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0204基于截面形式对不锈钢管构件的研究分析

作者:bet36体育网站已浏览: 173次 日期:2020-02-26

不锈钢管可以热轧或经冷加工与焊接后成型,建筑结构中所用的热轧钢管,主要有不锈钢无缝管、直缝埋弧焊管和高频直缝焊管,其型材规格分别为低于500mm、800mm和219mm。螺旋埋弧焊管在地面主体钢结构中应用较少。由于热轧之后,bet36体育网站钢材内部的非金属夹杂物(主要是硫化物和氧化物,还有硅酸盐)被压成薄片,出现分层或夹层现象,热轧不锈钢管沿厚度方向的受拉性能劣化,在焊缝收缩时可能出现层间撕裂现象;另外,不均匀冷却造成的残余应力也会对钢管构件性能产生一定的影响。相较于热轧钢管,冷加工钢管成型速度快、生产效率高,但冷轧使钢管产生很大的塑性变形,在提高钢材屈服点的同时也显著降低了钢材的延性和强屈比。针对冷成型不锈钢管的冷作硬化进行了研究,结果表明,冷加工成型过程中的塑性变形,也会给钢管留下残余应力,影响截面局部屈曲和构件整体屈曲的特性。另外,冷加工不锈钢矩形钢管壁厚较小,在板件衔接的转角处又未加厚,承受局部集中荷载的能力较弱,容易发生腹板压跛形式的破坏。

管结构领域应用最多的是圆管和方矩管,相关设计理论和方法也较为成熟。椭圆管凭借光滑的流线型外观,近年来得到较多关注和研究。与常用的不锈钢管相比,椭圆钢管截面屈曲性能复杂,还缺少成熟的设计方法。通过对椭圆钢管截面屈曲性能的研究,提出了适合椭圆钢管的截面分类方法。目前,椭圆钢管在结构上的研究和应用主要集中于欧洲,主要成果集中在椭圆钢管构件层面的静力性能。椭圆钢管与其他构件的连接问题,以及抗震滞回性能与高周疲劳性能都有待进一步深入研究。为适应建筑平面、体型、使用性等多样化的需求,近年也对三角形钢管、L形钢管、T形钢管、十字形钢管等异形截面构件受力性能和影响因素开展了研究,提出了这类构件的承载力计算方法、优化了其构造形式。

按壁厚,不锈钢管大致可以分为薄壁不锈钢管、中厚壁不锈钢管和厚壁不锈钢管,目前没有明确统一的壁厚分类标准,有研究者建议壁厚不大于6mm为薄壁管、壁厚不小于30mm为厚壁管、壁厚介于8~28mm的则为中厚壁管。研究了各种应力梯度作用下薄壁不锈钢管管壁的局部屈曲临界应力,得到了保证管壁不发生局部屈曲时板件的宽厚比限值表达式。另外,薄壁管构件还具有优良的撞击吸能特性,作为吸能装置在抵抗冲击、爆炸等动力作用的防护结构中开始得以研究应用。厚壁不锈钢管按加工成型方法可分为热扩无缝钢管、热卷成型管、冷卷或冷压成型管和厚壁铸管,其中冷卷、冷压成型不锈钢管是钢结构工程用厚壁钢管的主要类型。对于壁厚而直径小的钢管,材料的冷作硬化现象更为严重,在钢管内产生的残余应力也更大。通过对30个冷弯厚壁不锈钢管不同部位的材料受力性能测试,研究了冷弯厚壁钢管屈服强度、极限强度、强屈比和伸长率沿截面的分布模型。运用钻孔法与X射线衍法,并结合机械剥层的方式对不同加工工艺与截面尺寸冷弯厚壁不锈钢方管的残余应力进行了测试,得到方管全截面以及沿壁厚方向的残余应力分布。除了等截面钢管之外,管结构中还有变截面的锥形钢管,凭借其特殊的受力性能在输电线路、通讯和城市景观等领域得以应用,但其受力性能理论和设计方法还不完善。

不锈钢管混凝土构件及其他组合构件近年来,钢、不锈钢、铝合金管与混凝土或FRP的组合性能被越来越多的加以研究和应用。不锈钢管混凝土结构演化于劲性钢筋混凝土和螺旋配筋混凝土,1879年在英国赛文铁路桥墩第一次应用,20世纪60年代得以推广。不锈钢管和核心混凝土之间相互约束而产生的组合效应,构成了不锈钢管混凝土构件的固有特性,从而导致其受力性能的复杂性。针对钢管混凝土构件在不同荷载作用下受力性能的研究均表明其具有优越的静力性能。对其在地震作用下的滞回性能、设计方法和恢复力模型进行了研究,表明钢管混凝土结构具有较好的变形能力,适用于抗震设防区。还对其动力冲击性能进行了研究,发现其抗冲击能力依赖于不锈钢管和混凝土两者之间的约束程度。由于内填混凝土,钢管混凝土结构具有较好的抗火性能,通过对钢管混凝土受力构件抗火性能的研究,揭示了钢管混凝土构件的截面构型、防火保护层厚度和构件应力条件是影响钢管混凝土构件抗火能力的关键参数。

FRP抗拉强度高,耐腐蚀性能好,可对核心混凝土施加有效约束。因此,在不锈钢管混凝土结构的基础上,钢管、混凝土、FRP三者之间相互组合,又形成FRP管混凝土构件、FRP约束钢管构件、FRP约束钢管混凝土构件、钢管内置FRP约束混凝土构件、FRP-混凝土-钢管中空夹层构件、中空夹层双钢管混凝土构件等不同形式,得到国内外学者的广泛关注。钢管与其他材料形成的组合构件是钢管结构不断开拓的新领域,不同于单一金属构件的受力机理和承载力计算方法,需要应工程需求的发展而进行研究。