冷成形矩形钢管采用隔板贯通式梁柱连接，并配套机器人自动化焊接工艺，整体施工效率高，现已在钢结构工程中得到广泛应用。然而，冷成形矩形钢管的角部经冷加工后，韧性易下降，这是业界公认的问题。此外，隔板贯通式焊接的热影响区（HAZ）存在早期脆性断裂的风险。为防范此类问题，当冷成形矩形钢管用于柱体时，昭和55年日本建设省公告第1791号第2条、平成19年国土交通省公告第594号第4条（以下简称“公告”）规定需额外设置安全系数作为附加设计事项，该要求不适用于焊接组装箱形截面柱。

通过对冷成形矩形钢管进行合理化设计，可豁免公告规定的附加设计要求，但需确保冷弯加工后钢管角部的韧性，同时改善贯通隔板焊接HAZ的韧性。此前已开发出具有足够角部韧性的冷成形矩形钢管（BCP325T），其通过采用防脆性断裂焊接堆焊法保障了贯通隔板焊接HAZ的韧性，可豁免公告规定的附加设计要求，且设计处理方式可与焊接组装箱形截面柱等同对待。但该钢管必须采用防脆性断裂焊接堆焊法，施工中需对焊道尺寸及位置进行严格管理，工序繁琐，用户对此提出了进一步改善的需求。

为此，新开发了无需采用防脆性断裂焊接堆焊法、可豁免公告规定附加设计要求的冷成形矩形钢管。以下将对新开发的适用于建筑结构的高性能490MPa级冷成形矩形钢管SBCP325TF与550MPa级冷成形矩形钢管SBCP385TF进行详细介绍。

SBCP325TF与SBCP385TF的开发理念是通过采用控轧空冷（TMCP）工艺，在母材钢板制造过程中严格控制轧制温度，实现母材钢板的高韧性。在此基础上，通过优化合金成分设计，提升焊接HAZ的韧性。

对于传统钢材，若焊接热影响区韧性指数（f_HAZ）较高且未对 Ti、N 元素含量进行精准管控，单层焊条件下 HAZ 晶粒仍易粗化并发生脆化。因此，新开发钢管采用低合金化、降低P和S元素含量并精准管控Ti、N成分的设计，实现低f_HAZ化（≤0.46%）。此次新开发钢管可有效改善单层焊接热影响区的脆化问题，使传统单层焊接下易粗化的焊接HAZ组织，转变为与高韧性多层焊接组织水平相当的细小铁素体组织，从而确保了HAZ韧性的稳定性。

2.1成分设计及钢管母材特性

表1、表2列出了钢管母材的化学成分、力学性能及相关标准。化学成分设计基于上述的开发理念，实现了低f_HAZ化。拉伸试验取样规定如下：钢管平面部位试样沿垂直于轧制方向截取，角部试样沿钢管轴线方向截取。平面部位试样的拉伸特性完全满足规格要求；角部试样由于受冷加工影响，其屈服强度和抗拉强度均高于平面部位试样。夏比冲击试验试样沿钢管轴线方向截取，平面部位取样以距表面t/4处为中心，角部取样以距外表面6mm位置为中心。尽管角部试样的夏比吸收能量略低于平面部位试样，但通过采用TMCP工艺制造的高韧性母材钢板，角部和平面部位试样在0℃试验温度下的冲击功均超过70J的稳定数值。

2.2焊缝区特性

采用模拟矩形钢管柱与贯通隔板焊缝区的试样，对焊缝区特性进行了验证。表3列出了贯通隔板焊缝区的热输入及层间温度管理条件。考虑到角部强度上升，SBCP325TF采用550MPa级焊接材料，SBCP385TF采用590MPa级焊接材料；此外，贯通隔板方面，SBCP325TF搭配490MPa级钢材，SBCP385TF搭配550MPa级TMCP钢材。

采用机器人进行焊接，堆焊方案为16mm厚采用5层6道、19mm厚采用6层8道、25mm厚采用8层11道、28mm厚采用9层13道、40mm厚采用12层21道、60mm厚采用16层40道。实际测量不同规格尺寸产品焊接层间温度（层间温度在平面部位测量），结果发现，28mm厚、40mm厚及60mm厚的部分层间温度接近250℃。观察所有规格产品的焊接断面宏观照片，未发现焊接缺陷。

表4列出了焊缝区特性的汇总结果。层间温度较高时，冷却速度变慢，可能导致焊接金属强度及HAZ韧性下降。尽管28mm厚、40mm厚、60mm厚试样的层间温度接近250℃，但焊接金属拉伸试验确认其满足比钢管母材高一个等级的强度要求；此外，接头拉伸试验中，平面部位和角部均在母材处断裂，满足钢管母材抗拉强度下限要求。夏比冲击试验中，如以上开发理念所述，通过采用低f_HAZ管控的矩形钢管母材，包括层间温度接近250℃试样的熔合线位置在内，所有试验位置在0℃试验温度下均超过70J的稳定数值。

3.1短柱压缩试验

为防止钢管柱发生局部屈曲并削弱结构承载能力，常规设计需遵循昭和 55 年建设省公告第 1791 号第2条、第 1792 号第1条及第3条规定的板件宽厚比限值。但该限值的适用强度等级为基准强度235-375MPa，而SBCP385TF的基准强度超过375MPa，因此通过短柱压缩试验验证其抗局部屈曲的塑性变形性能。

表5列出了短柱压缩试验试样及试验结果，试样共3个，由16mm厚和12mm厚钢板经冷成形制成，以宽厚比为参数。参考《钢结构建筑的结构性能评价试验方法相关研究》中的短柱压缩试验方法，试样高度（H）设为边长（D）的3倍。

图1为应力-应变关系曲线。所有试样在达到最大荷载后，局部屈曲逐渐发展直至破坏。结果表明，随着D/t减小，局部屈曲发生时的应变增大，塑性变形比和应力上升率均提高。图2为塑性变形比与一般化宽厚比的关系，并与《极限状态设计指针》中规定的各宽厚比等级目标值进行了对比，发现该钢管具备满足各宽厚比等级目标值的塑性变形能力。

综上所述，验证了基准强度为385MPa的钢管适用公告规定的宽厚比要求，并已获得日本建筑中心评定。

3.2构件弯曲试验

3.2.1试验方案

为验证矩形钢管柱-贯通隔板焊缝区作为柱构件的塑性变形能力，进行了构件弯曲试验。试验所用钢管、隔板、焊接材料及焊接条件与短柱压缩试验相同。如图3所示，试样采用在中央部位焊接2块贯通隔板的形式。表6列出了试样一览表，图4为试验加载状态。为评价贯通隔板焊缝区的抗断裂塑性变形能力，截面宽厚比等级采用不易发生屈曲的FA等级，SBCP325TF和SBCP385TF各设置2个不同宽厚比的试样，加载方向为45°。

加载方式：先以构件全塑性承载力计算值M_p对应的弹性转角θ_p为基准，进行±0.5θ_p的预加载；随后采用正负交替递增循环加载方式，分别施加2θ_p、4θ_p、6θ_p…的变形量，每级变形正负方向各加载2次；当荷载降至最大荷载的90%时，停止加载。

3.2.2试验结果

图5为弯矩-构件转角关系（纵轴弯矩以M_p无量纲化，横轴构件转角以θ_p无量纲化）。SBCP325TF和SBCP385TF的4个试样均在最终循环中因延性裂纹扩展导致荷载下降，试验结束。

图6展示了宽厚比与累积塑性变形比的关系，将本次构件弯曲试验各试样的结果与“各等级柱所需累积塑性变形比”进行了对比。同时，角部断口的SEM观察结果显示，均为延性断裂。上述结果表明，通过提高钢管角部和焊接HAZ的韧性，可防止早期脆性断裂，稳定满足柱所需的累积塑性变形比。

表7、表8为矩形钢管的制造尺寸表，SBCP325TF最大可制造□1000mm×40mm的规格，SBCP385TF最大可制造□1400mm×60mm的大口径厚壁规格。图7、图8展示了SBCP325TF、SBCP385TF制造产品的角部韧性性能。角部夏比冲击试样沿钢管轴线方向取样（以距外表面6mm位置为中心）。经大量制造验证，产品均具备稳定的韧性。

新开发的高性能冷成形矩形钢管SBCP325TF、SBCP385TF，不仅钢管角部与焊接热影响区韧性稳定，而且结构性能优异。目前该产品已开始应用于实际工程项目。