资料来源：李国强。 高强度结构钢连接研究进展[J]. 钢结构（中英文），2020, 35(6): 1-40.
DOI：10.13206/j。
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概括
钢结构采用高强度钢材，可以节省钢材的使用量，降低钢结构生产、运输、安装的成本。 由于高强钢的力学性能与普通钢材有显着差异，近年来国内外学者对高强结构钢的应用开展了大量的研究工作。 高强钢结构在工程中的应用不仅需要合理的构件设计，还需要设计高强钢构件之间的高效连接，形成安全可靠的结构。
介绍了高强钢两种重要连接方式（焊接和螺栓连接）的国内外研究进展，包括：高强钢对接焊缝连接承载性能研究、高强钢对接焊缝连接承载性能研究高强钢角焊缝连接、高强钢摩擦研究、型式螺栓连接承载性能研究、高强钢承压螺栓连接承载性能研究、研究介绍了12.9级高强螺栓氢致延迟断裂等方面的研究进展，并重点介绍了同济大学的相关研究进展，总结了现有的研究进展，并对未来的研究工作进行了展望。
1 高强钢对接焊缝连接承载性能研究
1.1焊接材料强度匹配比的影响
国内外相关规范中对焊缝连接承载能力的设计术语对高强度钢材进行了简单扩展。 各规格对焊连接强度计算公式如表1所示。
表1 对接焊缝标准计算公式
现行规范中高强度钢对接焊缝连接的设计规定主要是基于普通强度钢的研究成果。 欧洲规范中仅提出当焊接材料的强度低于母材的强度时可以采用欠强度匹配。 在这种情况下，接头的强度由焊接材料和母材的强度决定。 母材强度的较小值。
高强钢对接焊中采用欠强度匹配，可以降低焊接预热温度，减少焊接缺陷，提高接头延展性。 但匹配不足会对焊接接头的承载能力产生重要影响。 众多研究者的研究结果表明，欧洲规范EC3中对于欠匹配焊接接头强度计算的规定基本上是合理的或保守的。
同济大学采用四种常见牌号的国产高强结构钢（Q460D、Q550D、Q690D、Q890D）为基材，匹配四种国产高强钢焊丝（ER50-6、ER59-G、ER76-G、ER96- G)，测试了134个对接焊缝试件，匹配比范围为0.7~1.33。 结果发现，随着匹配比的增大，接头强度呈现线性增长趋势，直至匹配比达到1.0，接头强度达到母材的水平。 强度，继续增加匹配比而不影响接头强度（图1）。 这也证明了目前欧洲关于高强钢强度匹配不足导致焊接接头强度计算的规定是合理的。
a——硬度分布类型1和2的试样； b——硬度分布类型为 3 的试样。
图1 匹配率与对接焊缝强度的关系
1.2 高强钢对接焊缝热影响区的软化
研究发现，高强钢焊接由于热量输入，接头热影响区（HAZ）会软化，导致接头强度降低。 典型高强钢对接焊缝的面积和硬度分布分别如图2和图3所示。
图2 对接焊缝面积分布示意图
图3 QT和TMCP高强钢对接焊缝硬度分布
高强钢焊后是否发生软化及软化程度与钢的强化机制、轧制工艺及对热处理的敏感性有关。 由于高强度钢在轧制过程中经过一次或多次热处理，焊接过程中，焊缝附近的钢材又经历了一次热量输入和冷却的热循环过程，使其无法保持其原有的力学性能。特性，从而形成热影响区。
同济大学采用国产高强结构钢四种常用牌号（Q460D、Q550D、Q690D、Q890D）为基材，匹配四种国产高强钢焊丝（ER50-6、ER59-G、ER76-G、 ER96-G)，焊接加工了27套不同配合程度的对接焊件。 对27组焊件焊缝周围区域进行硬度测试和汇总分析，得到高强钢对接接头的3种简化硬度。 分布类型（图4）： 1）类型1，热影响区仅包含硬化区； 2）类型2，热影响区同时包含硬化区和软化区； 3）类型3，热影响区仅包含软化区。 测试结果表明，硬度分布类型1和2的试件承载能力与欧洲法规的预测结果一致。 随着匹配比的增大，接头强度呈现线性增长趋势，直至匹配比达到1.0，接头强度达到母材强度。 在不影响接头强度的情况下继续增加匹配比（图1a）。 对于硬度分布类型为3的试件，由于软化区宽度较大，接头强度远低于欧洲规范的预测值（图1b），表明现有欧洲规范对承载能力的预测不足高强度钢对接接头。 安全。 软化区相对宽度为0.55的试件承载力降低约10%。
a——类型1； b——类型2； c—类型 3。
图 4 三种简化的硬度分布类型
1.3 影响高强钢对接焊缝强度的因素
影响焊接接头强度的具体因素包括焊接材料强度、焊缝区宽度、软化区强度、软化区宽度、焊件宽厚比和焊缝坡口角度。
同济大学对影响高强钢对接接头承载能力的各种因素进行了系统的分析研究，发现：1）对于所有弱匹配的情况，增加匹配比或减小焊缝熔敷宽度金属区可以大大提高接头的强度； 对于等强和超强匹配情况，焊缝熔敷金属区的强度和宽度对接头强度几乎没有影响； 2）对于存在软化区的情况，增大软化率或减小软化区宽度，可大大提高接头的承载能力； 而硬化区的存在对接头强度几乎没有影响； 3）仅当厚宽比小于0.2时，增大接头厚宽比，接头强度会略有降低； 4) 坡口 当角度从30°增加到45°时，接头强度会略有下降。 此外，同济大学还针对高强钢的交货状态和焊接热输入对接头承载能力的影响进行了实验研究。
基于上述影响因素的参数分析，提出考虑软化和约束效应的对接焊缝强度计算公式：
强度折减系数λ按式（2）计算：
式中：γ为接头最弱材料（软化区或弱配合焊材）的强度与母材强度的比值； Xt是接头最薄弱材料的宽度与接头厚度的比值。 当λ大于1时，取λ等于γ。
2 高强钢角焊缝连接承载性能研究
现有研究高强钢角焊缝性能的文献如表2所示。
表2 高强钢角焊缝连接研究主要文献内容
同济大学采用国产Q690D钢，采用ER50-6、ER59-G、ER76-G、ER96-G四种高强焊丝，试验了24个搭接接头正面角焊缝试件和20个十字接头正面角焊缝试件。 对试件和28个侧面角焊缝试件进行静载试验，得到不同角焊缝试件的损伤角度、损伤强度和变形能力的比较。 加载及主要破坏模式如图5所示。采用DIC测量系统全程采集试件应变场数据，提供详细的变形数据，弥补了无法采集试件变形特征的缺陷。使用传统位移计或应变计测量角焊缝试样时的整个过程。
a——搭接接头正面角焊缝； b——十字接头正面角焊缝； c——侧面角焊缝。
图5 三种角焊缝的主要失效模式
此外，同济大学利用现有普通钢角焊缝的计算模型和失效准则，根据104种高强钢（Q690D和Q890D）的试验数据，给出了不同加载角度下角焊缝的失效面。 角度预测和承载力预测的简化公式分别如式（3）所示。
式中：θ为加载角； ατ为失效角； Pθ、P0分别为加载角为θ、0°时的关节承载力。 预测破坏角和承载力与实测破坏角和承载力的对比如图6和图7所示。
图6 加载角与破坏角的关系
图7 加载角与承载力关系
3 高强钢摩擦螺栓连接承载性能研究
对三种高强钢（Q550、Q690、Q890）喷丸表面、喷丸后喷涂无机富锌漆表面、喷丸后有红锈表面的抗滑移系数进行了系统的实验研究。喷砂和钢丝刷去除表面。 共105组试件，试验装置如图8所示。试验中采用图9所示的螺栓开槽方案，准确测量试验过程中施加的螺栓预紧力。 研究中观察到的典型荷载-相对滑移曲线如图10所示。图10a中平滑的滑移曲线主要出现在Q550钢和高强钢-普通钢混合连接的试验中，图10a中剧烈的抖动曲线主要出现10b。 在Q690钢和Q890钢试样中。
图8 高强钢螺栓连接防滑试件
a——螺栓开槽图； b——实际效果。
图9 螺栓预紧力测量方案
a——滑动顺畅； b—严重晃动滑移。
图10 螺栓防滑试件典型荷载相对滑移曲线
研究发现：1）滑移载荷的不同取值方法对抗滑移系数影响较大。 中国规格的防滑系数值比欧洲规格的值大7%至20%； 2）对于喷丸表面，根据欧洲标准，高强度钢的抗滑移系数的实测平均值在0.45至0.50之间。 如果考虑一定的安全保证率，相应的设计值在0.4~0.45之间； 3）高强钢喷丸后的红锈表面，其防滑系数一般大于喷丸后的表面； 4）高强度钢丝刷表面防滑系数接近欧洲规范值和中国规范值。 抗滑移系数随钢材强度等级的提高而降低。 小的; 5）高强钢抛丸后采用无机富锌漆进行表面处理，可增加摩擦面防滑系数的稳定性。 防滑系数的标准一般小于其他表面处理方法。 无机富锌漆涂层的厚度有利于提高防滑系数。 厚涂层的防滑系数比薄涂层的防滑系数高约10%。
4 高强钢承压连接承载性能研究
4.1 单螺栓连接的承压性能
目前单螺栓连接承压性能试验涉及的钢材实测屈服强度范围为131~，基本涵盖了工程中可能使用的钢材。 研究表明，承压单螺栓连接存在三种典型失效模式，如图11所示。
a——剪切破坏； b——劈裂破坏； c——净截面破坏。
图11 单螺栓连接的典型失效模式
我国《钢规范》中的承压连接设计与现行的欧洲规范、美国规范16存在差异。 欧洲规范和美国规范计算的承压能力与连接的几何尺寸和材料强度有关，而我国《钢规范》和《规定》计算的承压能力无关与连接的几何尺寸有关，仅与材料强度有关。 单个螺栓的承压设计主要依据“承压强度设计值”。 承压强度等于实测试件极限承载力乘以螺杆直径与板厚之比。 现有试验得到的单螺栓承压强度如图12所示。可以看出，单螺栓承压强度/抗拉强度fu与端距之间存在几乎线性的比例关系。
图12 螺栓连接承压强度试验值与标准值
从图12可以看出，欧洲规范和美国规范AISC 360-16均考虑了螺栓端距对螺栓承压强度的影响，但欧洲规范的取值较为保守，而美国规范 AISC 360-16 稍微不安全。 但《钢规》并未考虑螺栓端距对螺栓承压强度的影响。 规定螺栓端距值不应小于螺栓直径的2倍。 螺栓承压强度为连接钢板抗拉强度的1.26倍，明显小于试验值。 值，太保守了。 同济大学在试验研究的基础上，对现有螺栓的承压强度不确定度进行了统计。 在我国《钢规》最小端距e1=2.0d0的要求下，其承压强度系数统计如图13所示。根据图13，得出螺栓承压强度保证率97.5%，是钢板抗拉强度的1.82倍。
图13 螺栓连接承压强度试验值统计指标
4.2 垂直内力分布双螺栓连接的受压性能
垂直内力布置的双螺栓连接的受压性能会受到相邻螺栓的影响。 连接的几何参数为：端距e1、边距e2、螺栓间距p2和孔径d0。
国内外学者针对相邻螺栓对不同强度等级钢材双螺栓连接受压行为的影响进行了实验研究。 他们发现钢的双螺栓连接的屈服强度与单螺栓连接相似，失效模式与单螺栓连接相似。 如果力折减过于保守，建议将现有折减系数2/3增加到3/4。
对于Q550钢、Q690钢和Q890钢，双螺栓连接的钢材强度等级对失效模式没有明显影响。 在保证网段不损坏的情况下，双螺栓连接失效时也可观察到剪切破坏和劈裂现象。 摧毁这两种模式。 双螺栓中单个螺栓的承压性能与单螺栓连接接近，因此双螺栓连接的承压能力可以通过将两者的承压强度相加来计算。单螺栓。
4.3 沿内力布置的多螺栓连接的承压性能
沿内力布置的多螺栓连接的受压性能也会受到相邻螺栓的影响。 连接的几何参数包括：端距e1、边距e2和螺栓间距p1。
国内外学者主要对沿内力布置的双、三、四螺栓连接的受压性能进行了试验研究。 对Q550钢、Q690钢和Q890钢二螺栓和三螺栓连接的受压性能及其内力分布研究表明，当多螺栓连接达到极限承载力时，相邻螺栓孔内周向应力显着的区域会互相重叠、互相影响。 ，使得沿内力排列的多螺栓连接中单个螺栓的受压行为与单螺栓连接不同。
在实际工程应用中，常常会出现螺栓安装偏差的情况。 螺栓不对中会导致实际承载时某个螺栓先受力。 对沿内力布置的高强钢三螺栓连接在2mm螺栓不对中情况下进行了实验研究。 典型的载荷-位移曲线如图14所示。研究发现，在螺栓错位存在的情况下，高强钢的延性仍足以满足孔周围的塑性变形能力，失效模式与没有螺栓错位的试样。 从载荷-位移曲线来看，有螺栓错位试件在应力初始阶段的刚度小于无螺栓错位试件的刚度。 然而，当所有螺栓共同受力时，两个连接的曲线往往会重合。 ，在极限状态下，两者极限承载力相差较小。 因此，对于存在螺栓不对中的试件，极限状态下螺栓不对中对连接极限承载力的影响可以忽略不计。
图14 螺栓不对中时的典型载荷-位移曲线
5 高强螺栓氢致延迟断裂研究
随着螺栓材料强度的提高，螺栓本身的氢致延迟断裂问题开始凸显。 在潮湿的环境中，自然界的氢离子会与电子结合生成氢原子，氢原子渗入螺栓内部，腐蚀螺栓材料。 高强度螺栓需要预紧力。 螺栓一般处于高应力状态。 在氢原子的长期腐蚀作用下，螺栓可能会发生远低于材料抗拉强度的脆性断裂，产生氢致延迟断裂（HIDF）。
对工程常用的10.9级高强螺栓和12.9级高强螺栓进行了光圆棒缺口拉伸试验和氢热分析试验。 钢的化学成分如表3所示。研究利用光学显微镜和扫描电镜观察了两种钢独特的显微组织形貌，并采用恒载荷拉伸试验模拟高强螺栓钢内部氢致延迟断裂。 典型结果如图 15 所示。
表3 钢的化学成分（质量分数）
a——断口宏观形貌； b——膨胀区的微观形貌。
图15 典型断口微观形貌
主要研究成果为：1）12.9级高强螺栓钢和10.9级高强螺栓钢的组织分别为回火屈氏体和回火屈氏体。 前者的塑性变形能力比后者差，缺口敏感性较高。 2) 试件氢致延迟断裂所需的时间与所施加的应力比有关。 随着施加的应力比增加钢材抗拉强度标准值和设计值关系，试样的断裂时间变得更短。 12.9级高强螺栓钢和10.9级高强螺栓钢的临界应力比分别为0.675和0.84。 3）12.9级高强螺栓钢的抗氢致延迟断裂性能比10.9级高强螺栓钢差。 实际应用中，应适当降低12.9级高强螺栓钢的应力比。 4) 若要求12.9级高强螺栓达到10.9级高强螺栓的抗氢致延迟断裂性能，建议采用承压连接并降低螺栓预紧力，采用折减系数为钢规范中规定的预紧力为0.75。
6 研究结论及设计建议
本文介绍了高强钢焊接连接和螺栓连接的研究现状，重点介绍了同济大学近年来的相关研究进展。 主要结论如下：
1）高强钢的焊接连接面临着焊接材料与母材强度匹配的选择。 强度匹配不足的高强钢焊接连接具有减少焊接缺陷发生概率、降低焊接预热温度、较经济等优点，但对于高强钢焊接接头的承载能力有所削弱。
2）高强钢焊接后热影响区容易发生软化。 软化区的存在相当于焊接接头处存在薄弱层，导致焊接接头承载能力降低。 高强钢焊接接头的承载能力与软化区宽度和软化程度密切相关。 目前国内外钢结构规范的设计公式均未考虑钢结构焊接软化的影响。 对于高强钢焊接，如果遵循基于普通钢研究成果的规范设计规定，将会对连接设计的安全性产生不利影响。
3）高强钢的表面抗滑移系数与普通钢材不同。 Q550钢材各种处理方法的表面防滑系数与普通钢材相差不大。 但Q690钢、Q890钢的防滑系数比普通钢材低。 对于碳钢，设计时应适当降低现行规范规定的螺栓连接的抗滑移系数。
4）高强钢的延展性仍能满足承压螺栓连接孔周塑性变形的要求。 我国现行钢结构规范的承压强度设计值对于高强钢来说是保守的，可以适当提高。
5)高强螺栓钢的抗氢致延迟断裂性能与高强螺栓的材料强度和预拉力有关。 螺栓强度越高、预拉力越大，其抗氢致延迟断裂性能越差。
6)现有12.9级高强螺栓钢的抗氢致延迟断裂性能比常用的10.9级高强螺栓差。 当使用12.9级高强螺栓时，可减小螺栓的预紧力。 根据钢规中规定的高强度螺栓，考虑75%的预紧极限。
研究前景
尽管高强钢焊接连接和螺栓连接的研究取得了较大进展，但仍存在许多问题需要进一步深入研究。 未来的研究前景如下：
1）高强度钢（如TMCP或QT钢）的轧制工艺、轧制过程中的温度（加热速率/冷却速率/最高温度）控制、钢板的合金元素成分等均影响焊接钢板的力学性能。 目前这方面的研究还不完善，需要在材料微观层面进行深入研究。
2）现有研究初步总结了焊接热输入对焊接接头软化区强度和范围的影响，但焊接热输入条件（如焊前预热）和热输入速率（如电流） /电压/ 冷却速度（冷却速度等）等参数对焊接接头软化区强度和范围的定量影响尚不清楚，还需要对钢材强度等级、轧制等参数进行系统研究工艺、钢板厚度、焊缝形式、焊接传热等设计中易于确定的参数与焊接接头强度的定量关系，用于设计高强钢焊接连接。
3）高强钢的脆性和硬度较高，焊接时更容易产生缺陷，对焊缝的力学性能十分不利。 未来有必要利用随机理论引入焊缝内部的初始焊接缺陷，研究不同类型缺陷对焊接接头的影响，提出高强钢焊接连接的可靠性设计方法。
4）现有高强钢表面抗滑移系数的试验数据数量还比较有限，相应参数的统计结果也不完善。 需要更多的试验来获得更多经过各种处理的高强钢表面的防滑系数样本。 ，统计得出高强钢在不同表面处理方式下的抗滑移系数，保证率更加准确。
5）现有的研究主要局限于几种简单的螺栓连接布置方式。 仍需对布置更为复杂的大型螺栓群进行实验研究和精密数值模拟研究，以了解大型螺栓群的受压机理和损伤情况。 建立了高强钢大型螺栓组连接受压承载力设计方法。
6）为了保持相同的抗氢致延迟断裂性能，现有高强螺栓钢需要限制12.9级高强螺栓的预紧力施加水平，这对螺栓的效率有着不可忽视的影响直接承担动态载荷的连接。 未来的研究需要满足摩擦螺栓有效连接的需求，并从高强度螺栓钢材材料的研究和开发水平开始，以改善氢引起的延迟裂缝性能的高强度螺栓12.9及以上的高强度螺栓。
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关于作者
Li
汤吉大学建筑工程系教授
“钢结构（中文和英语）”编辑委员会成员
国家工程技术研究中心主任，预制民用结构，教育部建筑钢结构工程研究中心主任，中国钢结构协会副主席和中国工程建筑标准化协会副主席。
长期以来，他一直从事多高层建筑中钢结构的钢结构，地震抗性和耐火性的研究。 用中文和英语出版了16本书； 发表了700多篇学术期刊论文，其中包括SCI中包含的23篇英文论文和EI中包含的221篇中文论文； 被邀请在国际学术会议上提供60多个主题报告或邀请报告； 主持国家标准“建筑钢结构防火技术”以及其他12个国家，工业或地方工程建设标准的汇编；研究结果已获得2项美国专利，1项日本专利，45项中国发明专利，并已在上海汉Qiao国家会议中心的全国会议和展览中心使用钢材抗拉强度标准值和设计值关系，它已用于许多国家大型项目，例如交通枢纽，广州新电视塔， 117建筑和中国大型飞机集会工厂。它已获得国家科学技术进步奖（排名第一）的国家技术发明奖（排名第一）的1次奖项（排名第一和第9奖），上海市第9项科学技术奖首次获得奖项。教育和其他省份和政府部门（排名第1，排名第2，第6位排名第6），6个第二次奖品（均为第1级）。
