不銹鋼壓彎構(gòu)件靜力承載計算與抗震設(shè)計方法研究

本項目結(jié)合實際工程應(yīng)用，選取建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中常用牌號的不銹鋼材料（奧氏體型和雙相型），研究內(nèi)容主要包括：不鋼材料的本構(gòu)模型、滯回性能和微觀斷裂預(yù)測模型；不同截面形式壓彎構(gòu)件靜力荷載作用下的承載性能和承載力計算方法；不同截面形式壓彎構(gòu)件的滯回性能和抗震性能三個方面。具體如下： （1）基于不銹鋼的微觀斷裂機理，以大量的試驗研究為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值計算和理論分析，從不銹鋼圓棒和典型構(gòu)造對不銹鋼材料的斷裂性能展開了系統(tǒng)研究，得到材料的滯回模型，建立不銹鋼材料微觀斷裂預(yù)測模型，并標(biāo)定了斷裂韌性參數(shù)及損傷系數(shù)。 （2）開展了30個焊接不銹鋼壓彎構(gòu)件靜力加載試驗。通過一系列試驗、有限元和理論研究對焊接不銹鋼壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性能進行了系統(tǒng)深入的研究。將試驗和數(shù)值模擬結(jié)果同歐洲規(guī)范EN 1993-1-4、美國規(guī)范SEI/ASCE 8-02 (2002)、中國規(guī)范CECS 410:2015《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和日本不銹鋼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行對比，并提出改進的承載力計算方法。 （3）設(shè)計并完成對18個不銹鋼壓彎構(gòu)件的循環(huán)加載試驗。通過試驗和有限元研究對不銹鋼壓彎構(gòu)件的滯回性能進行了系統(tǒng)深入的研究，結(jié)合試驗研究和有限元數(shù)值模擬，分析寬厚比與軸壓比對構(gòu)件滯回性能的影響，并在試驗和有限元的基礎(chǔ)上提出不銹鋼材工形截面和等邊箱形截面壓彎構(gòu)件板件寬厚比限值建議值，為不銹鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供參考。 項目的研究完善了不銹鋼結(jié)構(gòu)計算方法和設(shè)計理論，研究成果為不銹鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供有效的科學(xué)依據(jù)，為我國不銹鋼規(guī)范、規(guī)程的完善提供一定的借鑒，同時對促進發(fā)展低碳經(jīng)濟、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有一定的意義。 2100433B

與普通鋼材相比，不銹鋼材料具有抗腐蝕性和耐久性好的突出優(yōu)點，以及高、低溫下力學(xué)性能相對穩(wěn)定的特點。不銹鋼材料能夠從根本上解決鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕問題，有效降低結(jié)構(gòu)的維護成本和延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，從而降低結(jié)構(gòu)的全生命周期成本，使得不銹鋼結(jié)構(gòu)在一定的使用環(huán)境下具有較強的競爭力，其在工程中的應(yīng)用也日益增多。由于不銹鋼材料的非線性受力特征，導(dǎo)致用于普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計計算方法不再適用。本項目擬對不銹鋼焊接截面壓彎構(gòu)件的承載性能進行深入研究，主要研究內(nèi)容包括：不銹鋼材料的本構(gòu)模型、滯回性能和累積損傷性能；不銹鋼焊接箱型和焊接工字型截面構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布情況；不同截面形式不銹鋼壓彎構(gòu)件靜力荷載作用下的承載性能以及低周往復(fù)荷載下的滯回性能和抗震性能。最終進行總結(jié)分析，提出不銹鋼壓彎構(gòu)件的靜力承載計算方法和抗震設(shè)計方法，研究成果可以為不銹鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因臨界截面材料強度被超過而破壞或因過度的變形而不適于繼續(xù)承載的計算。分構(gòu)件受壓、受拉、受彎、受剪、受扭、局部受壓、沖切等計算。2100433B

薄壁不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用日趨廣泛，然而針對其各類失穩(wěn)性能的研究尚不完善。薄壁構(gòu)件的設(shè)計理論近年來也取得了新進展。本課題工作重點為薄壁不銹鋼壓彎構(gòu)件的耦合穩(wěn)定承載力及基于新設(shè)計理論的設(shè)計方法研究，作為相關(guān)的基礎(chǔ)性研究工作還涵蓋了不銹鋼受彎構(gòu)件純畸變失穩(wěn)破壞及設(shè)計方法、空翼緣構(gòu)件整體-畸變耦合失穩(wěn)性能研究。 開展了卷邊C型不銹鋼截面僅受畸變失穩(wěn)控制時的破壞性能研究，進行了冷軋板材材性測試、幾何缺陷高精度測量、側(cè)向限位彎曲試驗?；贏BAQUS開發(fā)了精細化數(shù)值模型、以試驗數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)并展開參數(shù)分析。結(jié)合試驗及模擬數(shù)據(jù)總結(jié)畸變失穩(wěn)承載力隨材性、截面形式、截面柔度的變化規(guī)律，探討了以受壓翼緣與腹板交界處的應(yīng)變監(jiān)測判斷畸變失穩(wěn)點的實用方法。以直接強度法擬合得到了適用于C型和Z型不銹鋼構(gòu)件畸變失穩(wěn)承載力的設(shè)計公式。相關(guān)成果已發(fā)表國際會議論文一篇，另有兩篇期刊文章已完稿。以上述精細化模型為基礎(chǔ)進行拓展參數(shù)分析，研究不銹鋼空翼緣截面畸變-整體耦合失穩(wěn)性能，探討該類構(gòu)件耦合失穩(wěn)的設(shè)計方法，相關(guān)成果已發(fā)表國際會議論文一篇。 不銹鋼壓彎構(gòu)件耦合失穩(wěn)研究包括系列精細化試驗、數(shù)值建模及參數(shù)分析、設(shè)計理論及方法研究。試驗選取卷邊C形、I型及矩形截面構(gòu)件，分別反映局部-整體、畸變-整體耦合失穩(wěn)效應(yīng)。試驗中引入鋼材材性、截面柔度、構(gòu)件柔度、等效加載偏心等變化因素。受國內(nèi)市場供應(yīng)情況限制，前期規(guī)劃的低鎳雙相體S32101不銹鋼小批量采購始終未能實現(xiàn)，只得采用雙向體S32205板材替代。試驗所用的專用加載、缺陷測量裝置均有較高精度要求、需專門加工。上述工作過程中若干非預(yù)期因素造成試驗研究進度滯后于計劃，當(dāng)前有一部分構(gòu)件試驗仍在進行中。數(shù)值建模和設(shè)計理論研究也同步進行，已梳理壓彎構(gòu)件設(shè)計理論框架及兩種具體設(shè)計思路。相關(guān)成果目前已申請發(fā)明專利一件，一篇期刊文章撰稿中，后續(xù)研究成果還將有2~3篇論文發(fā)表。 2100433B

高強度結(jié)構(gòu)鋼在建筑工程中的應(yīng)用不僅能有效節(jié)約用鋼，還能為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供更為合理的解決方案。近年來，我國鋼鐵企業(yè)已研發(fā)生產(chǎn)了Q460~Q960高強度結(jié)構(gòu)鋼，但其設(shè)計和應(yīng)用尚缺少相應(yīng)的理論依據(jù)和研究成果支持。本項目進行了Q690鋼單調(diào)和反復(fù)加載材性試驗、Q690鋼焊接寬翼緣H形截面構(gòu)件的殘余應(yīng)力測試試驗、Q690鋼焊接寬翼緣H形截面柱受壓極限承載力試驗和水平反復(fù)加載試驗；基于試驗結(jié)果提出了材料本構(gòu)模型、滯回模型、累積損傷模型、殘余應(yīng)力分布模型、Q690鋼柱的滯回模型；通過將驗結(jié)果與殘余應(yīng)力數(shù)值模擬模型、鋼柱受壓極限承載力和水平反復(fù)加載數(shù)值模擬結(jié)果對比驗證了數(shù)值模型，采用驗證后的數(shù)值模型進行了系統(tǒng)的參數(shù)分析，總結(jié)歸納了各參數(shù)對鋼柱極限承載力、單調(diào)和反復(fù)加載下鋼柱延性能力的影響規(guī)律，最終提出了Q690鋼柱靜力承載與抗震的計算和設(shè)計方法。 2100433B