基于知识图谱的国内外高强钢领域研究热点分析*

郭宏超， 毛宽宏， 周熙哲， 李 慎

(1 陕西省黄土力学与工程重点实验室， 西安 710048；2 西安理工大学土木建筑工程学院， 西安 710048)

0 引言

随着钢材生产工艺的提高以及相应焊接技术与加工方法的日趋成熟，高强度钢材在世界范围内的多个建筑结构和桥梁结构中得到成功应用，并取得了较好的社会效益与经济效益。与普通钢材相比，高强度钢材具有材质均匀、刚度大、塑性和韧性好等优点[1]。

高强度钢材最早应用在20世纪60年代日本的工程界，随后又逐步发展到德国、澳大利亚、美国等国家；目前我国已有多个建筑使用高强度钢材[1]，如国家体育场、北京新保利大厦、深圳湾体育中心(图1(a))、凤凰国际传媒中心(图1(b))以及国内的一些输电塔结构。高强度钢材作为一种应用新型结构材料，成为国内外专家学者关注的热点。高强钢领域的研究热点以及演化趋势对国内外学者对高强钢领域进行下一步研究具有重要的参考价值。因此，本文将信息可视化技术与计量学等方法相结合，采用Citespace3.9软件，对2008—2019年国内外主流期刊中关于高强钢领域的相关文献进行梳理分析，以期为该领域的研究提供参考。

图1 高强钢工程应用实例

1 研究方法及数据来源

1.1 研究方法

知识图谱是将应用数学、图形、信息可视化技术的理论方法与文献计量分析相结合，在信息可视化的帮助下，生动地呈现出某学科知识领域的核心内容以及发展趋势。Citespace3.9(中文名为引证空间)是由美国Drexel大学陈超美教授开发的一款利用科学计量学对数据和信息进行可视化分析的软件，通过此软件可使复杂的文献信息进行整合分析，从而挖掘出科学分析中包含的潜在规律[2]。

本文采用定性与定量分析的研究方法。通过对文献的共被引分析(Cite Reference)梳理出共被引次数较多的文献进行详细阅读，找出其对高强钢领域发展的重要意义和影响。定量分析则是对高强钢领域所出现的高频词汇及出现频次进行统计分析，利用Citespace3.9软件得到所统计文献的关键词网络、关键作者等图谱，并结合文献的中心度等具体数值，对关键文献与研究热点进行客观分析。

1.2 数据来源

为了更加全面地了解高强钢领域的研究进展，本文分析数据分别采用中国知网(CNKI)数据库以及Web of Science(WOS)数据库，文献检索日期为2019年6月3日。本文均采用主题检索的方式，目的是尽可能地掌握国内外高强钢领域的研究近况，期刊类源为SCI期刊、EI期刊、中文核心期刊。按照以上限定条件，为了获得高强钢的最新研究热点，文献检索的时间跨度为2008—2019年。为避免文献有所重复，对所选文献进行筛选，并通过阅读文献摘要及关键词进行人工筛选，将期刊声明等无效文献删除，最终确定了WOS数据库的108篇文献以及CNKI数据库的244篇文献。数据筛选见表1，这些文献代表了国内外关于高强钢领域研究的学术主流，故本文以此作为数据库基础研究样本，然后通过可视化工具得到不同分析节点的知识网络，从而分析出高强钢领域的研究现状与前沿研究。

表1 数据筛选

2 整体研究趋势

文献的发表量在一定程度上可以反映出某一领域的研究现状和该领域的发展趋势。根据表1中所提取的文献样本，将国内外有关高强钢领域的文献按年份进行整合处理，从整体上把握高强钢领域的研究趋势。

图2给出了2008—2019年国内外高强钢领域发文量统计。由图2可以看出：国内外有关高强钢领域研究从2012年起，文献发表量明显升高，虽在2015—2016年文献发表量出现了下降，但仍要多于2012年以前的文献发表量，并且2017年起该领域的文献发表量仍继续增多。纵观2008—2019年高强钢领域的发文量整体呈上升趋势，表明国内外对该领域的研究总体上在增多，高强钢领域的研究也取得了一定的成果，促进了高强钢领域的发展。

注：由于检索日期为2019年6月，2019年文献发表数量不能代表全年，故偏少。图2 2008—2019年国内外高强钢领域发文量

3 研究热点分析

文献的关键词是文献中主要思想的高度概括以及文献核心内容的集中和提取，关键词能够反映文章的核心思想[3]。文献中频率高的关键词可以反映该领域的研究热点。将Citespace3.9软件中“Keyword”作为分析节点，分别对国内外高强钢领域的研究热点进行梳理分析并绘制相应的知识图谱。

3.1 国内高强钢领域研究热点

知识图谱中关键词由图谱中的圆形节点表示；圆形节点的大小表示所对应关键词出现的频次；节点之间的连线表示关键词的共被引关系，连线粗细表示共现关系的强弱[4]。根据检索筛选的文献中关键词数据绘制研究热点的知识图谱，如图3所示。

图3 国内高强钢领域研究热点知识图谱

图谱中共出现285个节点，面积较大的节点对应的关键词为高频词，代表了高强钢领域的研究热点。删除同义词或词义相近的关键词，最终根据关键词出现的次数与中心程度的大小选取前10个关键词，见表2。其中，中心度表示某一个词汇与中心节点之间相关程度的高低，中心度数值越高说明与中心节点的相关度越紧密。

从表2和图3可以看出：以“高强钢”(中心度为0.33)为中心的其他关键词包括“力学性能”(中心度为0.27)、“有限元分析”(中心度为0.23)、“滞回性能”(中心度为0.13)、“整体稳定”(中心度为0.12)、“极限承载力”(中心度为0.1)等。整体而言，国内对高强钢领域研究的关键词出现的频率较为均匀，仅局限于高强钢的某几个方面。分析发现2008—2019年间，国内高强钢领域的研究主要集中在以下几个方面：

表2 国内高强钢领域研究热点高频词

(1)高强钢静力性能：高强钢是一种新型材料，其强度高于普通钢材，故高强钢的静力性能是值得关注的研究热点，主要包括高强钢轴心受压构件、受弯构件以及高强钢热轧角钢等的静力性能。

(2)高强钢滞回性能：国内对高强钢的滞回性能的研究主要集中在高强钢材料本身、高强钢压弯构件以及高强钢梁柱节点，研究以上各构件及结构的滞回性能是为了进一步研究此种材料的高强钢在地震作用下的抗震性能以及为该种材料构件的抗震设计提供一定的试验及数值建议。

(3)高强钢残余应力：截面残余应力对钢结构构件的力学性能有显著影响，残余应力虽然能够自相平衡，但在外力作用下残余应力的存在仍对钢构件的力学性能有一定的影响。这也是钢结构弹塑性失稳的一个重要影响因素和相关研究的基本前提条件。由于高强钢材料特性与制造工艺与普通钢材不同，故准确可靠地建立残余应力对数值模拟和设计理论研究都非常重要。研究热点主要为焊接工字形截面、热轧等边角钢截面、焊接箱形截面以及焊接圆钢管截面的残余应力。

(4)高强钢稳定性能：高强钢因其材料强度高，构件的厚度通常比普通钢材小，导致高强钢构件的稳定问题更为突出，因此需要对高强钢稳定性能进行深入研究。研究热点主要包括受压构件的整体与局部失稳性能。

3.2 国外高强钢领域研究热点

对比国内的高频关键词，进行国外高强钢领域研究热点分析。将WOS数据库搜集到的108篇国外学者的研究成果绘制成国外高强钢领域的研究热点知识图谱，共得到340个节点，如图4所示。根据筛选同义词以及删除针对性不强的关键词。按照频次高低，得到了国外排名前10的关键词，见表3。

图4 国外高强钢领域研究热点知识图谱

表3 国外高强钢领域研究热点高频词

从表3和图4可以看出：以“high strength steel”(中心度为0.86)为主的高频关键词分别为“behavior”(中心度为0.2)、“residual stress”(中心度为0.12)、“design”(中心度为0.18)、“column”(中心度为0.36)等。整体而言，与国内情况类似，即除“high strength steel”关键词以外，其余节点大小均很小，说明国外有关高强钢领域的研究较为集中，仅局限于某一研究方向，研究热点较为局限。分析国外高强钢领域的主要研究热点发现，与国内相同，国外对高强钢领域的研究重点仍是材料的力学性能以及构件截面的初始缺陷，值得注意的是，与国内相比，国外文献除了研究高强钢的力学性能外，还对其抗火性能有一定的研究。

4 Citespace3.9知识基础分析

知识基础反映的是某一研究领域中的前沿概念在文献中的引用情况[5]。在Citespace3.9界面中选择“cited reference”作为数据分析节点，分别查找国内外高强钢领域中具有权威性的文献，从中得到其发展趋势。

4.1 国内高强钢领域知识基础

由于CNKI数据库不能进行“cited reference”分析，故对CNKI数据库运用“Author”分析以及查寻关键文献功能以此得到国内高强钢领域的有关知识基础的知识图谱(图5)，并筛选出被引频次较高的10篇经典文献，见表4。

图5 国内高强钢领域知识基础知识图谱

表4 国内高强钢领域经典文献

由图5及表4可以得出：目前国内清华大学施刚、王元清和石永久，同济大学李国强，重庆大学戴国欣，西安建筑科技大学苏明周以及西安理工大学郭宏超在高强钢领域研究较为深入，具有突出贡献。清华大学团队[6，9-10,12,16-17]主要在高强钢构件的力学性能以及在低温环境下的脆性断裂、高强钢螺栓抗剪连接的破坏模式与极限强度以及高强钢轴心受力构件的稳定性能等方面做了大量研究；同济大学团队[7,14-15,18-19]进行了高强钢构件稳定与基本力学性能研究，在高强钢受力构件以及高强钢梁柱节点的抗震性能研究方面开展了一定工作。邓椿森等[13]采用ANSYS有限元软件考虑了材料、几何非线性，几何初始缺陷以及残余应力的影响，对高强钢压弯构件在循环荷载作用下的受力性能进行有限元模拟分析，从而建立完善的分析模型；戴国欣等[8]对高强度钢材与普通钢材在单调、循环荷载作用下的力学性能进行比较，为高强钢结构抗震性能提供较为准确的本构模型。苏明周等[11,20-21]将高强钢应用于偏心支撑结构，框架采用高强钢材，耗能梁段采用屈服点较低的钢材，对高强钢组合偏心支撑结构进行了抗震性能试验。郭宏超等[22-25]在高强钢连接方面开展了大量研究，包括焊接、螺栓连接及T形连接接头的力学性能，高强钢母材及连接接头的疲劳性能等。整体而言，国内对高强钢领域的研究学者较为集中，仅局限于个别高校且研究联系不紧密，个别学者的研究热点大概一致。

4.2 国外文献高强钢领域知识基础

将“cite reference”作为网络分析节点对WOS数据库中有关高强钢领域的参考文献进行分析，通过对所搜集的108篇国外文献中的参考文献进行可视化分析，并绘制国外文献高强钢领域知识基础图谱(图6)，以此作为研究高强钢方面知识基础。通过可视化界面中的“Generate a narrative”操作，筛选出了被引文献频次最多的10篇经典文献，见表5。

表5 高强钢领域经典外文文献

图6 国外文献高强钢领域知识基础知识图谱

经过对经典文献的仔细研读，可以得出：外文文献较多为我国学者撰写发表的，国外学者也是基于我国学者的研究基础上进行的相关研究。Rasmussen等[26-27]研究了高强钢轴压构件的稳定系数，并且与Eurocode3以及澳大利亚、美国、英国等规范进行对比，表明澳大利亚AS4100规范中αb=0的柱曲线，适用于强度更高的柱，此研究为高强钢整体稳定提出设计要求；Ban等[28-29]对Q460与Q690高强钢短柱进行轴压试验，以此研究两种钢材的短柱的整体稳定性，通过对比各国规范提出相应的柱曲线以及其设计公式。Wang等[30]对Q460高强钢箱形柱进行轴压试验，从而将理论曲线与欧洲规范等各国规范进行比较。Lee等[31]对抗拉强度为800MPa的全截面工字形钢梁进行弯曲试验，研究该种高强钢钢梁的抗弯承载力以及转动能力。

5 演进趋势分析

Citespace软件中的“timezone”方式可以呈现出某一研究领域的演进趋势，根据不同时期其关键词的不同可以较为清楚地了解高强钢领域的演进趋势。本文以“keyword”作为分析节点，绘制出国内外高强钢领域高频词时序图。如图7，8所示。

图7 国内高强钢领域突现词时序图

图8 国外高强钢领域突现词时序图

由图可知：国内外有关高强钢领域研究的发展趋势大致类似，2008—2014年高频关键词“极限承载能力”，“残余应力”，“ductility”，“mechanical properties”等表明国内外在高强钢领域的研究仅局限于材料本身即材料力学性能；2015—2019年，根据“偏心支撑”，“梁柱节点”，“seismic behavior”，“finite element analysis”等高频词可知国内外在此阶段，高强钢领域的研究主要集中于高强钢结构的抗震性能的研究。总体而言，高强钢领域的研究热点目前主要是高强钢构件的静力性能，部分也涉及到了高强钢构件的抗震性能，但国内外针对高强钢梁柱节点及其组合件力学性能的研究尚未展开。

6 结论

通过搜集筛选WOS数据库和 CNKI数据库中2008—2019年间国内外高强钢领域的相关文献，运用Citespace软件进行可视化分析并绘制相应的知识图谱以此分析其研究热点、基础知识以及演进趋势。研究结论如下：

(1)高强钢领域国内外研究热点较为一致，主要集中于“力学性能”，“整体稳定”，“mechanical-properties”，“residual stress”等高强钢材料力学性能以及高强钢整体稳定性能。各关键词之间联系较为紧密，形成了较多的交叉研究。

(2)根据分析知识基础图谱发现，国内与国外研究重点仍是对高强钢基础性能的研究，国外研究学者之间的联系较为紧密，而国内研究学者主要集中在国内为数不多的几所研究机构。

(3)从国内外高强钢领域演进趋势来看，早期对高强钢领域的研究相对较少；2012—2014年期间，该领域的研究成果逐年增长，主要集中在高强钢静力性能；2014年以后高强钢领域的相关研究成果也在一直增加，研究热点逐渐深入至高强钢结构抗震性能以及高强钢连接等方面。