基于板件相關(guān)的不銹鋼管截面分類方法研究淺析

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(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題逐漸顯露出來(lái)，因此從選擇材料越來(lái)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(hù)和全生命周期成本低、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，使其在建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊的適用性。

從20世紀(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)。本世紀(jì)以來(lái)，隨著歐洲、美國(guó)等國(guó)家相關(guān)設(shè)計(jì)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(tái)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(zhǎng)1596米，主跨長(zhǎng)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(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)，上部的115米為由不銹鋼外皮和強(qiáng)化混凝土內(nèi)芯構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。此工程正是因?yàn)椴讳P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(diǎn)采用高強(qiáng)度的雙相不銹鋼S32205(1.4462)夾具進(jìn)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(qiáng)度雙相不銹鋼J92205(CD3MN)。

目前,歐洲和美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家已有不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（ASCE-8-02,EC3 Part 1.4,AS/NZS 4673)，在歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，把截面分成四類，當(dāng)構(gòu)件截面承壓或受彎時(shí)，第1-3類截面在達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度之前不會(huì)發(fā)生板件的局部屈曲，而第4類截面中板件會(huì)在低于材料屈服強(qiáng)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(jìn)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(duì)截面承載力的削弱，對(duì)第4類截面在受壓時(shí)采用板件有效寬度系數(shù)ρ對(duì)毛截面受壓區(qū)面積Ac進(jìn)行折減，計(jì)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(diǎn)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(dòng)變形能力，能夠在不降低抗力的前提下進(jìn)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。可以承受塑性屈服彎矩，但由于局部屈曲限制了轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力。

（3）第3類截面：可達(dá)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(dá)到屈服強(qiáng)度，但由于局部屈曲，截面無(wú)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(huì)在截面達(dá)到屈服強(qiáng)度之前發(fā)生。

1.2 進(jìn)一步研究的目的和意義

相對(duì)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(jì)規(guī)范不完全成熟，構(gòu)件截面沒有規(guī)格化，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)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(tái)，所以一般結(jié)構(gòu)用鋼的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是屈服極限，但對(duì)于不銹鋼則用拉伸測(cè)試中的永久伸長(zhǎng)量的0.2%所對(duì)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(dòng)，而不銹鋼則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變硬化，極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(duì)不銹鋼進(jìn)行截面分類是不夠科學(xué)的。

另一方面，不銹鋼在生產(chǎn)過(guò)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(duì)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(huì)導(dǎo)致板件之間的相關(guān)性增強(qiáng)，所以板件在屈曲時(shí)強(qiáng)側(cè)板件會(huì)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(zhǔn)件來(lái)進(jìn)行的，并沒有考慮板件間的相關(guān)性，所以理論上說(shuō)承載力計(jì)算偏保守，在現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)中桿件仍有富余。

基于以上兩點(diǎn)，如果按照現(xiàn)行歐州規(guī)范進(jìn)行不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會(huì)存在一定程度的浪費(fèi)?；诂F(xiàn)有不銹鋼構(gòu)件的試驗(yàn)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(jì)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(jì)，達(dá)到充分利用不銹鋼構(gòu)件截面，為節(jié)省工程造價(jià)打下基礎(chǔ)。

1.3 工程應(yīng)用價(jià)值

由于現(xiàn)行工程設(shè)計(jì)是基于單一板件準(zhǔn)則的，所以在判定構(gòu)件截面屈曲上認(rèn)為構(gòu)件是全截面屈曲的，而實(shí)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(qiáng)側(cè)板件會(huì)給予弱側(cè)板件有相應(yīng)的支撐作用，正是因?yàn)榇岁P(guān)系，通過(guò)板件相關(guān)性的研究，可以基于板件相關(guān)性對(duì)截面重新進(jìn)行分類，從而在實(shí)際工程考慮板相互作用的影響，達(dá)到節(jié)省材料的目的。

1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1995年，陳紹蕃對(duì)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(duì)待，板件屈曲具有相關(guān)性；1996年，張利若、陳紹蕃等對(duì)焊接工字形鋼構(gòu)件在純彎曲作用下的研究表明，翼緣對(duì)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(guò)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(duì)工字形壓彎構(gòu)件的試驗(yàn)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(qiáng)弱由截面形式?jīng)Q定，翼緣厚實(shí)腹板薄柔型的截面翼緣基本不發(fā)生局部屈曲，翼緣對(duì)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(duì)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(yán)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(qiáng)。局部屈曲承載力和整體穩(wěn)定承載力相當(dāng)?shù)臅r(shí)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(duì)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(duì)冷成型薄壁矩形管進(jìn)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(jì)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(wèn)題。建立了準(zhǔn)確的有限元模型，并對(duì)截面寬厚比組配和板件寬厚比兩個(gè)參數(shù)進(jìn)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(dāng)=1.0時(shí)板組相關(guān)程度最弱，此時(shí)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(shí)的強(qiáng)板對(duì)弱板提供了一定程度的約束，從而延緩了弱板的屈曲；當(dāng)超過(guò)2以后，對(duì)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(shí)截面的板組屈曲相關(guān)程度高。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 主要研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵措

總體來(lái)講，目前對(duì)基于不銹鋼截面板件相互影響的截面分類方法問(wèn)題的直接研究還相對(duì)較少，但是部分己有文獻(xiàn)成果對(duì)本課題具有參考價(jià)值，本課題研究的主要問(wèn)題存在于：

（l）不銹鋼材料較貴，做基于板件相關(guān)性的試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)；

（2）已有試驗(yàn)研究針對(duì)強(qiáng)度、承載力、穩(wěn)定等方面的較多，而對(duì)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(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，以不銹鋼管件截面構(gòu)件為對(duì)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(shí)際試驗(yàn)條件進(jìn)行分析，主要內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面:

（l）參考已有試驗(yàn)資料，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定模型設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)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(diǎn)殼單元SHELL181，采用 VonMises應(yīng)力屈服準(zhǔn)則和多線性等向強(qiáng)化(MISO)的應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)模擬材料的非線性。

（2）對(duì)有限元模型的參數(shù)(長(zhǎng)細(xì)比、壁厚、外徑、徑厚比、初始缺陷)進(jìn)行調(diào)整，在不同的b/t、h/t的情況下，對(duì)所設(shè)計(jì)的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并找出截面板件相互影響的關(guān)系；

（3）對(duì)截面板件相互影響的關(guān)系進(jìn)行討論，并歸類整理，找出規(guī)律，然后對(duì)截面進(jìn)行重分類，對(duì)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(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的研究成果進(jìn)行比較，對(duì)比同類數(shù)據(jù)的差異，驗(yàn)證新的分類方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

2.2 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析

研究方案分為三個(gè)步驟，包括理論研究，數(shù)值計(jì)算、分類方法研究。

（1）理論研究

理論研究主要研究?jī)?nèi)容有：分析不銹鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，對(duì)現(xiàn)有不銹鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法及理論進(jìn)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(duì)軸壓構(gòu)件和純彎構(gòu)件的截面參數(shù)進(jìn)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(jì)算

根據(jù)已有的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)軸壓構(gòu)件和純彎構(gòu)件建立數(shù)值計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，做出?duì)比分析，對(duì)分類方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

課題來(lái)源：浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目，課題編號(hào)Y201329732