基于板件相關的不銹鋼管截面分類方法研究淺析

梁 勇 張 韓

嘉興南洋職業技術學院 浙江 嘉興 314000

1 不銹鋼結構概述

1.1 不銹鋼結構的應用及研究現狀

鋼結構在自然環境條件下容易腐蝕，隨著普通碳素鋼結構的廣泛使用，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。由于不銹鋼結構耐腐蝕性好、易于維護和全生命周期成本低、造型美觀等優點，使其在建筑結構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域中得到使用，主要應用在裝飾工程、圍護結構和屋蓋結構。本世紀以來，隨著歐洲、美國等國家相關設計規范的修訂和完善，工程技術人員有了更為明確的應用依據，不銹鋼結構的應用逐漸增多，特別是在跨海橋梁、海洋平臺等特殊環境下，由于不銹鋼良好的結構性能、抗腐蝕性能和耐久性而受到了建筑結構行業的廣泛應用。

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構，上部的115米為由不銹鋼外皮和強化混凝土內芯構成的復合結構。此工程正是因為不銹鋼具有的耐久性和優美的外觀，橋塔上部的復合結構部分才選擇了不銹鋼作為外皮受力結構。

北京新保利大廈的玻璃幕墻是世界上最大的索網玻璃幕墻之一，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構設計規范（ASCE-8-02,EC3 Part 1.4,AS/NZS 4673)，在歐洲鋼結構設計規范中，把截面分成四類，當構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力下出現屈曲失穩。類似于普通鋼結構的截面分類方法，根據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ρ對毛截面受壓區面積Ac進行折減，計算得出板件受壓區的有效面積：

其中板件的有效寬度系數ρ與板件的約束條件和寬厚比相關。

根據歐洲規范的規定，這四類截面的特點如下：

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

（2）第2類截面：能產生塑性力矩能力但只有有限扭轉能力的截面。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，但局部屈曲阻止產生塑力矩的截面。最大受壓邊緣應力可以呈現彈性分布，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生。局部屈曲會在截面達到屈服強度之前發生。

1.2 進一步研究的目的和意義

相對于傳統的碳素鋼而言，不銹鋼結構的初期成本較高，相關設計規范不完全成熟，構件截面沒有規格化，工程設計人員對不銹鋼結構綜合效益的理解不足，不銹鋼大規模應用于建筑結構仍有不少障礙。

一方面，碳素鋼具有明顯的屈服平臺，所以一般結構用鋼的設計基礎是屈服極限，但對于不銹鋼則用拉伸測試中的永久伸長量的0.2%所對應的應力作為名義屈服極限,一般結構用鋼的應力應變曲線在屈服極限之后表現為屈服流動，而不銹鋼則表現出強烈的應變硬化，極限強度和屈服強度之比也明顯要高于一般的結構用鋼。因此歐州規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的。

另一方面，不銹鋼在生產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，這種截面圓角會導致板件之間的相關性增強，所以板件在屈曲時強側板件會給弱側板件有一種支撐作用，而這種支撐在現行歐州規范中并沒有考慮，現行歐州規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性，所以理論上說承載力計算偏保守，在現行工程設計中桿件仍有富余。

基于以上兩點，如果按照現行歐州規范進行不銹鋼結構設計，會存在一定程度的浪費。基于現有不銹鋼構件的試驗數據，建立考慮構件截面上板件相互影響的數值計算模型，力求找到板件相互影響的規律，并在此基礎上提出考慮板件相關的截面分類方法，從而指導不銹鋼結構的工程設計，達到充分利用不銹鋼構件截面，為節省工程造價打下基礎。

1.3 工程應用價值

由于現行工程設計是基于單一板件準則的，所以在判定構件截面屈曲上認為構件是全截面屈曲的，而實際情況是由于板件的相互影響，可能導致一側板件先于另一側板件屈曲的，強側板件會給予弱側板件有相應的支撐作用，正是因為此關系，通過板件相關性的研究，可以基于板件相關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，達到節省材料的目的。

1.4 國內外研究現狀

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

1997年，Rasmussen等對工字形壓彎構件的試驗研究表明：板件局部穩定與構件整體穩定相關性的強弱由截面形式決定，翼緣厚實腹板薄柔型的截面翼緣基本不發生局部屈曲，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件的整體穩定，即沒有顯著的相關性；對于翼緣和腹板具有相近的受壓穩定性的截面，局部屈曲嚴重降低構件的整體承載力，板件的局部穩定與構件整體穩定的相關性較強。局部屈曲承載力和整體穩定承載力相當的時候，截面的局部穩定和構件的整體穩定的相關性對構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件的板組相關問題。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進行了大量的參數化分析，研究冷成型不銹鋼矩形管受彎構件彈塑性屈曲后板組相關性及其影響參數。發現，當=1.0時板組相關程度最弱，此時構件正則化承載力（Mu/Me或Mu/Mp）最低；隨著的增加，構件正則化承載力（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，對構件正則化承載力的影響趨于穩定；薄柔截面的板組屈曲相關程度較厚實截面的板組屈曲相關程度高。

2 研究內容

2.1 主要研究內容及關鍵措

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，做基于板件相關性的試驗耗時較長；

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

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

（l）參考已有試驗資料，對試驗結果進行分析，確定模型設計依據，設計有限元模型。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點殼單元SHELL181，采用 VonMises應力屈服準則和多線性等向強化(MISO)的應力應變曲線來模擬材料的非線性。

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

（3）對截面板件相互影響的關系進行討論，并歸類整理，找出規律，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范的截面分類方法的差異，指明差異產生的原因及影響的后果。

（4）與國內外有關學者的研究成果進行比較，對比同類數據的差異，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，數值計算、分類方法研究。

（1）理論研究

理論研究主要研究內容有：分析不銹鋼結構應用現狀及前景，對現有不銹鋼結構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，并由此展開分析與討論，對軸壓構件和純彎構件的截面參數進行分析，從理論上找出板件參數相互影響的依據。

（2）數值計算

根據已有的一些試驗數據，對軸壓構件和純彎構件建立數值計算的模型，采用數值模擬方法分析軸壓構件及純彎構件的受力形態及屈曲形態，得出板件相互影響的數學模型。

（3）截面分類方法研究

根據數值計算的結果和板件相互影響的數學模型，給出不銹鋼構件截面板件具有相關性的結論，討論軸壓和純彎構件分類的一些建議，并給合相關的它人實驗模型，做出對比分析，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