索力与整体曲面位形，分多循环逐级张拉，避免一次性张拉造成局部杆件过载；异形曲面不规则大跨钢结构：减少超长分段滑移，采用分块地面拼装小型单元高空对接，搭配三维扫描逐块校正节点坐标，严控分段拼接累积误差。七、论文核心研究结论与工程应用价值地面整体液压提升、分段累积滑移是大跨度空间钢结构两类主流高效工业化安装工法，二者适用场景、受力特征、管控重点差异显著，可依据场地条件、建筑平面形态完成方案选型；完整施工控制需构建 “仿真预演 — 同步设备调控 — 多手段实时监测 — 分级动态纠偏” 一体化体系，核心管控目标分为杆件应力安全与整体成型位形精度两大维度，同步控制高差、预拱值、分级卸荷是防控失稳与偏差累积的关键措施；光纤应变传感 + 三维激光扫描组合监测体系，可完整捕捉提升、滑移、拆撑全过程结构内力与变形演化，实测数据可校准有限元时变模型，大幅提升施工风险预判准确性；针对刚性网格与预应力柔性空间结构分别提出差异化位形、应力控制策略，其中 “位移 - 荷载双控” 张拉算法可有效解决柔性索结构成型精度难以兼顾的行业难题；本文梳理的全过程施工力学仿真流程、同步控制限值、闭环监测实施工艺、拆撑分级卸荷计算方法，可为各类大跨度空间钢结构安装专项方案编制、超限施工安全评审、现场施工质量管控提供成套理论与实操技术参考。

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。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。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。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：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；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；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：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。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。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：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。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。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：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；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；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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

作者：王东坡，吴世品，李午申　　 出处：《焊接学报》，2021，42 (08) 　　主题：高强钢焊接工艺、韧性控制、冷裂纹防治 Q690 调质型高强钢厚板广泛应用于重型厂房、工程机械、超高层巨型钢柱等承重钢结构，板材厚度增大后淬硬倾向显著提升，焊接接头易产生冷裂纹、热影响区韧性大幅衰减等缺陷，直接降低结构承载与抗震安全储备。本文选用工程常用 40mm 厚度 Q690 钢板为试验母材，围绕预热温度、焊接热输入、配套焊材、层间温度四大关键工艺参数设计多组对比焊接试验；通过硬度检测、低温冲击韧性试验、光学金相观测、斜 Y 形坡口焊接冷裂纹试验，系统分析不同工艺条件下焊缝、熔合线、粗晶热影响区的组织演变、硬度分布与低温冲击功变化规律；量化判定预热温度、热输入量对冷裂纹萌生概率、接头低温韧性的调控作用，明确可同时满足防裂与韧性要求的工艺参数区间；针对厚板多层多道焊提出优化焊接操作方案，完善层间控温、后热消氢成套工艺措施；总结厚板焊接热影响区脆化机理与组织调控思路，形成适配大厚度 Q690 高强钢的标准化焊接工艺体系，为重型钢结构厚板现场焊接施工、焊接工艺评定提供完整试验依据与实操控制标准。一、研究背景与研究意义Q690 属于低合金调质高强钢，依靠淬火加回火热处理获得高强度，同等承载力下可大幅缩减构件截面，实现钢结构轻量化、降碳减材。在重型工业支架、风电塔筒、超高层钢管混凝土巨柱等工程中，常采用 30～60mm 厚钢板加工构件。该类厚板焊接存在两大突出工程难题：一是钢材碳当量偏高，焊接冷却过程极易形成高硬度淬硬马氏体组织，在扩散氢与焊接残余拉应力共同作用下诱发延迟冷裂纹，裂纹隐蔽性强，服役阶段持续扩展易引发构件突发性断裂；二是厚板焊接热传导慢、热输入累积大，粗晶热影响区晶粒异常粗大，低温冲击韧性显著下降，高烈度地震、低温严寒地区结构存在脆性破坏风险。当前施工现场焊接工艺选取多依靠经验，预热温度、热输入、后热制度缺少量化试验支撑，工艺参数把控失衡极易同时出现裂纹与韧性不达标双重问题。现有研究多针对薄板开展试验，针对 40mm 及以上大厚度 Q690 钢板的系统性工艺对比研究不足。基于工程实际需求，本文开展多变量焊接对比试验，厘清工艺参数对接头组织与力学性能的影响规律，建立兼顾防裂与韧性的标准化焊接控制方案。二、试验材料、试件制备与检测方案（一）试验母材与焊接耗材试验母材为 40mm 厚工程通用 Q690 调质钢板，检测实测碳当量、屈服强度、抗拉强度、常温与 - 20℃低温冲击韧性；配套选用两类低氢型高强匹配焊材开展对照：实芯气体保护焊丝、低氢碱性焊条，两类焊材均严格控制扩散氢含量，降低冷裂纹生成基础条件。（二）试验变量设计设置多梯度对照变量，覆盖现场施工常见参数范围：预热温度：不预热、80℃、120℃、160℃、200℃五组梯度；焊接热输入：小、中、大三档热输入，匹配多层多道埋弧焊、手工电弧焊两种工艺；层间温度：控制区间 80～250℃分档管控；后热消氢处理：保温 250℃持续 1h、2h 两组对比，同步设置无后热对照组。（三）全套检测试验手段斜 Y 形坡口焊接冷裂纹试验：定量统计不同预热条件下焊缝根部、熔合线冷裂纹率，判定防裂最低预热阈值；维氏硬度测试：沿焊缝、熔合区、粗晶热影响区、细晶区、母材连续打点检测硬度，明确淬硬组织分布范围；低温冲击韧性试验：制取 V 型缺口冲击试样，试验温度 - 20℃，测定各区域冲击功，评估接头抗脆断能力；金相显微观测：观察不同工艺下热影响区晶粒尺寸、马氏体 / 贝氏体组织占比，揭示韧性优劣微观机理；外观与无损探伤：焊后外观检查 + 超声波探伤，统计微裂纹、夹渣、未熔合缺陷出现概率。三、工艺参数对焊接接头性能的影响规律（一）预热温度对冷裂纹与硬度的控制作用无预热 / 低温预热（80℃及以下）：焊缝冷却速度快，热影响区大量生成高硬度马氏体，斜 Y 形试验裂纹率接近 100%，接头最高硬度远超规范安全限值，延迟冷裂纹风险极高；预热 120～160℃区间：钢板整体冷却速率放缓，淬硬组织占比大幅下降，扩散氢有充足时间逸出，冷裂纹基本完全消除，接头硬度回落至安全区间；预热温度超过 200℃：完全杜绝冷裂纹，但长时间高温会造成热影响区晶粒过度粗化，低温冲击功明显下降，出现接头韧性劣化问题，同时增加施工能耗与工期成本。试验得出最优预热温度区间 120～160℃，平衡防裂需求与接头低温韧性。（二）焊接热输入双重影响机理低热输入焊接：冷却速度快，淬硬倾向提升，冷裂纹风险上升，但热影响区晶粒细小，低温韧性相对优良；大热输入焊接：冷却放缓可抑制马氏体生成，降低裂纹风险，但高温停留时间过长，粗晶区晶粒急剧长大，冲击韧性大幅衰减；工程推荐中等热输入区间，多层多道分层施焊，单道焊接热输入不宜过大，避免单道厚焊造成晶粒粗化。（三）层间温度管控要求多层多道厚板连续焊接时，层间温度不可低于最低预热温度，防止后续焊道冷却过快诱发局部淬硬；同时层间温度不宜高于 250℃，持续高温累积会持续粗化晶粒，弱化接头抗冲击能力，现场采用测温枪实时监控，超温暂停施焊自然降温至允许区间再继续焊接。（四）后热消氢工艺防裂效果焊后及时 250℃保温 1h 及以上后热处理，可加速焊缝与热影响区内部扩散氢向外逸散，大幅消除延迟冷裂纹隐患；无后热工艺下，即使满足预热要求，厚板内部氢聚集仍会在焊后数小时至数天出现隐蔽延迟裂纹；对于低温严寒地区、受动荷载关键承重构件，强制要求焊后立即开展消氢后热。四、Q690 厚板焊接热影响区脆化微观机理金相观测结果显示，接头性能薄弱区域集中在粗晶热影响区：预热不足、低热输入条件：组织以高硬度片状马氏体为主，塑性极差，冲击功低，极易萌生裂纹并快速扩展；热输入过大、高温预热超温：奥氏体晶粒急剧粗化，冷却后形成粗大贝氏体 + 少量马氏体混合组织，晶界成为裂纹扩展通道，低温冲击韧性显著降低；120～160℃适中预热 + 中等热输入工艺：热影响区以细小针状贝氏体为主，硬度适中，兼具抗裂能力与优良低温韧性，是理想微观组织形态。多层多道焊后续焊道的回火作用可细化前道粗晶组织，适当改善接头整体韧性，因此厚板严禁单道一次填满坡口。五、适配 40mm 级 Q690 厚板成套标准化焊接工艺焊材选型：选用超低氢碱性配套焊材，焊材使用前按规范高温烘干、保温存放，杜绝水分带入增加扩散氢含量；预热管控：板厚 40mm Q690 钢板整体预热 120～160℃，坡口两侧各延伸不小于 3 倍板厚范围同步加热，避免局部温差；低温环境施工预热温度上调至 160℃；焊接操作：采用多层多道窄道焊，严控单道热输入，道间清理焊渣，实时监测层间温度维持 80～250℃；焊后处理：施焊完成后立即进行 250℃保温 1h 消氢后热，保温完成后缓慢冷却，禁止吹风、浇水快速降温；质量检测：焊后静置 24h 待扩散氢充分逸出后再开展超声波无损探伤，排查延迟冷裂纹。六、当前 Q690 厚板焊接现存工程短板施工工艺管控难度大：预热、层间温度、后热多道工序需同步把控，现场人工测温易出现管控疏漏，诱发裂纹或韧性不足；低温、动载工况适配性差：严寒地区、承受往复地震、疲劳荷载的构件，常规工艺接头冲击储备不足；厚板多层焊变形控制复杂，残余应力集中叠加淬硬组织，进一步放大裂纹扩展风险；中小加工厂热处理、测温配套设备不足，难以稳定执行消氢后热工艺。七、论文核心研究结论与工程应用价值40mm 厚 Q690 高强钢厚板淬硬倾向高，冷裂纹是焊接首要风险，预热温度、焊接热输入、层间温度、焊后消氢后热是决定接头抗裂性能与低温韧性的四大核心工艺参数，参数区间失衡会同步出现裂纹、韧性劣化两类缺陷；最优施工工艺窗口为预热 120～160℃、中等焊接热输入、层间温度 80～250℃、焊后 250℃保温 1h 消氢处理，该参数区间可彻底抑制延迟冷裂纹，同时保证热影响区具备合格低温冲击韧性；低热输入易诱发淬硬马氏体提升裂纹风险，过大热输入会造成热影响区晶粒粗化、接头低温脆化，厚板优先采用多层窄道焊接，利用后续焊道回火作用优化组织性能；粗晶热影响区是 Q690 厚板接头力学薄弱区域，微观组织形态直接由焊接热循环参数决定，可通过标准化温控工艺实现组织调控；本文通过多组对比试验确定的成套焊接工艺参数、层间与后热管控细则，可直接用于重型钢结构 Q690 厚板焊接工艺评定、现场焊接施工管控，为超高层巨柱、重型工业支架等高强钢厚板构件焊接质量控制提供完整试验支撑。

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：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；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；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；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。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：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；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；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；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：S1 全塑性截面：仅 Q690 薄板可实现，允许截面塑性内力重分布；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；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；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；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；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；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；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：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；设防地震（中震）分级管控：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：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；本土化修正内容：七、标准编制现存技术难点与攻关对策试验数据库不均衡：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；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；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；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；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；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；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；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。