郭宏超， 毛寬宏， 周熙哲， 李 慎

(1 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048；2 西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 西安 710048)

0 引言

隨著鋼材生產(chǎn)工藝的提高以及相應(yīng)焊接技術(shù)與加工方法的日趨成熟，高強(qiáng)度鋼材在世界范圍內(nèi)的多個(gè)建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中得到成功應(yīng)用，并取得了較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。與普通鋼材相比，高強(qiáng)度鋼材具有材質(zhì)均勻、剛度大、塑性和韌性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。

高強(qiáng)度鋼材最早應(yīng)用在20世紀(jì)60年代日本的工程界，隨后又逐步發(fā)展到德國、澳大利亞、美國等國家；目前我國已有多個(gè)建筑使用高強(qiáng)度鋼材[1]，如國家體育場、北京新保利大廈、深圳灣體育中心(圖1(a))、鳳凰國際傳媒中心(圖1(b))以及國內(nèi)的一些輸電塔結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)度鋼材作為一種應(yīng)用新型結(jié)構(gòu)材料，成為國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)以及演化趨勢對國內(nèi)外學(xué)者對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域進(jìn)行下一步研究具有重要的參考價(jià)值。因此，本文將信息可視化技術(shù)與計(jì)量學(xué)等方法相結(jié)合，采用Citespace3.9軟件，對2008—2019年國內(nèi)外主流期刊中關(guān)于高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理分析，以期為該領(lǐng)域的研究提供參考。

圖1 高強(qiáng)鋼工程應(yīng)用實(shí)例

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

知識圖譜是將應(yīng)用數(shù)學(xué)、圖形、信息可視化技術(shù)的理論方法與文獻(xiàn)計(jì)量分析相結(jié)合，在信息可視化的幫助下，生動地呈現(xiàn)出某學(xué)科知識領(lǐng)域的核心內(nèi)容以及發(fā)展趨勢。Citespace3.9(中文名為引證空間)是由美國Drexel大學(xué)陳超美教授開發(fā)的一款利用科學(xué)計(jì)量學(xué)對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行可視化分析的軟件，通過此軟件可使復(fù)雜的文獻(xiàn)信息進(jìn)行整合分析，從而挖掘出科學(xué)分析中包含的潛在規(guī)律[2]。

本文采用定性與定量分析的研究方法。通過對文獻(xiàn)的共被引分析(Cite Reference)梳理出共被引次數(shù)較多的文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)閱讀，找出其對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域發(fā)展的重要意義和影響。定量分析則是對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域所出現(xiàn)的高頻詞匯及出現(xiàn)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Citespace3.9軟件得到所統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵作者等圖譜，并結(jié)合文獻(xiàn)的中心度等具體數(shù)值，對關(guān)鍵文獻(xiàn)與研究熱點(diǎn)進(jìn)行客觀分析。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為了更加全面地了解高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究進(jìn)展，本文分析數(shù)據(jù)分別采用中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫以及Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫，文獻(xiàn)檢索日期為2019年6月3日。本文均采用主題檢索的方式，目的是盡可能地掌握國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究近況，期刊類源為SCI期刊、EI期刊、中文核心期刊。按照以上限定條件，為了獲得高強(qiáng)鋼的最新研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)檢索的時(shí)間跨度為2008—2019年。為避免文獻(xiàn)有所重復(fù)，對所選文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，并通過閱讀文獻(xiàn)摘要及關(guān)鍵詞進(jìn)行人工篩選，將期刊聲明等無效文獻(xiàn)刪除，最終確定了WOS數(shù)據(jù)庫的108篇文獻(xiàn)以及CNKI數(shù)據(jù)庫的244篇文獻(xiàn)。數(shù)據(jù)篩選見表1，這些文獻(xiàn)代表了國內(nèi)外關(guān)于高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究的學(xué)術(shù)主流，故本文以此作為數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)研究樣本，然后通過可視化工具得到不同分析節(jié)點(diǎn)的知識網(wǎng)絡(luò)，從而分析出高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與前沿研究。

表1 數(shù)據(jù)篩選

2 整體研究趨勢

文獻(xiàn)的發(fā)表量在一定程度上可以反映出某一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。根據(jù)表1中所提取的文獻(xiàn)樣本，將國內(nèi)外有關(guān)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的文獻(xiàn)按年份進(jìn)行整合處理，從整體上把握高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究趨勢。

圖2給出了2008—2019年國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域發(fā)文量統(tǒng)計(jì)。由圖2可以看出：國內(nèi)外有關(guān)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究從2012年起，文獻(xiàn)發(fā)表量明顯升高，雖在2015—2016年文獻(xiàn)發(fā)表量出現(xiàn)了下降，但仍要多于2012年以前的文獻(xiàn)發(fā)表量，并且2017年起該領(lǐng)域的文獻(xiàn)發(fā)表量仍繼續(xù)增多?？v觀2008—2019年高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的發(fā)文量整體呈上升趨勢，表明國內(nèi)外對該領(lǐng)域的研究總體上在增多，高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究也取得了一定的成果，促進(jìn)了高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的發(fā)展。

注：由于檢索日期為2019年6月，2019年文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量不能代表全年，故偏少。圖2 2008—2019年國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域發(fā)文量

3 研究熱點(diǎn)分析

文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞是文獻(xiàn)中主要思想的高度概括以及文獻(xiàn)核心內(nèi)容的集中和提取，關(guān)鍵詞能夠反映文章的核心思想[3]。文獻(xiàn)中頻率高的關(guān)鍵詞可以反映該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。將Citespace3.9軟件中“Keyword”作為分析節(jié)點(diǎn)，分別對國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)進(jìn)行梳理分析并繪制相應(yīng)的知識圖譜。

3.1 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)

知識圖譜中關(guān)鍵詞由圖譜中的圓形節(jié)點(diǎn)表示；圓形節(jié)點(diǎn)的大小表示所對應(yīng)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次；節(jié)點(diǎn)之間的連線表示關(guān)鍵詞的共被引關(guān)系，連線粗細(xì)表示共現(xiàn)關(guān)系的強(qiáng)弱[4]。根據(jù)檢索篩選的文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)繪制研究熱點(diǎn)的知識圖譜，如圖3所示。

圖3 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)知識圖譜

圖譜中共出現(xiàn)285個(gè)節(jié)點(diǎn)，面積較大的節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的關(guān)鍵詞為高頻詞，代表了高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。刪除同義詞或詞義相近的關(guān)鍵詞，最終根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)與中心程度的大小選取前10個(gè)關(guān)鍵詞，見表2。其中，中心度表示某一個(gè)詞匯與中心節(jié)點(diǎn)之間相關(guān)程度的高低，中心度數(shù)值越高說明與中心節(jié)點(diǎn)的相關(guān)度越緊密。

從表2和圖3可以看出：以“高強(qiáng)鋼”(中心度為0.33)為中心的其他關(guān)鍵詞包括“力學(xué)性能”(中心度為0.27)、“有限元分析”(中心度為0.23)、“滯回性能”(中心度為0.13)、“整體穩(wěn)定”(中心度為0.12)、“極限承載力”(中心度為0.1)等。整體而言，國內(nèi)對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究的關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率較為均勻，僅局限于高強(qiáng)鋼的某幾個(gè)方面。分析發(fā)現(xiàn)2008—2019年間，國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

表2 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)高頻詞

(1)高強(qiáng)鋼靜力性能：高強(qiáng)鋼是一種新型材料，其強(qiáng)度高于普通鋼材，故高強(qiáng)鋼的靜力性能是值得關(guān)注的研究熱點(diǎn)，主要包括高強(qiáng)鋼軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及高強(qiáng)鋼熱軋角鋼等的靜力性能。

(2)高強(qiáng)鋼滯回性能：國內(nèi)對高強(qiáng)鋼的滯回性能的研究主要集中在高強(qiáng)鋼材料本身、高強(qiáng)鋼壓彎構(gòu)件以及高強(qiáng)鋼梁柱節(jié)點(diǎn)，研究以上各構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的滯回性能是為了進(jìn)一步研究此種材料的高強(qiáng)鋼在地震作用下的抗震性能以及為該種材料構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)提供一定的試驗(yàn)及數(shù)值建議。

(3)高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力：截面殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能有顯著影響，殘余應(yīng)力雖然能夠自相平衡，但在外力作用下殘余應(yīng)力的存在仍對鋼構(gòu)件的力學(xué)性能有一定的影響。這也是鋼結(jié)構(gòu)彈塑性失穩(wěn)的一個(gè)重要影響因素和相關(guān)研究的基本前提條件。由于高強(qiáng)鋼材料特性與制造工藝與普通鋼材不同，故準(zhǔn)確可靠地建立殘余應(yīng)力對數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)理論研究都非常重要。研究熱點(diǎn)主要為焊接工字形截面、熱軋等邊角鋼截面、焊接箱形截面以及焊接圓鋼管截面的殘余應(yīng)力。

(4)高強(qiáng)鋼穩(wěn)定性能：高強(qiáng)鋼因其材料強(qiáng)度高，構(gòu)件的厚度通常比普通鋼材小，導(dǎo)致高強(qiáng)鋼構(gòu)件的穩(wěn)定問題更為突出，因此需要對高強(qiáng)鋼穩(wěn)定性能進(jìn)行深入研究。研究熱點(diǎn)主要包括受壓構(gòu)件的整體與局部失穩(wěn)性能。

3.2 國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)

對比國內(nèi)的高頻關(guān)鍵詞，進(jìn)行國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)分析。將WOS數(shù)據(jù)庫搜集到的108篇國外學(xué)者的研究成果繪制成國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)知識圖譜，共得到340個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。根據(jù)篩選同義詞以及刪除針對性不強(qiáng)的關(guān)鍵詞。按照頻次高低，得到了國外排名前10的關(guān)鍵詞，見表3。

圖4 國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)知識圖譜

表3 國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究熱點(diǎn)高頻詞

從表3和圖4可以看出：以“high strength steel”(中心度為0.86)為主的高頻關(guān)鍵詞分別為“behavior”(中心度為0.2)、“residual stress”(中心度為0.12)、“design”(中心度為0.18)、“column”(中心度為0.36)等。整體而言，與國內(nèi)情況類似，即除“high strength steel”關(guān)鍵詞以外，其余節(jié)點(diǎn)大小均很小，說明國外有關(guān)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究較為集中，僅局限于某一研究方向，研究熱點(diǎn)較為局限。分析國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，與國內(nèi)相同，國外對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究重點(diǎn)仍是材料的力學(xué)性能以及構(gòu)件截面的初始缺陷，值得注意的是，與國內(nèi)相比，國外文獻(xiàn)除了研究高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能外，還對其抗火性能有一定的研究。

4 Citespace3.9知識基礎(chǔ)分析

知識基礎(chǔ)反映的是某一研究領(lǐng)域中的前沿概念在文獻(xiàn)中的引用情況[5]。在Citespace3.9界面中選擇“cited reference”作為數(shù)據(jù)分析節(jié)點(diǎn)，分別查找國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域中具有權(quán)威性的文獻(xiàn)，從中得到其發(fā)展趨勢。

4.1 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)

由于CNKI數(shù)據(jù)庫不能進(jìn)行“cited reference”分析，故對CNKI數(shù)據(jù)庫運(yùn)用“Author”分析以及查尋關(guān)鍵文獻(xiàn)功能以此得到國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的有關(guān)知識基礎(chǔ)的知識圖譜(圖5)，并篩選出被引頻次較高的10篇經(jīng)典文獻(xiàn)，見表4。

圖5 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)知識圖譜

表4 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域經(jīng)典文獻(xiàn)

由圖5及表4可以得出：目前國內(nèi)清華大學(xué)施剛、王元清和石永久，同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)，重慶大學(xué)戴國欣，西安建筑科技大學(xué)蘇明周以及西安理工大學(xué)郭宏超在高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究較為深入，具有突出貢獻(xiàn)。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)[6，9-10,12,16-17]主要在高強(qiáng)鋼構(gòu)件的力學(xué)性能以及在低溫環(huán)境下的脆性斷裂、高強(qiáng)鋼螺栓抗剪連接的破壞模式與極限強(qiáng)度以及高強(qiáng)鋼軸心受力構(gòu)件的穩(wěn)定性能等方面做了大量研究；同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)[7,14-15,18-19]進(jìn)行了高強(qiáng)鋼構(gòu)件穩(wěn)定與基本力學(xué)性能研究，在高強(qiáng)鋼受力構(gòu)件以及高強(qiáng)鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究方面開展了一定工作。鄧椿森等[13]采用ANSYS有限元軟件考慮了材料、幾何非線性，幾何初始缺陷以及殘余應(yīng)力的影響，對高強(qiáng)鋼壓彎構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下的受力性能進(jìn)行有限元模擬分析，從而建立完善的分析模型；戴國欣等[8]對高強(qiáng)度鋼材與普通鋼材在單調(diào)、循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行比較，為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能提供較為準(zhǔn)確的本構(gòu)模型。蘇明周等[11,20-21]將高強(qiáng)鋼應(yīng)用于偏心支撐結(jié)構(gòu)，框架采用高強(qiáng)鋼材，耗能梁段采用屈服點(diǎn)較低的鋼材，對高強(qiáng)鋼組合偏心支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)。郭宏超等[22-25]在高強(qiáng)鋼連接方面開展了大量研究，包括焊接、螺栓連接及T形連接接頭的力學(xué)性能，高強(qiáng)鋼母材及連接接頭的疲勞性能等。整體而言，國內(nèi)對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究學(xué)者較為集中，僅局限于個(gè)別高校且研究聯(lián)系不緊密，個(gè)別學(xué)者的研究熱點(diǎn)大概一致。

4.2 國外文獻(xiàn)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)

將“cite reference”作為網(wǎng)絡(luò)分析節(jié)點(diǎn)對WOS數(shù)據(jù)庫中有關(guān)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的參考文獻(xiàn)進(jìn)行分析，通過對所搜集的108篇國外文獻(xiàn)中的參考文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，并繪制國外文獻(xiàn)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)圖譜(圖6)，以此作為研究高強(qiáng)鋼方面知識基礎(chǔ)。通過可視化界面中的“Generate a narrative”操作，篩選出了被引文獻(xiàn)頻次最多的10篇經(jīng)典文獻(xiàn)，見表5。

表5 高強(qiáng)鋼領(lǐng)域經(jīng)典外文文獻(xiàn)

圖6 國外文獻(xiàn)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)知識圖譜

經(jīng)過對經(jīng)典文獻(xiàn)的仔細(xì)研讀，可以得出：外文文獻(xiàn)較多為我國學(xué)者撰寫發(fā)表的，國外學(xué)者也是基于我國學(xué)者的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行的相關(guān)研究。Rasmussen等[26-27]研究了高強(qiáng)鋼軸壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，并且與Eurocode3以及澳大利亞、美國、英國等規(guī)范進(jìn)行對比，表明澳大利亞AS4100規(guī)范中αb=0的柱曲線，適用于強(qiáng)度更高的柱，此研究為高強(qiáng)鋼整體穩(wěn)定提出設(shè)計(jì)要求；Ban等[28-29]對Q460與Q690高強(qiáng)鋼短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，以此研究兩種鋼材的短柱的整體穩(wěn)定性，通過對比各國規(guī)范提出相應(yīng)的柱曲線以及其設(shè)計(jì)公式。Wang等[30]對Q460高強(qiáng)鋼箱形柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，從而將理論曲線與歐洲規(guī)范等各國規(guī)范進(jìn)行比較。Lee等[31]對抗拉強(qiáng)度為800MPa的全截面工字形鋼梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，研究該種高強(qiáng)鋼鋼梁的抗彎承載力以及轉(zhuǎn)動能力。

5 演進(jìn)趨勢分析

Citespace軟件中的“timezone”方式可以呈現(xiàn)出某一研究領(lǐng)域的演進(jìn)趨勢，根據(jù)不同時(shí)期其關(guān)鍵詞的不同可以較為清楚地了解高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的演進(jìn)趨勢。本文以“keyword”作為分析節(jié)點(diǎn)，繪制出國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域高頻詞時(shí)序圖。如圖7，8所示。

圖7 國內(nèi)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域突現(xiàn)詞時(shí)序圖

圖8 國外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域突現(xiàn)詞時(shí)序圖

由圖可知：國內(nèi)外有關(guān)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢大致類似，2008—2014年高頻關(guān)鍵詞“極限承載能力”，“殘余應(yīng)力”，“ductility”，“mechanical properties”等表明國內(nèi)外在高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究僅局限于材料本身即材料力學(xué)性能；2015—2019年，根據(jù)“偏心支撐”，“梁柱節(jié)點(diǎn)”，“seismic behavior”，“finite element analysis”等高頻詞可知國內(nèi)外在此階段，高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究主要集中于高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究?？傮w而言，高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)目前主要是高強(qiáng)鋼構(gòu)件的靜力性能，部分也涉及到了高強(qiáng)鋼構(gòu)件的抗震性能，但國內(nèi)外針對高強(qiáng)鋼梁柱節(jié)點(diǎn)及其組合件力學(xué)性能的研究尚未展開。

6 結(jié)論

通過搜集篩選WOS數(shù)據(jù)庫和 CNKI數(shù)據(jù)庫中2008—2019年間國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，運(yùn)用Citespace軟件進(jìn)行可視化分析并繪制相應(yīng)的知識圖譜以此分析其研究熱點(diǎn)、基礎(chǔ)知識以及演進(jìn)趨勢。研究結(jié)論如下：

(1)高強(qiáng)鋼領(lǐng)域國內(nèi)外研究熱點(diǎn)較為一致，主要集中于“力學(xué)性能”，“整體穩(wěn)定”，“mechanical-properties”，“residual stress”等高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能以及高強(qiáng)鋼整體穩(wěn)定性能。各關(guān)鍵詞之間聯(lián)系較為緊密，形成了較多的交叉研究。

(2)根據(jù)分析知識基礎(chǔ)圖譜發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)與國外研究重點(diǎn)仍是對高強(qiáng)鋼基礎(chǔ)性能的研究，國外研究學(xué)者之間的聯(lián)系較為緊密，而國內(nèi)研究學(xué)者主要集中在國內(nèi)為數(shù)不多的幾所研究機(jī)構(gòu)。

(3)從國內(nèi)外高強(qiáng)鋼領(lǐng)域演進(jìn)趨勢來看，早期對高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的研究相對較少；2012—2014年期間，該領(lǐng)域的研究成果逐年增長，主要集中在高強(qiáng)鋼靜力性能；2014年以后高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的相關(guān)研究成果也在一直增加，研究熱點(diǎn)逐漸深入至高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能以及高強(qiáng)鋼連接等方面。