极端复杂环境下钢结构发展战略

施刚; 曾滨; 王晓锋; 徐曼; 许庆; 王九重

doi:10.13206/j.gjgS26082545

极端复杂环境下钢结构发展战略

doi: 10.13206/j.gjgS26082545

1. 清华大学土木工程系, 北京 100084;
2. 中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088

基金项目:

中国工程院战略研究与咨询项目（2025-XZ-71）。

详细信息

作者简介:
施刚，工学博士，教授，主要从事钢结构研究工作。Email： shigang@tsinghua.edu.cn

计量
- 文章访问数: 13
- HTML全文浏览量: 5
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2026-08-25
- 网络出版日期: 2026-11-06

Development Strategy for Steel Structures in Extremely Complex Environments

1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Central Research Institute of Building and Construction, MCC Group, Beijing 100088, China

摘要

摘要: 面向深海、深地、极地等极端复杂环境对钢结构服役性能提出的严峻挑战，系统梳理了国内外在政策制度、科学研究、标准规范的发展现状，提出以“材料-设计-运维”一体化为核心的中长期发展框架，明确材料谱系构建、韧性设计方法、全寿命智能运维的远景目标，并规划需求牵引与工程示范、标准制度保障、数智绿色转型、智能监测网络建设四条发展路径。面向未来，建议发展多尺度合金设计、极端复杂环境下高性能钢结构体系开发、复杂环境多物理场耦合模拟与综合试验平台、智能感知钢材性能劣化与结构自适应运维策略等关键技术，通过深海、深空、深地、极地等九类典型工程示范推动技术验证与标准转化，支撑国家重大工程建设并提升国际竞争力。
- 极端复杂环境 /
- 钢结构 /
- 基础设施 /
- 发展战略
Abstract: Facing the severe challenges that extremely complex environments （e.g.， deep-sea， deep-underground， and polar regions） pose to the service performance of steel structures， this paper systematically reviews the development status in China and abroad in terms of policy systems， scientific research， and standards and specifications. A medium- and long-term development framework centered on the integration of “materials—design—operation and maintenance” is proposed， with long-term targets defined as the establishment of a steel material spectrum， the development of resilient design methods， and the realization of life-cycle intelligent operation and maintenance. Four development pathways are proposed： demand-driven engineering demonstration， standard and institutional support， digital and intelligent transformation， and intelligent monitoring network construction. Looking forward， priority technologies are proposed， including multi-scale alloy design， high-performance steel structural systems for extremely complex environments， multi-physics coupled simulation and comprehensive testing platforms for complex environments， intelligent sensing of steel performance degradation， and structure-adaptive operation and maintenance strategies. Technology validation and standardization are promoted through nine typical engineering demonstrations in deep-sea， deep-space， deep-underground， and polar regions， thereby supporting the construction of major national projects and enhancing international competitiveness.
- extremely complex environment /
- steel structure /
- infrastructure /
- development strategy

HTML全文

参考文献(114)

[1]	中华人民共和国全国人民代表大会. 中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要［M］. 北京：人民出版社，2026.
[2]	深中通道管理中心. 铸就国家新名片：深中通道超大跨悬索桥创新实践［J］. 中国公路，2025（19）：46-51.
[3]	李先林. 南极泰山科考站结构设计［J］. 建筑结构，2017，47（7）：30-32.
[4]	中国南方电网有限责任公司. 南方电网西电东送年送电量首超2600亿千瓦时创历史新高［EB/OL］.（2026-01-12 ）［ 2026-08-23］. http：//www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c35254672/content.html.
[5]	中国铁道建筑集团有限公司. 世界屋脊天路回响：写在青藏铁路全线通车20周年之际［EB/OL］.（2026-07-02 ）［ 2026-08-23］. http：//www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c35532456/content.html.
[6]	Li D，Yi C，Jia L. The deep sea No. 1 semi-submersible energy station［J］. Engineering. 2025，50：18-23.
[7]	史晨程，陈超群，姚芹芹，等.“华龙一号”外壳穹顶钢模板在吊装阶段的有限元分析［J］. 建筑结构，2022，52（增刊1）：3072-3076.
[8]	National Earthquake Hazards Reduction Program（NEHRP）. Strategic plan for the national earthquake hazards reduction program fiscal years 2022-2029［R］. Gaithersburg：National Institute of Standards and Technology，2023.
[9]	National Resilience Promotion Office，Secretariat Cabinet. Fundamental plan for national resilience［R］. Tokyo：Cabinet Secretariat，2023.
[10]	国土強靱化推進本部. 国土強靱化基本計画［R］. 東京：内閣官房，2023.
[11]	Commission European. Horizon Europe strategic plan 2025-2027［R］. Brussels：European Commission，2024.
[12]	Treasury HM，National infrastructure& service transformation authority. UK infrastructure：a 10 year strategy［R］. London：HM Treasury，2025.
[13]	“中国钢结构行业高质量发展战略研究”项目组. 中国钢结构行业高质量发展战略研究项目综合报告［R］. 北京：中国工程院，2026.
[14]	四川省住房和城乡建设厅. 四川省好住房设计导则［S］. 成都：四川省住房和城乡建设厅，2025.
[15]	黑龙江省住房和城乡建设厅. 关于进一步加强寒区钢结构工程质量安全管理的通知：黑建规〔2024〕5号［S］. 哈尔滨：黑龙江省住房和城乡建设厅，2024.
[16]	北京市规划和自然资源委员会. 北京市韧性城市空间专项规划（2022年—2035年）［S］. 北京：北京市规划和自然资源委员会，2024.
[17]	沈阳市城乡建设局，沈阳市自然资源局，沈阳市房产局. 沈阳市高品质住宅开发建设实施方案（2025—2027）［S］. 沈阳：沈阳市城乡建设局，2025.
[18]	McAllister T，Walker R，Baker A. Assessment of resilience in codes，standards，regulations，and best practices for buildings and infrastructure systems：NIST TN 2209［R］. Gaithersburg：National Institute of Standards and Technology，2022.
[19]	Parliament UK. Future homes and buildings standards［EB/OL］.［ 2026-03-24］. https：//hansard.parliament.uk/Commons/2026-03-24/debates/26032450000020/FutureHomesAndBuildingsStandards.
[20]	中华人民共和国住房和城乡建设部.“十四五”建筑业发展规划［R］. 北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2022.
[21]	中共中央办公厅，国务院办公厅. 关于推进新型城市基础设施建设打造韧性城市的意见［S］. 北京：中共中央办公厅，国务院办公厅，2024.
[22]	交通运输部办公厅. 关于发布《公路长大桥梁结构监测时空大数据应用指引》的通知：交办公路〔2024〕37号［S］. 北京：交通运输部办公厅，2024.
[23]	Department for Business，Innovation and Skills. Industrial strategy：government and industry in partnership-construction 2025［R］. London：Department for Business，Innovation and Skills，2013.
[24]	Building and Construction Authority（BCA）. Built environment industry transformation map（ITM）［R］. Singapore：BCA，2026.
[25]	Kanvinde A M，Deierlein G G. Cyclic void growth model to assess ductile fracture initiation in structural steels due to ultra low cycle fatigue［J］. Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2007，133（6）：701-712.
[26]	Kanvinde A M，Deierlein G G. Validation of cyclic void growth model for fracture initiation in blunt notch and dogbone steel specimens［J］. Journal of Structural Engineering，ASCE，2008，134（9）：1528-1537.
[27]	Tang Z Z，Yang X，Liu H，et al. Numerical simulation with an improved ductile fracture model for steel connections considering effect of element size［J］. Journal of Constructional Steel Research，2024，223：109031.
[28]	Nonaka T. Shear failure of a steel member due to a blast［J］. International Journal of Impact Engineering，2000，24（3）：231-238.
[29]	Yuen S C K，Nurick G N，Verster W，et al. Deformation of mild steel plates subjected to large-scale explosions［J］. International Journal of Impact Engineering，2008，35（8）：684-703.
[30]	李忠献，刘志侠，丁阳. 爆炸荷载作用下钢结构的动力响应与破坏模式［J］. 建筑结构学报，2008，29（4）：106-111.
[31]	Nassr A A，Razaqpur A，Tait M J，et al. Strength and stability of steel beam columns under blast load［J］. International Journal of Impact Engineering，2013，55：34-48.
[32]	李忠献，路建辉，师燕超，等. 不确定爆炸荷载作用下钢梁的可靠度分析［J］. 工程力学，2014，31（4）：112-118.
[33]	张秀华，张宇，段忠东，等. 爆炸荷载作用下钢柱的动力响应与影响因素分析［J］. 防灾减灾工程学报，2014，34（1）：73-77.
[34]	方秦，赵建魁，陈力. 爆炸与火荷载联合作用下钢梁耐火极限的数值分析［J］. 土木工程学报，2010，43（增刊2）：62-68.
[35]	齐宝欣，阎石，刘蕾，等. 高温和爆炸荷载作用下轻钢柱破坏影响因素分析［J］. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2012，28（2）：200-207.
[36]	陈俊岭，彭文兵，黄鑫. 二层钢框架—组合楼板体系抗倒塌试验研究［J］. 同济大学学报（自然科学版），2012，40（9）：1300-1305.
[37]	高山，郭兰慧，吴兆旗，等. 关键柱失效后组合框架抗倒塌试验研究及理论分析［J］. 建筑结构学报，2013，34（4）：43-48.
[38]	Song L，Izzuddin B A，Elnashai A S，et al. An integrated adaptive environment for fire and explosion analysis of steel frames：part I：analytical models［J］. Journal of Constructional Steel Research，2000，53（1）：63-85.
[39]	Liew J Y R，Chen H. Explosion and fire analysis of steel frames using fiber element approach［J］. Journal of Structural Engineering，2004，130（7）：991-1000.
[40]	McConnell J R，Cotter T，Rollins T. Finite element analysis assessing partial catenary action in steel beams［J］. Journal of Constructional Steel Research，2015，109：1-12.
[41]	赵宪忠，闫伸，陈以一. 大跨度空间结构连续性倒塌研究方法与现状［J］. 建筑结构学报，2013，34（4）：1-14.
[42]	沈世钊，范峰，支旭东. 网壳结构强震失效机理［M］. 北京：科学出版社，2014.
[43]	沈世钊，范峰，武岳，等. 空间结构抗极端灾害作用研究进展［J］. 建筑结构学报，2025，46（8）：68-78.
[44]	王元清，武延民，石永久，等. 低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究［J］. 铁道科学与工程学报，2005（1）：1-4.
[45]	王元清，武延民，石永久，等. 温度对结构钢材裂纹尖端张开位移（CTOD）的影响分析［J］. 工程力学，2006，23（4）：74-78.
[46]	王春生，段兰，胡景雨，等. 桥梁高性能钢HPS 485W断裂韧性试验研究［J］. 工程力学，2013，30（8）：54-59.
[47]	蔡骜，陈满泰，左文康，等. 高强度钢材低温力学性能试验研究与预测模型［J］. 上海交通大学学报，2024，58（11）：1707-1715.
[48]	贾星兰，刘文珽. 焊接构件低温疲劳P-S-N曲线的研究［J］. 北京航空航天大学学报，2001（6）：684-686.
[49]	张玉玲. 大型铁路焊接钢桥疲劳断裂性能与安全设计［D］. 北京：清华大学，2005.
[50]	de Jesus A M P，Matos R，Fontoura B F C，et al. A comparison of the fatigue behavior between S355 and S690 steel grades［J］. Journal of Constructional Steel Research，2012，79：140-150.
[51]	Walters C L. The effect of low temperatures on the fatigue of high-strength structural grade steels［J］. Procedia Materials Science，2014，3：209-214.
[52]	王元清. 钢结构在低温下脆性破坏的研究［J］. 低温建筑技术，1998（2）：2-5.
[53]	Schilling C G，Klippstein K H，Barsom J M，et al. Low-temperature tests of simulated bridge members［J］. Journal of the Structural Division，1975，101（1）：31-48.
[54]	宋满荣，金晨曦，冯然，等. 不锈钢圆管T型相贯节点疲劳性能研究［J］. 建筑结构，2025，55（11）：84-90.
[55]	王庆敏，王忠民，刘应心. 高层建筑用耐火钢研究与应用综述［J］. 宽厚板，2020，26（4）：45-48.
[56]	欧阳辉，郑晓芬，程浩. 高强钢结构抗火性能研究现状［J］. 结构工程师，2022，38（6）：202-213.
[57]	杜咏，李国强. 基于场模型的大空间建筑火灾钢构件升温的简化计算方法［J］. 消防科学与技术，2006（3）：299-303.
[58]	杜咏，李国强. 考虑火焰辐射的大空间建筑火灾中钢构件升温实用计算方法［J］. 建筑科学与工程学报，2008（3）：54-60.
[59]	Bailey C G，Burgess I W，Plank R J. Analyses of the effects of cooling and fire spread on steel-framed buildings［J］. Fire Safety Journal，1996，26（4）：273-293.
[60]	范圣刚，舒赣平，吕志涛，等. 火灾后网架结构的加固与修复设计［J］. 工业建筑，2002，32（10）：69-71.
[61]	田玉敏，刘茂. 高层建筑火灾风险的概率模糊综合评价方法［J］. 中国安全科学学报，2004（9）：103-107.
[62]	朱美春，程亮，李国强，等. 钢结构侧面角焊缝高温后力学性能［J］. 建筑材料学报，2016，19（4）：706-711.
[63]	李国强，吕慧宝，张超. Q690钢材高温后的力学性能试验研究［J］. 建筑结构学报，2017，38（5）：109-116.
[64]	王卫永，张艳红，李翔. 高强Q960钢高温后力学性能试验研究［J］. 建筑材料学报，2022，25（1）：102-110.
[65]	屈立军，李焕群，王跃琴，等. 国产钢结构用Q345（16Mn）钢高温力学性能的恒温加载试验研究［J］. 土木工程学报，2008，41（7）：33-40.
[66]	刘红波，应皎洁，陈志华. 空间结构太阳辐射非均匀温度问题的研究进展［J］. 建筑结构，2017，47（16）：59-63.
[67]	刘红波，陈志华. 大跨度建筑结构太阳辐射非均匀温度效应［M］. 北京：科学出版社，2016.
[68]	高昂，陈兆雄，冯健，等. 不均匀温度作用对广州新客站主站房钢结构影响［J］. 建筑结构，2009，39（12）：46-47.
[69]	金晓飞，范峰，李景芳. 山西三馆日照非均匀温度作用分析［J］. 空间结构，2012，18（3）：80-85.
[70]	梁彩凤，侯文泰. 碳钢、低合金钢16年大气暴露腐蚀研究［J］. 中国腐蚀与防护学报，2005（1）：2 -7.
[71]	史炜洲，童乐为，陈以一，等. 腐蚀对钢材和钢梁受力性能影响的试验研究［J］. 建筑结构学报，2012，33（7）：53-60.
[72]	张春涛，范文亮，李正良. 腐蚀环境中Q345等边角钢构件拟静力试验研究［J］. 工程力学，2014，31（11）：53-62.
[73]	王晓飞. 酸性大气环境下多龄期钢框架结构抗震性能及优化设计方法研究［D］. 西安：西安建筑科技大学，2015.
[74]	郑山锁，张晓辉，王晓飞，等. 近海大气环境下多龄期钢框架柱抗震性能的试验研究［J］. 土木工程学报，2016，49（4）：69-77.
[75]	高山，郭兰慧，吴兆旗，等. 关键柱失效后组合框架抗倒塌试验研究及理论分析［J］. 建筑结构学报，2013，34（4）：43-48.
[76]	王友德，史涛，徐善华，等. 一般大气环境锈蚀钢柱抗震性能试验与数值分析［J］. 土木工程学报，2021，54（6）：62-78.
[77]	陈昌海. 建筑钢结构抗力性能的时间影响因素分析及时变可靠性评价［D］. 重庆：重庆大学，2007.
[78]	姚继涛，刘金华，吴增良. 既有结构抗力的随机过程概率模型［J］. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2008（4）：445-449.
[79]	赵婷婷. 腐蚀钢结构受弯构件刚度及稳定性退化模型分析［D］. 西安：西安建筑科技大学，2010.
[80]	Suraratchai M，Limido J，Mabru C，et al. Modelling the influence of machined surface roughness on the fatigue life of aluminium alloy［J］. International Journal of Fatigue，2008，30（12）：2119-2126.
[81]	Kainuma S，Jeong Y S，Ahn J H. Investigation on the stress concentration effect at the corroded surface achieved by atmospheric exposure test［J］. Materials Science and Engineering：A，2014，602：89-97.
[82]	Xu S H，Wang Y D. Estimating the effects of corrosion pits on the fatigue life of steel plate based on the 3D profile［J］. International Journal of Fatigue，2015，72：27-41.
[83]	万浩. 乙烯基丙烯酸聚氨酯疏水防腐涂料的制备及性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[84]	孙乾坤，张爱黎，韩东山，等. 新型硼酸有机硅单体共聚耐高温材料制备［J］. 沈阳理工大学学报，2019，38（1）：34-38.
[85]	刘建国，李言涛，侯保荣. 海洋浪溅区钢铁腐蚀与防护进展［J］. 腐蚀与防护，2012，33（10）：833-836.
[86]	杨跃富. 海洋平台结构腐蚀疲劳试验与评估方法研究［D］. 广州：华南理工大学，2023.
[87]	陈滨滨. 太阳辐射作用下大跨结构非均匀温度效应研究［D］. 天津：天津大学，2014.
[88]	吕勇康. 高原高寒地区大跨度钢结构日照温度场及温度效应研究［D］. 成都：西南科技大学，2023.
[89]	李志鹏，孟祥瑞，张晋元，等. 太阳辐射作用下大型预埋件温度效应分析［J］. 建筑结构，2024，54（3）：31-38.
[90]	李彤，许楠楠，李公平，等. 耐辐射核级防护涂层材料的研发［J］. 原子能科学技术，2025，59（12）：2714.
[91]	李杰. 生命线工程抗震：基础理论与应用［M］. 北京：科学出版社，2005.
[92]	Farahani S，Behnam B，Tahershamsi A. Probabilistic seismic multi-hazard loss estimation of Iran gas trunklines［J］. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2020，66：104176.
[93]	Cheng Y，Elsayed E A，Chen X. Random multi hazard resilience modeling of engineered systems and critical infrastructure［J］. Reliability Engineering& System Safety，2021，209：107453.
[94]	Bruneau M，Chang S E，Eguchi R T，et al. A framework to quantitatively assess and enhance the seismic resilience of communities［J］. Earthquake Spectra，2003，19（4）：733-752.
[95]	薄景山，王玉婷，薄涛，等. 城市和建筑抗震韧性研究的进展与展望［J］. 地震工程与工程振动，2022，42（2）：13-21.
[96]	翟长海，岳清瑞，谢礼立. 抗震韧性城市评估与构建［J］. 建筑结构学报，2024，45（5）：1-13.
[97]	Ouyang M，Dueñas-Osorio L，Min X. A three-stage resilience analysis framework for urban infrastructure systems［J］. Structural Safety，2012，36-37：23-31.
[98]	白立敏，修春亮，冯兴华，等. 中国城市韧性综合评估及其时空分异特征［J］. 世界地理研究，2019，28（6）：77-87.
[99]	吕西林，陈云，毛苑君. 结构抗震设计的新概念：可恢复功能结构［J］. 同济大学学报（自然科学版），2011，39（7）：941-948.
[100]	Ghorbani-Renani N，González A D，Barker K，et al. Protection-interdiction-restoration：tri-level optimization for enhancing interdependent network resilience［J］. Reliability Engineering& System Safety，2020，199：106907.
[101]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑钢结构防腐蚀技术规程：JGJ/T 251—2011［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2011.
[102]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑钢结构防火技术规范：GB 51249—2017［S］. 北京：中国计划出版社，2017.
[103]	中华人民共和国交通运输部. 海港工程钢结构防腐蚀技术规范：JTS 153-3—2007［S］. 北京：人民交通出版社，2007.
[104]	中华人民共和国国家发展和改革委员会. 水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程：DL/T 5358—2006［S］. 北京：中国电力出版社，2006.
[105]	中华人民共和国国家发展和改革委员会. 电力工程地下金属构筑物防腐技术导则：DL/T 5394—2007［S］. 北京：中国电力出版社，2007.
[106]	中国工程建设标准化协会. 严寒和寒冷地区农村居住建筑节能改造技术规程：T/ CECS 741—2020［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2020.
[107]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构通用规范：GB 55006—2021［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2021.
[108]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构设计标准：GB 50017—2017［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2018.
[109]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ 99—2015［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2015.
[110]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 高强钢结构设计标准：JGJ/T 483—2020［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2020.
[111]	American Bureau of Shipping（ABS）. Requirements for buckling and ultimate strength assessment for offshore structures［S］. Houston：ABS，2022.
[112]	ASTM International. Standard specification for high-strength low-alloy nickel，copper，phosphorus steel H-piles and sheet piling with atmospheric corrosion resistance for use in marine environments：ASTM A690/A690M-24［S］. West Conshohocken：ASTM International，2024.
[113]	European Committee for Standardization（CEN）. Structural steels with improved atmospheric corrosion resistance：technical delivery conditions：EN 10155∶1993［S］. Brussels：CEN，1993.
[114]	ASTM International. Standard specification for seamless and welded steel pipe for low-temperature service and other applications with required notch toughness：ASTM A333/A333M-24［S］. West Conshohocken：ASTM International，2024.