鋼結構體系力學性能試驗方法-編制說明

一、工作簡況，包括任務來源、制定背景、起草過程等。

(一)任務來源

2021年4月30日，根據《國家標準化管理委員會關于下達2021年第一批

推薦性國家標準計劃及相關標準外文版計劃的通知》（國標委發(fā)〔2021〕12號），

國家標準《鋼結構體系力學性能試驗方法》獲立項批準，第一主編單位為清華大

學，技術歸口單位為全國建筑構配件標準化技術委員會，標準性質為推薦性國家

標準制定。

(二)制定背景

結構試驗是檢驗工程結構及其構件的安全性、核對設計要求、研發(fā)新型結構、

發(fā)展工程結構理論的重要手段。一方面，結構體系及其構配件、節(jié)點的設計方法

需要可靠的試驗數據支撐，新的結構設計理論的發(fā)展也需要充足的試驗數據予以

論證；另一方面，應用新材料或新構造的結構，或者對于結構性能有更新或更嚴

格的要求時，也通常需要借助結構試驗進行驗證和優(yōu)化。

鋼結構具有強度高、重量輕、施工速度快的優(yōu)點，符合我國新型城鎮(zhèn)化建設

中節(jié)約資源和節(jié)能減排的要求?！笆濉币?guī)劃期間，我國大力推廣發(fā)展裝配式建

筑和鋼結構建筑，行業(yè)規(guī)模迅速擴大；“十四五”規(guī)劃要求推廣綠色建材、裝配式

建筑和鋼結構住宅，為鋼結構行業(yè)發(fā)展提供了有力的政策支持。鋼結構完全可回

收利用的優(yōu)點能夠大大降低全壽命周期碳排放，是國家科技創(chuàng)新規(guī)劃和基礎研究

規(guī)劃中明確提出的重點發(fā)展領域。國務院發(fā)文明確指出，要“重點推動鋼結構裝

配式住宅建設”。近年來，我國鋼結構行業(yè)正不斷向進一步節(jié)約資源和材料的綠

色建筑發(fā)展。在這此過程中，一方面各類高性能鋼材、構配件、節(jié)點和結構體系

不斷研發(fā)，另一方面鋼結構裝配式建筑和鋼結構住宅的發(fā)展促進了各類新結構形

式及其構配件的研發(fā)、應用和推廣。其中涉及的新材料、新構造、新體系都亟需

通過開展結構試驗研究以得到可靠的設計方法。綜上所述，鋼結構體系及其構配

件、節(jié)點試驗已經成為目前我國結構工程發(fā)展中的重要內容。

1

為保證試驗質量，確保試驗結果的可靠性和試驗數據的通用性，合理、統(tǒng)一

的試驗方法標準必不可少。然而，目前我國僅有針對木結構試驗和混凝土結構試

驗的試驗方法標準，對于鋼結構體系及其構配件、節(jié)點試驗的方法則尚未形成統(tǒng)

一的標準。由于鋼結構材料和力學特點與其它結構材料顯著不同，我國現有的試

驗方法標準大多不能涵蓋或無法適用于鋼結構體系及其構配件、節(jié)點的試驗。鋼

結構體系力學性能試驗方法領域的空缺使得國內現有的標準體系難以為鋼結構

體系及其構配件、節(jié)點的試驗方法提供系統(tǒng)、完整的依據，不但影響了新型鋼結

構的研發(fā)、應用和推廣，也在較大程度上影響了我國鋼結構及其構配件、節(jié)點試

驗的質量和結果價值。一方面，針對新型鋼構件、節(jié)點和體系的試驗因缺少規(guī)范

的方法而可能產生不可靠的結果，造成材料資源的浪費并可能影響研發(fā)結果的安

全性；另一方面，在需要以試驗數據為依據開展鋼結構設計相關標準的制定或修

訂時，不同批次試驗數據可能因方法不統(tǒng)一而無法通用，從而需要進行補充試驗

研究、造成大量試驗重復開展，不但提高了標準編制成本，也影響了鋼結構試驗

的效率，導致試驗資源的浪費。可見，通過制定規(guī)范統(tǒng)一的鋼結構體系及構配件、

節(jié)點試驗方法標準來提高鋼結構試驗質量和可靠性、保證結構安全性、減少不必

要的試驗數量、節(jié)約鋼結構研發(fā)成本和試驗資源，是我國鋼結構工程發(fā)展中亟待

解決的重要問題。

為此，本標準將提供鋼結構體系及其構配件、節(jié)點等主要試驗類型的推薦試

驗方法，包括試驗的基本原則、一般要求、實施方法、結果評價方法以及其他注

意事項，針對重要試驗類型提供統(tǒng)一要求。本標準制定的目的是解決我國缺少系

統(tǒng)、完整的鋼結構體系及其構配件、節(jié)點試驗方法依據問題，提高鋼結構試驗的

可靠性和效率、減少鋼結構試驗資源的浪費、保證鋼結構的安全性，為我國鋼結

構的發(fā)展和新型鋼結構的研發(fā)、應用和推廣提供條件。在“十四五”規(guī)劃要求推廣

裝配式建筑和鋼結構住宅的背景下，該標準的制定將在改善我國鋼結構及構配件、

節(jié)點試驗水平、促進我國鋼結構設計理論和方法的發(fā)展、保證鋼結構工程的安全

性、提高科研資源和材料利用效率方面發(fā)揮顯著作用，將提高鋼結構在我國新型

城鎮(zhèn)化建設中節(jié)約材料和節(jié)能減排的優(yōu)勢，特別是促進符合綠色發(fā)展理念的新型

鋼結構的推廣應用，進一步降低我國建筑產品的材料和能源消耗，產生顯著的經

濟效益和社會效益。

(三)起草過程

2

（1）2021.06~2021.09調研總結國內外鋼結構體系力學性能試驗研究進展與

技術標準，結合參編單位相關研究成果，形成標準編制工作大綱；

（2）2021.10編制組第一次工作會議（線上），討論標準編制工作大綱；

（3）2021.11~2022.04各參編單位起草標準初稿；

（4）2022.05編制組第二次工作會議（線上），討論標準初稿；

（5）2022.06~2023.02各參編單位修改標準初稿；

（6）2023.03編制組成立暨第一次工作會議（線下），討論標準的修改稿；

（7）2023.04~2023.06各單位進行修改，形成征求意見稿。

二、國家標準編制原則、主要內容及其確定依據，修訂國家

標準時，還包括修訂前后技術內容的對比。

(一)編制原則

本文件是國家標準，在編寫格式上應符合GB/T1.1-2020《標準化工作導則

第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》和GB/T20001.4-2015《標準編寫規(guī)

則第4部分：試驗方法標準》的要求。

本文件與下列國家標準中，對鋼結構及其構配件、節(jié)點的基本要求相協(xié)調。

鋼結構通用規(guī)范GB55006-2021

鋼結構設計標準GB50017-2017

建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）GB50011-2010

(二)主要內容

根據鋼結構的研究對象及其受力工況，本文件規(guī)定了鋼結構體系力學性能試

驗方法，包括材料性能、各類構件、連接和節(jié)點、結構體系試驗，主要內容如下：

1范圍

2規(guī)范性引用文件

3術語和定義

4總體要求

5試驗支承和加載

5.1支承裝置

5.2加載裝置

5.3加載制度

3

6試驗量測

6.1力值測量

6.2位移及變形測量

6.3應變測量

6.4溫度測量

6.5誤差分析

7材料性能試驗

7.1材料單調拉伸試驗

7.2材料疲勞試驗

7.3材料沖擊功與斷裂韌性試驗

7.4材料低周疲勞試驗

7.5平滑缺口圓棒試驗

7.6材料高溫試驗

8材料性能試驗

8.1受壓構件試驗

8.2受彎構件試驗

8.3受拉構件試驗

8.4剪力墻試驗

8.5耗能構件試驗

8.6受沖擊構件試驗

8.7受爆炸構件試驗

8.8耐火構件試驗

9連接和節(jié)點試驗

9.1焊縫連接試驗

9.2緊固件連接試驗

9.3梁柱節(jié)點試驗

9.4柱腳節(jié)點試驗

9.5銷軸節(jié)點試驗

9.6鑄鋼節(jié)點試驗

9.7管節(jié)點試驗

4

9.8索夾節(jié)點抗滑移試驗

10結構體系試驗

10.1靜力推覆試驗

10.2擬靜力試驗

10.3擬動力試驗

10.4振動臺試驗

10.5空間結構整體穩(wěn)定性試驗

10.6原位加載試驗

10.7結構體系耐火試驗

10.8擬靜力-耐火耦合試驗

10.9振動臺-耐火耦合試驗

11疲勞

11.1一般要求

11.2連接疲勞試驗

11.3大型節(jié)點與構件的疲勞試驗

附錄A（資料性）應變化數據分析方法

附錄B（資料性）材料低周疲勞試驗加載制度

附錄C（資料性）材料低周疲勞壽命曲線和循環(huán)本構模型

附錄D（資料性）受壓構件試驗測量方法

附錄E（資料性）剪力墻試驗加載制度

附錄F（資料性）屈服點定義方法

附錄G（資料性）常用的梁柱節(jié)點循環(huán)加載制度

附錄H（資料性）梁柱節(jié)點試件的層間位移角和節(jié)點轉角的定義和測量方法

參考文獻

三、試驗驗證的分析、綜述報告，技術經濟論證，預期的經

濟效益、社會效益和生態(tài)效益

(一)試驗驗證的分析、綜述報告

針對鋼結構體系及其構配件、節(jié)點等，編制組開展了大量的試驗工作來論證

標準推薦試驗方法的合理性，相關內容如下：

5

1材料低周疲勞試驗

1.1試件設計

試驗設計了14種加載制度，每種加載制度下進行1個材性試件的試驗，一

共加工了Q550和Q690鋼材各16個試件，多余2個試件作為試驗出現意外或失

敗后的補充。試驗在清華大學力學系進行。Q550和Q690材性試件的具體幾何

尺寸如圖1.1所示，均從48mm厚鋼板中取樣得到。試件有效長度部分（平行段）

的長寬比為1.5（15mm/10mm），可以比較好地防止試件受壓時過早發(fā)生屈曲。

145

501515155010

18.75

7.5

10

25

25

12.57.5

引伸計量測范圍

圖1.1試件的幾何尺寸（單位：mm）

1.2試件加載

各種加載制度如圖1.2和表1.1所示，包括1種單調拉伸和13種循環(huán)加載制

度。單調拉伸試驗采用位移控制，循環(huán)加載試驗采用應變控制，加載裝置為Instron

Model8801拉壓扭萬能疲勞試驗機，如圖1.3所示。試件的應變根據標距段的變

形進行計算，而標距段的變形利用引伸計進行測量，其標距為12.5mm。13種循

環(huán)加載制度中，有5種等幅循環(huán)，應變幅值分別為0.5%、1%、2%、3%和4%；

有2種分別為逐級上升和逐級下降的變幅循環(huán)，應變幅值范圍為0.5%至3%；有

2種偏心應變（中心分別為8.5%和2%）下的等幅循環(huán)和逐級上升變幅循環(huán)，前

者應變幅值為1.5%，后者應變幅值范圍為-1%至5%；有1種正向（拉方向）幅

值逐級上升的半幅循環(huán)，反向（壓方向）的幅值保持為0；有2種等應變幅差（分

別為1%和2%）的移幅循環(huán)，應變幅中心始終朝正向（拉方向）移動；最后1

種為隨機加載制度。各種循環(huán)加載制度完成之后，均將試件單調拉伸至斷裂。

表1.1試件編號與加載制度說明

試件編號加載方式加載制度說明

550/690-1單調拉伸位移控制，拉伸至斷裂

6

550/690-2等幅循環(huán)應變控制，以ε=0為中心，0.5%為應變幅值加載6圈，然后拉斷

550/690-3等幅循環(huán)應變控制，以ε=0為中心，1%為應變幅值加載6圈，然后拉斷

550/690-4等幅循環(huán)應變控制，以ε=0為中心，2%為應變幅值加載6圈，然后拉斷

550/690-5等幅循環(huán)應變控制，以ε=0為中心，3%為應變幅值加載6圈，然后拉斷

550/690-6等幅循環(huán)應變控制，以ε=0為中心，4%為應變幅值加載6圈，然后拉斷

逐級上升應變控制，以ε=0為中心，按等應變幅增量0.5%對稱逐級加載至3%，

550/690-7

變幅循環(huán)每級循環(huán)1次，完成后拉斷

逐級下降應變控制，以ε=0為中心，按等應變幅增量-0.5%對稱逐級加載至

550/690-8

變幅循環(huán)0.5%，每級循環(huán)1次，起始應變幅值為3.0%，完成后拉斷

偏心變幅應變控制，以ε=2%為中心，按等應變幅增量0.5%逐級加載，每級循

550/690-9

循環(huán)環(huán)1次，完成后拉斷

應變控制，壓方向應變幅控制為0，拉方向按等應變幅增量1%逐級

550/690-10半幅循環(huán)

加載至6%，每級循環(huán)1次，起始應變幅值為1%，完成后拉斷

偏心等幅應變控制，以ε=8.5%為中心，1.5%為應變幅值加載6圈，完成后拉

550/690-11

循環(huán)斷

550/690-12移幅循環(huán)應變控制，以1%的等應變幅差朝拉方向逐級加載，完成后拉斷

550/690-13移幅循環(huán)應變控制，以2%的等應變幅差朝拉方向逐級加載，完成后拉斷

550/690-14隨機循環(huán)應變控制，應變幅值變化無明顯規(guī)律

斷裂

550/690-1斷裂550/690-2

應變(%)

應變(%)0.5

-0.5

(a)(b)

斷裂斷裂

550/690-3550/690-4

2.0

應變(%)

1.0應變(%)

-1.0

-2.0

(c)(d)

7

斷裂斷裂

550/690-5550/690-6

4.0

2.0

應變(%)

應變(%)

-2.0

(e)-4.0(f)

斷裂斷裂

550/690-7550/690-8

3.03.0

2.52.5

2.02.0

1.51.5

應變(%)

應變(%)1.01.0

0.50.5

-0.5-0.5

-1.0-1.0

-1.5-1.5

-2.0-2.0

-2.5-2.5

-3.0-3.0

(g)(h)

550/690-9斷裂550/690-10斷裂

5.0

4.5

4.0

3.5

3.06.0

2.55.0

應變(%)

應變(%)

1.54.0

1.03.0

0.52.0

0

-0.51.0(j)

-1.0

(i)0

斷裂斷裂

550/690-11550/690-12

9.0

10.08.0

7.5

(%)6.5

7.06.0

應變

應變(%)5.0

4.5

3.5

3.0

2.0

1.5

(k)0.5(l)

斷裂斷裂

550/690-13

12.5550/690-14

10.5

10.06.0

8.04.0

7.5

應變(%)

5.5應變(%)2.0

5.0

3.00

2.5-1.0

-2.0

0.5(m)

-3.0(l)

圖1.2循環(huán)加載制度

8

夾頭夾頭

加載設備

引伸計

試件

夾頭夾頭

圖1.3加載裝置

各個試件在單調拉伸下的名義應力－應變曲線如圖1.4所示?？梢钥闯觯?/p>

Q550和Q690高強鋼材均無明顯的屈服平臺，屈服后直接進入非線性強化。表

1.2統(tǒng)計了單調拉伸下的主要力學性能參數，其中E為初始彈性模量，f0.01和f0.2

分別為殘余塑性應變達到0.01%和0.2%所對應的名義應力（定義f0.01和f0.2作為

鋼材的比例極限和條件屈服強度），fu和εu分別為名義極限強度和極限應變（對

應最大拉力），ff和εf分別為名義斷裂強度及其對應的應變，f0.2/fu為鋼材的

屈強比，δ為斷后伸長率。可見，本次試驗的兩種高強鋼材的實際條件屈服強度

均略小于其名義屈服強度（550MPa和690MPa）；雖然兩種鋼材名義極限強度對

應的極限應變均為8.0%，僅達到普通鋼材（如Q235和Q345鋼材）的一半左右，

但均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）對鋼材屈強比不大于0.85的

規(guī)定；斷后伸長率分別達到60%和57%，遠遠超過上述規(guī)范中不低于20%的規(guī)

定，說明在抗震鋼結構中應用延性較好的Q550和Q690高強鋼材仍然能保證結

構有足夠的變形能力。

10001000

550-1690-1

800800

)

)

MPa

600MPa600

(

(斷裂

斷裂

400400

名義應力

名義應力

200200

00

01020304050600102030405060

名義應變(%)名義應變(%)

圖1.4單調拉伸名義應力－應變曲線

9

表1.2單調拉伸的主要力學性能參數

Efffuεffεδ

鋼材牌號0.010.2uff/f

(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)(%)(MPa)(%)0.2u(%)

Q550230330468.0537.3669.08.0346.056.80.8060.4

Q690242800584.8652.7768.68.0425.555.90.8557.5

Q550和Q690高強鋼材的各個試件在循環(huán)加載下的名義應力－應變曲線分

別如圖1.5和圖1.6所示，其中，每個試件均給出了循環(huán)應變幅范圍內的應力－

應變滯回曲線以及加載至最終拉斷的整個試驗過程應力－應變曲線。所有試件的

滯回曲線均十分飽滿，說明進入塑性變形后，本次試驗的Q550和Q690高強鋼

材均具有良好的耗能能力。通過對滯回曲線的觀察，可以發(fā)現幾個重要特點：

（1）無論是在小應變幅還是大應變幅的常幅循環(huán)下，兩種鋼材的滯回圈及

應力均會快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）即使是在0.5%應變幅的常幅循環(huán)下，也能從穩(wěn)定滯回圈觀察到明顯的

彈性范圍減小的現象，反映了初始屈服后屈服面很可能出現了快速的收縮。

（3）從各個變幅循環(huán)的滯回曲線來看，加載歷史對高強鋼材滯回曲線的影

響程度較小，即等向強化的程度并不顯著，兩種高強鋼材的滯回行為主要還是反

映了隨動強化的特征。

800800

600550-2600550-2

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-1.0-0.500.51.00102030405060

名義應變(%)名義應變(%)

800800

600550-3600550-3

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-2.0-1.5-1.0-0.500.51.01.52.00102030405060

名義應變(%)名義應變(%)

10

800800

600550-4600550-4

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-4.0-3.0-2.0-1.001.02.03.04.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

800800

600550-5600550-5

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-6.0-4.0-2.002.04.06.00102030405060

名義應變

(%)名義應變(%)

800800

550-6

600600550-6

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-6.0-4.0-2.002.04.06.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

800800

550-7

600600550-7

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-4.0-3.0-2.0-1.001.02.03.04.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

11

800800

550-8

600600550-8

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-4.0-3.0-2.0-1.001.02.03.04.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

800800

600550-9600550-9

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-2.0-1.001.02.03.04.05.06.00102030405060

名義應變

(%)名義應變(%)

800800

550-10

600600550-10

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

-1.001.02.03.04.05.06.07.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

800800

600600550-11

550-11

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

02.04.06.08.010.012.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

12

800800

600600550-12

400550-12400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

02.04.06.08.010.012.00102030405060

名義應變名義應變

(%)(%)

800800

550-13

600600550-13

400400

200200

00

-200-200

-400-400

名義應力(MPa)

名義應力(MPa)

-600-600

-800-800

02.04.06.08.010.012.00102030405060

名義應變

(%)名義應變(%)