梁 勇 張 韓

嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 嘉興 314000

1 不銹鋼結(jié)構(gòu)概述

1.1 不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境條件下容易腐蝕，隨著普通碳素鋼結(jié)構(gòu)的廣泛使用，它的耐腐蝕性差、后期維護費用高等問題逐漸顯露出來，因此從選擇材料越來越多的考慮采用更高性的鋼材。由于不銹鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性好、易于維護和全生命周期成本低、造型美觀等優(yōu)點，使其在建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊的適用性。

從20世紀30年代開始，不銹鋼就在建筑工程領(lǐng)域中得到使用，主要應(yīng)用在裝飾工程、圍護結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)。本世紀以來，隨著歐洲、美國等國家相關(guān)設(shè)計規(guī)范的修訂和完善，工程技術(shù)人員有了更為明確的應(yīng)用依據(jù)，不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸增多，特別是在跨海橋梁、海洋平臺等特殊環(huán)境下，由于不銹鋼良好的結(jié)構(gòu)性能、抗腐蝕性能和耐久性而受到了建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

香港昂船洲（stonecutters）大橋橋長1596米，主跨長1018米，大橋兩端的尖錐狀雙子單塔支撐著寬50米橋面。尖塔高于海平面295米，下部為強化混凝土結(jié)構(gòu)，上部的115米為由不銹鋼外皮和強化混凝土內(nèi)芯構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。此工程正是因為不銹鋼具有的耐久性和優(yōu)美的外觀，橋塔上部的復(fù)合結(jié)構(gòu)部分才選擇了不銹鋼作為外皮受力結(jié)構(gòu)。

北京新保利大廈的玻璃幕墻是世界上最大的索網(wǎng)玻璃幕墻之一，其中采用了不銹鋼纜、不銹鋼夾具、不銹鋼連接桿和支具。其中，水平和垂直鋼索命使用奧氏體不銹鋼S31600(1.4401)，鋼索交叉點采用高強度的雙相不銹鋼S32205(1.4462)夾具進行連接，主支撐鋼纜與索網(wǎng)之間的連接桿也采用了奧氏體不銹鋼S31600(1.4401)，支撐加固部件采用了高強度雙相不銹鋼J92205(CD3MN)。

目前,歐洲和美國等先進國家已有不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（ASCE-8-02,EC3 Part 1.4,AS/NZS 4673)，在歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，把截面分成四類，當構(gòu)件截面承壓或受彎時，第1-3類截面在達到材料的屈服強度之前不會發(fā)生板件的局部屈曲，而第4類截面中板件會在低于材料屈服強度的應(yīng)力下出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)。類似于普通鋼結(jié)構(gòu)的截面分類方法，根據(jù)板件寬厚比不同進行了分類，如表1所示。

表1 EN 1993-1-4中截面分類寬厚比限值

圖1 歐洲規(guī)范公式截面尺寸示意圖

考慮局部屈曲對截面承載力的削弱，對第4類截面在受壓時采用板件有效寬度系數(shù)ρ對毛截面受壓區(qū)面積Ac進行折減，計算得出板件受壓區(qū)的有效面積：

其中板件的有效寬度系數(shù)ρ與板件的約束條件和寬厚比相關(guān)。

根據(jù)歐洲規(guī)范的規(guī)定，這四類截面的特點如下：

（1）第1類截面：能產(chǎn)生塑性力矩能力且具有塑性分析所要求的扭轉(zhuǎn)能力的截面。具有形成塑性鉸的轉(zhuǎn)動變形能力，能夠在不降低抗力的前提下進行塑性分析。

（2）第2類截面：能產(chǎn)生塑性力矩能力但只有有限扭轉(zhuǎn)能力的截面?？梢猿惺芩苄郧澗兀捎诰植壳拗屏宿D(zhuǎn)動變形能力。

（3）第3類截面：可達到屈服力矩，但局部屈曲阻止產(chǎn)生塑力矩的截面。最大受壓邊緣應(yīng)力可以呈現(xiàn)彈性分布，最終達到屈服強度，但由于局部屈曲，截面無法承受極限屈服彎矩。

（4）第4類截面：其局部屈曲易于阻止屈服彎矩的產(chǎn)生。局部屈曲會在截面達到屈服強度之前發(fā)生。

1.2 進一步研究的目的和意義

相對于傳統(tǒng)的碳素鋼而言，不銹鋼結(jié)構(gòu)的初期成本較高，相關(guān)設(shè)計規(guī)范不完全成熟，構(gòu)件截面沒有規(guī)格化，工程設(shè)計人員對不銹鋼結(jié)構(gòu)綜合效益的理解不足，不銹鋼大規(guī)模應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)仍有不少障礙。

一方面，碳素鋼具有明顯的屈服平臺，所以一般結(jié)構(gòu)用鋼的設(shè)計基礎(chǔ)是屈服極限，但對于不銹鋼則用拉伸測試中的永久伸長量的0.2%所對應(yīng)的應(yīng)力作為名義屈服極限,一般結(jié)構(gòu)用鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線在屈服極限之后表現(xiàn)為屈服流動，而不銹鋼則表現(xiàn)出強烈的應(yīng)變硬化，極限強度和屈服強度之比也明顯要高于一般的結(jié)構(gòu)用鋼。因此歐州規(guī)范采用碳素鋼的截面分類原理對不銹鋼進行截面分類是不夠科學(xué)的。

另一方面，不銹鋼在生產(chǎn)過程中多是采用冷成型的方法，所以板件之間有一種相互約束作用，特別是對管截面構(gòu)件，其板件與板件的連接具有圓角如圖1所示，這種截面圓角會導(dǎo)致板件之間的相關(guān)性增強，所以板件在屈曲時強側(cè)板件會給弱側(cè)板件有一種支撐作用，而這種支撐在現(xiàn)行歐州規(guī)范中并沒有考慮，現(xiàn)行歐州規(guī)范主要是基于單一板件準件來進行的，并沒有考慮板件間的相關(guān)性，所以理論上說承載力計算偏保守，在現(xiàn)行工程設(shè)計中桿件仍有富余。

基于以上兩點，如果按照現(xiàn)行歐州規(guī)范進行不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，會存在一定程度的浪費?；诂F(xiàn)有不銹鋼構(gòu)件的試驗數(shù)據(jù)，建立考慮構(gòu)件截面上板件相互影響的數(shù)值計算模型，力求找到板件相互影響的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出考慮板件相關(guān)的截面分類方法，從而指導(dǎo)不銹鋼結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計，達到充分利用不銹鋼構(gòu)件截面，為節(jié)省工程造價打下基礎(chǔ)。

1.3 工程應(yīng)用價值

由于現(xiàn)行工程設(shè)計是基于單一板件準則的，所以在判定構(gòu)件截面屈曲上認為構(gòu)件是全截面屈曲的，而實際情況是由于板件的相互影響，可能導(dǎo)致一側(cè)板件先于另一側(cè)板件屈曲的，強側(cè)板件會給予弱側(cè)板件有相應(yīng)的支撐作用，正是因為此關(guān)系，通過板件相關(guān)性的研究，可以基于板件相關(guān)性對截面重新進行分類，從而在實際工程考慮板相互作用的影響，達到節(jié)省材料的目的。

1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1995年，陳紹蕃對受彎的卷邊槽鋼作了有限條法相關(guān)屈曲分析，闡明受彎構(gòu)件中的卷邊翼緣可以考慮按兩邊支承板對待，板件屈曲具有相關(guān)性；1996年，張利若、陳紹蕃等對焊接工字形鋼構(gòu)件在純彎曲作用下的研究表明，翼緣對腹板屈曲的約束系數(shù)與截面幾何尺寸以及塑性的開展深度有關(guān)，并非定值。2002年，陳紹蕃通過理論分析研究了冷彎型鋼構(gòu)件的板件相關(guān)屈曲，基于盈虧相抵的思想給出了板件約束系數(shù)的近似公式。

1997年，Rasmussen等對工字形壓彎構(gòu)件的試驗研究表明：板件局部穩(wěn)定與構(gòu)件整體穩(wěn)定相關(guān)性的強弱由截面形式?jīng)Q定，翼緣厚實腹板薄柔型的截面翼緣基本不發(fā)生局部屈曲，翼緣對屈曲后腹板有明顯的支撐作用，因此腹板局部屈曲不影響構(gòu)件的整體穩(wěn)定，即沒有顯著的相關(guān)性；對于翼緣和腹板具有相近的受壓穩(wěn)定性的截面，局部屈曲嚴重降低構(gòu)件的整體承載力，板件的局部穩(wěn)定與構(gòu)件整體穩(wěn)定的相關(guān)性較強。局部屈曲承載力和整體穩(wěn)定承載力相當?shù)臅r候，截面的局部穩(wěn)定和構(gòu)件的整體穩(wěn)定的相關(guān)性對構(gòu)件的初始缺陷十分敏感。

2003年，曾鋒利用有限元程序ANSYS對冷成型薄壁矩形管進行了彈性特征屈曲分析，擬合得到了均勻受壓矩形管翼緣和腹板的板組約束系數(shù)計算公式。

2016年，龍甘采用Abaqus軟件研究了冷成型不銹鋼矩形管受彎構(gòu)件的板組相關(guān)問題。建立了準確的有限元模型，并對截面寬厚比組配和板件寬厚比兩個參數(shù)進行了大量的參數(shù)化分析，研究冷成型不銹鋼矩形管受彎構(gòu)件彈塑性屈曲后板組相關(guān)性及其影響參數(shù)。發(fā)現(xiàn)，當=1.0時板組相關(guān)程度最弱，此時構(gòu)件正則化承載力（Mu/Me或Mu/Mp）最低；隨著的增加，構(gòu)件正則化承載力（Mu/Me或Mu/Mp）也逐漸增加，這是由于截面中厚實的強板對弱板提供了一定程度的約束，從而延緩了弱板的屈曲；當超過2以后，對構(gòu)件正則化承載力的影響趨于穩(wěn)定；薄柔截面的板組屈曲相關(guān)程度較厚實截面的板組屈曲相關(guān)程度高。

2 研究內(nèi)容

2.1 主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵措

總體來講，目前對基于不銹鋼截面板件相互影響的截面分類方法問題的直接研究還相對較少，但是部分己有文獻成果對本課題具有參考價值，本課題研究的主要問題存在于：

（l）不銹鋼材料較貴，做基于板件相關(guān)性的試驗耗時較長；

（2）已有試驗研究針對強度、承載力、穩(wěn)定等方面的較多，而對構(gòu)件截面分類的研究較少；

以已有不銹鋼構(gòu)件承載力試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，以不銹鋼管件截面構(gòu)件為對象，研究不銹鋼管件在軸壓、純彎的受力狀態(tài)下的承載力隨著相關(guān)板件的參數(shù)變化而發(fā)生變化的情況，并利用有限元模擬實際試驗條件進行分析，主要內(nèi)容包括如下幾個方面:

（l）參考已有試驗資料，對試驗結(jié)果進行分析，確定模型設(shè)計依據(jù)，設(shè)計有限元模型。其中一種有限元模型為軸壓短柱，截面主要為管件截面；另一種受力形式主要考慮純彎曲。其中，有限元模型主要考慮的因素包括:幾何、材料的雙重非線性，采用具有大變形功能的四節(jié)點殼單元SHELL181，采用 VonMises應(yīng)力屈服準則和多線性等向強化(MISO)的應(yīng)力應(yīng)變曲線來模擬材料的非線性。

（2）對有限元模型的參數(shù)(長細比、壁厚、外徑、徑厚比、初始缺陷)進行調(diào)整，在不同的b/t、h/t的情況下，對所設(shè)計的有限元模型進行計算，分析結(jié)果，對所得結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并找出截面板件相互影響的關(guān)系；

（3）對截面板件相互影響的關(guān)系進行討論，并歸類整理，找出規(guī)律，然后對截面進行重分類，對比分析截面重新分類的方法與歐洲規(guī)范的截面分類方法的差異，指明差異產(chǎn)生的原因及影響的后果。

（4）與國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的研究成果進行比較，對比同類數(shù)據(jù)的差異，驗證新的分類方法的準確性和實用性。

2.2 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實施方案及可行性分析

研究方案分為三個步驟，包括理論研究，數(shù)值計算、分類方法研究。

（1）理論研究

理論研究主要研究內(nèi)容有：分析不銹鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，對現(xiàn)有不銹鋼結(jié)構(gòu)的計算方法及理論進行討論，從中找到板件相互影響的理論依據(jù)，并由此展開分析與討論，對軸壓構(gòu)件和純彎構(gòu)件的截面參數(shù)進行分析，從理論上找出板件參數(shù)相互影響的依據(jù)。

（2）數(shù)值計算

根據(jù)已有的一些試驗數(shù)據(jù)，對軸壓構(gòu)件和純彎構(gòu)件建立數(shù)值計算的模型，采用數(shù)值模擬方法分析軸壓構(gòu)件及純彎構(gòu)件的受力形態(tài)及屈曲形態(tài)，得出板件相互影響的數(shù)學(xué)模型。

（3）截面分類方法研究

根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果和板件相互影響的數(shù)學(xué)模型，給出不銹鋼構(gòu)件截面板件具有相關(guān)性的結(jié)論，討論軸壓和純彎構(gòu)件分類的一些建議，并給合相關(guān)的它人實驗?zāi)Ｐ停龀鰧Ρ确治?，對分類方法進行評價。

課題來源：浙江省教育廳一般科研項目，課題編號Y201329732