S1200超高强度钢焊接工字形短柱截面抗压承载力：试验、建模与设计

《Engineering Structures》：Cross-sectional compressive capacity of S1200 ultra-high-strength steel welded I-section stub columns: Testing, modeling and design

　　

摘要

本文报告了关于S1200超高强度钢（UHSS）焊接I型截面短柱的受压性能和承载力的实验与数值研究。首先开展了一系列测试，包括材料试件试验、残余应力测量和14个短柱试验。在完成测试程序后，进行了数值模拟程序，开发了S1200 UHSS I型截面短柱的有限元模型并进行了验证。随后利用已验证的模型开展参数化研究，以获取补充数值数据。所获得的试验与数值结果被用于进行综合设计分析，其中对欧洲、美洲和澳大利亚现行的钢结构设计标准进行了评估，以检验其对S1200 UHSS I型截面短柱设计的适用性。设计分析结果总体上表明，在所考虑的三种设计标准中，美国规范对非细长和细长I型截面均提供了最高的总体预测精度。欧洲规范3（Eurocode 3）对非细长I型截面也表现出良好的一致性；然而，其对细长I型截面的预测略显保守。相比之下，澳大利亚标准产生的预测精度最低，尤其是对细长I型截面，观察到明显的保守性以及相较于所获得的试验和数值结果存在更大的偏差。总体而言，研究结果表明，美国规范最适合S1200 UHSS焊接I型截面的设计。

引言

随着钢铁制造技术的不断演进以及结构性能要求的日益严格，超高强度钢（UHSS）[1]在结构工程中的应用日益广泛，这得益于其优异的力学性能和出色的强度重量比。UHSS在结构工程中具有相当大的潜力，可通过显著减小截面尺寸和结构自重，从而提高材料效率、运输便利性以及可用建筑空间，与传统普通强度钢相比优势明显。近期的一系列研究探讨了S890–S1100 UHSS的材料性能[[2], [3], [4], [5], [6]]、截面行为[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]、构件稳定性[[14], [15], [16], [17]]以及节点性能[[18], [19], [20]]。这些研究表明，UHSS表现出优异的强度特性，为结构应用中的减重和材料效率提升提供了巨大潜力。然而，其结构响应往往由稳定性相关问题而非单一的材料强度所控制。在新兴的UHSS等级中，名义屈服强度为1200 MPa的S1200等级代表了新一代结构钢，具有卓越的承载能力和轻质高性能结构系统的显著潜力。其使用允许进一步优化构件尺寸和结构布局，特别是在对高强度、减少材料消耗和提高施工效率至关重要的应用中。然而，尽管具有这些优势，S1200 UHSS在结构应用中的实际应用仍然有限。这在很大程度上可以归因于缺乏专门的设计指南以及对结构行为的不完整理解。目前仅有少数研究涉及S1200 UHSS结构构件。Azhari等人[21,22]对S1200 UHSS进行了材料试验，以研究其在室温、火灾暴露后及极端冷却条件下的材料性能，而Luo等人[23]研究了火灾中的材料性能并提出了一系列折减系数和预测模型。Xue等人[24]研究了S1200 UHSS角钢和槽钢截面的抗压承载力，并根据结果评估了相关设计方法。然而，目前的研究主要集中于材料响应，S1200 UHSS构件在不同载荷条件下的结构性能仍探索不足。

为了推进对S1200 UHSS薄壁构件行为的理解，湖南大学目前正在开展一项综合研究计划。本研究作为该研究计划的一部分，旨在系统地研究S1200 UHSS焊接I型截面短柱在受压条件下的结构性能。S1200 UHSS通常以板材形式供应，焊接允许独立选择翼缘和腹板尺寸，从而生产出大型、几何优化的组焊构件。这种截面特别适用于重载桥梁构件、高层建筑柱、转换结构以及其他对减小构件尺寸和自重具有重要意义的领域[15,25]。与热轧截面[26]相比，焊接截面在截面尺寸和板件长细比方面提供了更大的灵活性，特别是在超高钢等级的标准轧制型材有限的情况下。与冷弯截面[13,27]相比，焊接I型截面更适合于相对较大且重载的结构构件。本文首先详细介绍了测试程序，包括材料试件试验、残余应力测量和14个压缩试验。随后概述了补充的数值模拟，其中开发了有限元（FE）模型以模拟试验结果并生成更多数据。最后，本研究评估了现行设计规则（见EN 1993–1–12[28]、ANSI/AISC 360–22[29]和AS 4100[30]）对S1200 UHSS焊接I型截面设计的适用性。基于设计分析的结果得出结论。总体而言，本研究预计将对使用高性能材料开发更安全、更具韧性且更可持续的钢结构做出贡献。

章节摘要

概述

为了研究S1200 UHSS焊接I型截面短柱的受压性能和承载力，开展了一系列测试程序，其中包括材料试件试验、残余应力测量和14个压缩试验。

试件制作

制造了一系列S1200 UHSS焊接I型截面用于结构测试。它们由一批淬火和回火的S1200 UHSS板材使用旨在最大限度减少力学性能退化的受控熔焊工艺制成。

概述

在完成测试程序后，使用ABAQUS有限元软件包（版本6.14）[56]进行了数值模拟。S1200 UHSS焊接I型截面短柱有限元模型的仿真技术和程序在以下子节中进行了描述，随后是验证研究的详细信息，通过比较对应的试验观测结果，证实了从有限元模型获得的数据的准确性。然后，进行了综合参数化研究，以……

概述

基于所获得的试验和数值结果，进行了设计分析。鉴于目前没有针对S1200 UHSS构件的设计指南，首先描述了国际设计标准EN 1993–1–12[28]、ANSI/AISC 360–22[29]和AS 4100[30]中针对常规HSS I型截面的规定。随后，评估了这些设计规则对S1200 UHSS焊接I型截面短柱的适用性。这些设计方法[[28], [29], [30]]的定量和图形评估为……

结论

通过实验室试验、数值模拟和设计分析，系统地研究了S1200 UHSS焊接I型截面的抗压承载力和性能。共对14个UHSS短柱试件进行了轴向压缩试验，并补充进行了材料表征和残余应力测量。所有S1200 UHSS焊接I型截面试件均表现出以局部变形为主导的破坏模式。随后，进行了数值模拟，其中FE……

CRediT作者贡献声明

韩刚豪：撰写–原稿、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。孙尧：撰写–审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、形式化分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为对本文所报告的工作产生了影响。

致谢

作者感谢中央高校基本科研业务费专项资金（编号：020100–531119200260）、湖南省研究生科学研究创新项目（编号：CX20250612）以及湖南省自然科学基金（编号：2025JJ60293）的财务支持。

韩刚豪|孙尧

湖南大学土木工程学院桥梁安全与韧性国家重点实验室，中国长沙，410082