钢结构在自然环境条件下容易腐蚀,随着普通碳素钢结构的广泛使用,它的耐腐蚀性差、后期维护费用高等问题逐渐显露出来,因此从选择材料越来越多的考虑采用更高性的钢材。由于不锈钢结构耐腐蚀性好、易于维护和全生命周期成本低、造型美观等优点,使其在建筑结构中具有广阔的适用性。
从20世纪30年代开始,不锈钢就在建筑工程领域中得到使用,主要应用在装饰工程、围护结构和屋盖结构。本世纪以来,随着欧洲、美国等国家相关设计规范的修订和完善,工程技术人员有了更为明确的应用依据,不锈钢结构的应用逐渐增多,特别是在跨海桥梁、海洋平台等特殊环境下,由于不锈钢良好的结构性能、抗腐蚀性能和耐久性而受到了建筑结构行业的广泛应用。
香港昂船洲(stonecutters)大桥桥长1596米,主跨长1018米,大桥两端的尖锥状双子单塔支撑着宽50米桥面。尖塔高于海平面295米,下部为强化混凝土结构,上部的115米为由不锈钢外皮和强化混凝土内芯构成的复合结构。此工程正是因为不锈钢具有的耐久性和优美的外观,桥塔上部的复合结构部分才选择了不锈钢作为外皮受力结构。
北京新保利大厦的玻璃幕墙是世界上最大的索网玻璃幕墙之一,其中采用了不锈钢缆、不锈钢夹具、不锈钢连接杆和支具。其中,水平和垂直钢索命使用奥氏体不锈钢S31600(1.4401),钢索交叉点采用高强度的双相不锈钢S32205(1.4462)夹具进行连接,主支撑钢缆与索网之间的连接杆也采用了奥氏体不锈钢S31600(1.4401),支撑加固部件采用了高强度双相不锈钢J92205(CD3MN)。
目前,欧洲和美国等先进国家已有不锈钢结构设计规范(ASCE-8-02,EC3 Part 1.4,AS/NZS 4673),在欧洲钢结构设计规范中,把截面分成四类,当构件截面承压或受弯时,第1-3类截面在达到材料的屈服强度之前不会发生板件的局部屈曲,而第4类截面中板件会在低于材料屈服强度的应力下出现屈曲失稳。类似于普通钢结构的截面分类方法,根据板件宽厚比不同进行了分类,如表1所示。
上表中，不锈钢的材料系数
考虑局部屈曲对截面承载力的削弱,对第4类截面在受压时采用板件有效宽度系数ρ对毛截面受压区面积Ac进行折减,计算得出板件受压区的有效面积:
其中板件的有效宽度系数ρ与板件的约束条件和宽厚比相关。
根据欧洲规范的规定,这四类截面的特点如下:
(1)第1类截面:能产生塑性力矩能力且具有塑性分析所要求的扭转能力的截面。具有形成塑性铰的转动变形能力,能够在不降低抗力的前提下进行塑性分析。
(2)第2类截面:能产生塑性力矩能力但只有有限扭转能力的截面。可以承受塑性屈服弯矩,但由于局部屈曲限制了转动变形能力。
(3)第3类截面:可达到屈服力矩,但局部屈曲阻止产生塑力矩的截面。最大受压边缘应力可以呈现弹性分布,最终达到屈服强度,但由于局部屈曲,截面无法承受极限屈服弯矩。
(4)第4类截面:其局部屈曲易于阻止屈服弯矩的产生。局部屈曲会在截面达到屈服强度之前发生。
相对于传统的碳素钢而言,不锈钢结构的初期成本较高,相关设计规范不完全成熟,构件截面没有规格化,工程设计人员对不锈钢结构综合效益的理解不足,不锈钢大规模应用于建筑结构仍有不少障碍。
一方面,碳素钢具有明显的屈服平台,所以一般结构用钢的设计基础是屈服极限,但对于不锈钢则用拉伸测试中的永久伸长量的0.2%所对应的应力作为名义屈服极限,一般结构用钢的应力应变曲线在屈服极限之后表现为屈服流动,而不锈钢则表现出强烈的应变硬化,极限强度和屈服强度之比也明显要高于一般的结构用钢。因此欧州规范采用碳素钢的截面分类原理对不锈钢进行截面分类是不够科学的。
另一方面,不锈钢在生产过程中多是采用冷成型的方法,所以板件之间有一种相互约束作用,特别是对管截面构件,其板件与板件的连接具有圆角如图1所示,这种截面圆角会导致板件之间的相关性增强,所以板件在屈曲时强侧板件会给弱侧板件有一种支撑作用,而这种支撑在现行欧州规范中并没有考虑,现行欧州规范主要是基于单一板件准件来进行的,并没有考虑板件间的相关性,所以理论上说承载力计算偏保守,在现行工程设计中杆件仍有富余。
基于以上两点,如果按照现行欧州规范进行不锈钢结构设计,会存在一定程度的浪费。基于现有不锈钢构件的试验数据,建立考虑构件截面上板件相互影响的数值计算模型,力求找到板件相互影响的规律,并在此基础上提出考虑板件相关的截面分类方法,从而指导不锈钢结构的工程设计,达到充分利用不锈钢构件截面,为节省工程造价打下基础。
由于现行工程设计是基于单一板件准则的,所以在判定构件截面屈曲上认为构件是全截面屈曲的,而实际情况是由于板件的相互影响,可能导致一侧板件先于另一侧板件屈曲的,强侧板件会给予弱侧板件有相应的支撑作用,正是因为此关系,通过板件相关性的研究,可以基于板件相关性对截面重新进行分类,从而在实际工程考虑板相互作用的影响,达到节省材料的目的。
1995年,陈绍蕃对受弯的卷边槽钢作了有限条法相关屈曲分析,阐明受弯构件中的卷边翼缘可以考虑按两边支承板对待,板件屈曲具有相关性;1996年,张利若、陈绍蕃等对焊接工字形钢构件在纯弯曲作用下的研究表明,翼缘对腹板屈曲的约束系数与截面几何尺寸以及塑性的开展深度有关,并非定值。2002年,陈绍蕃通过理论分析研究了冷弯型钢构件的板件相关屈曲,基于盈亏相抵的思想给出了板件约束系数的近似公式。
1997年,Rasmussen等对工字形压弯构件的试验研究表明:板件局部稳定与构件整体稳定相关性的强弱由截面形式决定,翼缘厚实腹板薄柔型的截面翼缘基本不发生局部屈曲,翼缘对屈曲后腹板有明显的支撑作用,因此腹板局部屈曲不影响构件的整体稳定,即没有显著的相关性;对于翼缘和腹板具有相近的受压稳定性的截面,局部屈曲严重降低构件的整体承载力,板件的局部稳定与构件整体稳定的相关性较强。局部屈曲承载力和整体稳定承载力相当的时候,截面的局部稳定和构件的整体稳定的相关性对构件的初始缺陷十分敏感。
2003年,曾锋利用有限元程序ANSYS对冷成型薄壁矩形管进行了弹性特征屈曲分析,拟合得到了均匀受压矩形管翼缘和腹板的板组约束系数计算公式。
2016年,龙甘采用Abaqus软件研究了冷成型不锈钢矩形管受弯构件的板组相关问题。建立了准确的有限元模型,并对截面宽厚比组配和板件宽厚比两个参数进行了大量的参数化分析,研究冷成型不锈钢矩形管受弯构件弹塑性屈曲后板组相关性及其影响参数。发现,当=1.0时板组相关程度最弱,此时构件正则化承载力(Mu/Me或Mu/Mp)最低;随着的增加,构件正则化承载力(Mu/Me或Mu/Mp)也逐渐增加,这是由于截面中厚实的强板对弱板提供了一定程度的约束,从而延缓了弱板的屈曲;当超过2以后,对构件正则化承载力的影响趋于稳定;薄柔截面的板组屈曲相关程度较厚实截面的板组屈曲相关程度高。
总体来讲,目前对基于不锈钢截面板件相互影响的截面分类方法问题的直接研究还相对较少,但是部分己有文献成果对本课题具有参考价值,本课题研究的主要问题存在于:
(l)不锈钢材料较贵,做基于板件相关性的试验耗时较长;
(2)已有试验研究针对强度、承载力、稳定等方面的较多,而对构件截面分类的研究较少;
以已有不锈钢构件承载力试验结果为基础,以不锈钢管件截面构件为对象,研究不锈钢管件在轴压、纯弯的受力状态下的承载力随着相关板件的参数变化而发生变化的情况,并利用有限元模拟实际试验条件进行分析,主要内容包括如下几个方面:
(l)参考已有试验资料,对试验结果进行分析,确定模型设计依据,设计有限元模型。其中一种有限元模型为轴压短柱,截面主要为管件截面;另一种受力形式主要考虑纯弯曲。其中,有限元模型主要考虑的因素包括:几何、材料的双重非线性,采用具有大变形功能的四节点壳单元SHELL181,采用 VonMises应力屈服准则和多线性等向强化(MISO)的应力应变曲线来模拟材料的非线性。
(2)对有限元模型的参数(长细比、壁厚、外径、径厚比、初始缺陷)进行调整,在不同的b/t、h/t的情况下,对所设计的有限元模型进行计算,分析结果,对所得结果进行统计分析,并找出截面板件相互影响的关系;
(3)对截面板件相互影响的关系进行讨论,并归类整理,找出规律,然后对截面进行重分类,对比分析截面重新分类的方法与欧洲规范的截面分类方法的差异,指明差异产生的原因及影响的后果。
(4)与国内外有关学者的研究成果进行比较,对比同类数据的差异,验证新的分类方法的准确性和实用性。
研究方案分为三个步骤,包括理论研究,数值计算、分类方法研究。
理论研究主要研究内容有:分析不锈钢结构应用现状及前景,对现有不锈钢结构的计算方法及理论进行讨论,从中找到板件相互影响的理论依据,并由此展开分析与讨论,对轴压构件和纯弯构件的截面参数进行分析,从理论上找出板件参数相互影响的依据。
根据已有的一些试验数据,对轴压构件和纯弯构件建立数值计算的模型,采用数值模拟方法分析轴压构件及纯弯构件的受力形态及屈曲形态,得出板件相互影响的数学模型。
根据数值计算的结果和板件相互影响的数学模型,给出不锈钢构件截面板件具有相关性的结论,讨论轴压和纯弯构件分类的一些建议,并给合相关的它人实验模型,做出对比分析,对分类方法进行评价。
摘要：不锈钢由于耐腐蚀性好、后期维护费用低等优势而在建筑结构中有着广阔的适用性。本文以矩形截面冷成型不锈钢管为研究对象,首先阐述了其应用现状和截面相关性的研究现状,然后重点研究了在压力作用下弹性屈曲时矩形管截面板组的相关性,从而寻求一种更经济的设计方法。
关键词：不锈钢,截面,分类,相关性
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