基于知識圖譜的國內(nèi)外高強鋼領(lǐng)域研究熱點分析*

郭宏超， 毛寬宏， 周熙哲， 李 慎

(1 陜西省黃土力學(xué)與工程重點實驗室， 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，高強度鋼材在世界范圍內(nèi)的多個建筑結(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)濟效益。與普通鋼材相比，高強度鋼材具有材質(zhì)均勻、剛度大、塑性和韌性好等優(yōu)點[1]。

高強度鋼材最早應(yīng)用在20世紀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；目前我國已有多個建筑使用高強度鋼材[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。高強鋼領(lǐng)域的研究熱點以及演化趨勢對國內(nèi)外學(xué)者對高強鋼領(lǐng)域進行下一步研究具有重要的參考價值。因此，本文將信息可視化技術(shù)與計量學(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)于高強鋼領(lǐng)域的相關(guān)文獻進行梳理分析，以期為該領(lǐng)域的研究提供參考。

圖1 高強鋼工程應(yīng)用實例

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)的理論方法與文獻計量分析相結(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)計量學(xué)對數(shù)據(jù)和信息進行可視化分析的軟件，通過此軟件可使復(fù)雜的文獻信息進行整合分析，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。通過對文獻的共被引分析(Cite Reference)梳理出共被引次數(shù)較多的文獻進行詳細閱讀，找出其對高強鋼領(lǐng)域發(fā)展的重要意義和影響。定量分析則是對高強鋼領(lǐng)域所出現(xiàn)的高頻詞匯及出現(xiàn)頻次進行統(tǒng)計分析，利用Citespace3.9軟件得到所統(tǒng)計文獻的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵作者等圖譜，并結(jié)合文獻的中心度等具體數(shù)值，對關(guān)鍵文獻與研究熱點進行客觀分析。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為了更加全面地了解高強鋼領(lǐng)域的研究進展，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，為了獲得高強鋼的最新研究熱點，文獻檢索的時間跨度為2008—2019年。為避免文獻有所重復(fù)，對所選文獻進行篩選，并通過閱讀文獻摘要及關(guān)鍵詞進行人工篩選，將期刊聲明等無效文獻刪除，最終確定了WOS數(shù)據(jù)庫的108篇文獻以及CNKI數(shù)據(jù)庫的244篇文獻。數(shù)據(jù)篩選見表1，這些文獻代表了國內(nèi)外關(guān)于高強鋼領(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)點的知識網(wǎng)絡(luò)，從而分析出高強鋼領(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中所提取的文獻樣本，將國內(nèi)外有關(guān)高強鋼領(lǐng)域的文獻按年份進行整合處理，從整體上把握高強鋼領(lǐng)域的研究趨勢。

圖2給出了2008—2019年國內(nèi)外高強鋼領(lǐng)域發(fā)文量統(tǒng)計。由圖2可以看出：國內(nèi)外有關(guān)高強鋼領(lǐng)域研究從2012年起，文獻發(fā)表量明顯升高，雖在2015—2016年文獻發(fā)表量出現(xiàn)了下降，但仍要多于2012年以前的文獻發(fā)表量，并且2017年起該領(lǐng)域的文獻發(fā)表量仍繼續(xù)增多?？v觀2008—2019年高強鋼領(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，高強鋼領(lǐng)域的研究也取得了一定的成果，促進了高強鋼領(lǐng)域的發(fā)展。

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

3 研究熱點分析

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

3.1 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域研究熱點

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

圖3 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域研究熱點知識圖譜

圖譜中共出現(xiàn)285個節(jié)點，面積較大的節(jié)點對應(yīng)的關(guān)鍵詞為高頻詞，代表了高強鋼領(lǐng)域的研究熱點。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個關(guān)鍵詞，見表2。其中，中心度表示某一個詞匯與中心節(jié)點之間相關(guān)程度的高低，中心度數(shù)值越高說明與中心節(jié)點的相關(guān)度越緊密。

從表2和圖3可以看出：以“高強鋼”(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，僅局限于高強鋼的某幾個方面。分析發(fā)現(xiàn)2008—2019年間，國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域的研究主要集中在以下幾個方面：

表2 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域研究熱點高頻詞

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

(2)高強鋼滯回性能：國內(nèi)對高強鋼的滯回性能的研究主要集中在高強鋼材料本身、高強鋼壓彎構(gòu)件以及高強鋼梁柱節(jié)點，研究以上各構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的滯回性能是為了進一步研究此種材料的高強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)計提供一定的試驗及數(shù)值建議。

(3)高強鋼殘余應(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)的一個重要影響因素和相關(guān)研究的基本前提條件。由于高強鋼材料特性與制造工藝與普通鋼材不同，故準確可靠地建立殘余應(yīng)力對數(shù)值模擬和設(shè)計理論研究都非常重要。研究熱點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)高強鋼穩(wěn)定性能：高強鋼因其材料強度高，構(gòu)件的厚度通常比普通鋼材小，導(dǎo)致高強鋼構(gòu)件的穩(wěn)定問題更為突出，因此需要對高強鋼穩(wěn)定性能進行深入研究。研究熱點主要包括受壓構(gòu)件的整體與局部失穩(wěn)性能。

3.2 國外高強鋼領(lǐng)域研究熱點

對比國內(nèi)的高頻關(guān)鍵詞，進行國外高強鋼領(lǐng)域研究熱點分析。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鋼領(lǐng)域的研究熱點知識圖譜，共得到340個節(jié)點，如圖4所示。根據(jù)篩選同義詞以及刪除針對性不強的關(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 國外高強鋼領(lǐng)域研究熱點知識圖譜

表3 國外高強鋼領(lǐng)域研究熱點高頻詞

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)點大小均很小，說明國外有關(guān)高強鋼領(lǐng)域的研究較為集中，僅局限于某一研究方向，研究熱點較為局限。分析國外高強鋼領(lǐng)域的主要研究熱點發(fā)現(xiàn)，與國內(nèi)相同，國外對高強鋼領(lǐng)域的研究重點仍是材料的力學(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，國外文獻除了研究高強鋼的力學(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，分別查找國內(nèi)外高強鋼領(lǐng)域中具有權(quán)威性的文獻，從中得到其發(fā)展趨勢。

4.1 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)

由于CNKI數(shù)據(jù)庫不能進行“cited reference”分析，故對CNKI數(shù)據(jù)庫運用“Author”分析以及查尋關(guān)鍵文獻功能以此得到國內(nèi)高強鋼領(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，見表4。

圖5 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)知識圖譜

表4 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域經(jīng)典文獻

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，同濟大學(xué)李國強，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)郭宏超在高強鋼領(lǐng)域研究較為深入，具有突出貢獻。清華大學(xué)團隊[6，9-10,12,16-17]主要在高強鋼構(gòu)件的力學(xué)性能以及在低溫環(huán)境下的脆性斷裂、高強鋼螺栓抗剪連接的破壞模式與極限強度以及高強鋼軸心受力構(gòu)件的穩(wěn)定性能等方面做了大量研究；同濟大學(xué)團隊[7,14-15,18-19]進行了高強鋼構(gòu)件穩(wěn)定與基本力學(xué)性能研究，在高強鋼受力構(gòu)件以及高強鋼梁柱節(jié)點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，對高強鋼壓彎構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下的受力性能進行有限元模擬分析，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)性能進行比較，為高強鋼結(jié)構(gòu)抗震性能提供較為準確的本構(gòu)模型。蘇明周等[11,20-21]將高強鋼應(yīng)用于偏心支撐結(jié)構(gòu)，框架采用高強鋼材，耗能梁段采用屈服點較低的鋼材，對高強鋼組合偏心支撐結(jié)構(gòu)進行了抗震性能試驗。郭宏超等[22-25]在高強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，高強鋼母材及連接接頭的疲勞性能等。整體而言，國內(nèi)對高強鋼領(lǐng)域的研究學(xué)者較為集中，僅局限于個別高校且研究聯(lián)系不緊密，個別學(xué)者的研究熱點大概一致。

4.2 國外文獻高強鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)

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

表5 高強鋼領(lǐng)域經(jīng)典外文文獻

圖6 國外文獻高強鋼領(lǐng)域知識基礎(chǔ)知識圖譜

經(jīng)過對經(jīng)典文獻的仔細研讀，可以得出：外文文獻較多為我國學(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)上進行的相關(guān)研究。Rasmussen等[26-27]研究了高強鋼軸壓構(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)范進行對比，表明澳大利亞AS4100規(guī)范中αb=0的柱曲線，適用于強度更高的柱，此研究為高強鋼整體穩(wěn)定提出設(shè)計要求；Ban等[28-29]對Q460與Q690高強鋼短柱進行軸壓試驗，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)計公式。Wang等[30]對Q460高強鋼箱形柱進行軸壓試驗，從而將理論曲線與歐洲規(guī)范等各國規(guī)范進行比較。Lee等[31]對抗拉強度為800MPa的全截面工字形鋼梁進行彎曲試驗，研究該種高強鋼鋼梁的抗彎承載力以及轉(zhuǎn)動能力。

5 演進趨勢分析

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

圖7 國內(nèi)高強鋼領(lǐng)域突現(xiàn)詞時序圖

圖8 國外高強鋼領(lǐng)域突現(xiàn)詞時序圖

由圖可知：國內(nèi)外有關(guān)高強鋼領(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”，“seismic behavior”，“finite element analysis”等高頻詞可知國內(nèi)外在此階段，高強鋼領(lǐng)域的研究主要集中于高強鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究?？傮w而言，高強鋼領(lǐng)域的研究熱點目前主要是高強鋼構(gòu)件的靜力性能，部分也涉及到了高強鋼構(gòu)件的抗震性能，但國內(nèi)外針對高強鋼梁柱節(jié)點及其組合件力學(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)外高強鋼領(lǐng)域的相關(guān)文獻，運用Citespace軟件進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、基礎(chǔ)知識以及演進趨勢。研究結(jié)論如下：

(1)高強鋼領(lǐng)域國內(nèi)外研究熱點較為一致，主要集中于“力學(xué)性能”，“整體穩(wěn)定”，“mechanical-properties”，“residual stress”等高強鋼材料力學(xué)性能以及高強鋼整體穩(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)與國外研究重點仍是對高強鋼基礎(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)不多的幾所研究機構(gòu)。

(3)從國內(nèi)外高強鋼領(lǐng)域演進趨勢來看，早期對高強鋼領(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，主要集中在高強鋼靜力性能；2014年以后高強鋼領(lǐng)域的相關(guān)研究成果也在一直增加，研究熱點逐漸深入至高強鋼結(jié)構(gòu)抗震性能以及高強鋼連接等方面。