不銹鋼壓彎構件靜力承載計算與抗震設計方法研究

本項目結合實際工程應用，選取建筑結構領域中常用牌號的不銹鋼材料（奧氏體型和雙相型），研究內容主要包括：不鋼材料的本構模型、滯回性能和微觀斷裂預測模型；不同截面形式壓彎構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，結合數(shù)值計算和理論分析，從不銹鋼圓棒和典型構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測模型，并標定了斷裂韌性參數(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《不銹鋼結構技術規(guī)程》和日本不銹鋼建筑結構設計標準進行對比，并提出改進的承載力計算方法。 （3）設計并完成對18個不銹鋼壓彎構件的循環(huán)加載試驗。通過試驗和有限元研究對不銹鋼壓彎構件的滯回性能進行了系統(tǒng)深入的研究，結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件滯回性能的影響，并在試驗和有限元的基礎上提出不銹鋼材工形截面和等邊箱形截面壓彎構件板件寬厚比限值建議值，為不銹鋼結構抗震設計提供參考。 項目的研究完善了不銹鋼結構計算方法和設計理論，研究成果為不銹鋼結構的工程應用提供有效的科學依據(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構的銹蝕問題，有效降低結構的維護成本和延長結構的使用壽命，從而降低結構的全生命周期成本，使得不銹鋼結構在一定的使用環(huán)境下具有較強的競爭力，其在工程中的應用也日益增多。由于不銹鋼材料的非線性受力特征，導致用于普通鋼結構構件的設計計算方法不再適用。本項目擬對不銹鋼焊接截面壓彎構件的承載性能進行深入研究，主要研究內容包括：不銹鋼材料的本構模型、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件的殘余應力分布情況；不同截面形式不銹鋼壓彎構件靜力荷載作用下的承載性能以及低周往復荷載下的滯回性能和抗震性能。最終進行總結分析，提出不銹鋼壓彎構件的靜力承載計算方法和抗震設計方法，研究成果可以為不銹鋼結構的工程應用提供一定的科學依據(jù)。

防止結構構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

薄壁不銹鋼結構構件應用日趨廣泛，然而針對其各類失穩(wěn)性能的研究尚不完善。薄壁構件的設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件的耦合穩(wěn)定承載力及基于新設計理論的設計方法研究，作為相關的基礎性研究工作還涵蓋了不銹鋼受彎構件純畸變失穩(wěn)破壞及設計方法、空翼緣構件整體-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)進行校準并展開參數(shù)分析。結合試驗及模擬數(shù)據(jù)總結畸變失穩(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型不銹鋼構件畸變失穩(wěn)承載力的設計公式。相關成果已發(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，探討該類構件耦合失穩(wěn)的設計方法，相關成果已發(fā)表國際會議論文一篇。 不銹鋼壓彎構件耦合失穩(wěn)研究包括系列精細化試驗、數(shù)值建模及參數(shù)分析、設計理論及方法研究。試驗選取卷邊C形、I型及矩形截面構件，分別反映局部-整體、畸變-整體耦合失穩(wěn)效應。試驗中引入鋼材材性、截面柔度、構件柔度、等效加載偏心等變化因素。受國內市場供應情況限制，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期因素造成試驗研究進度滯后于計劃，當前有一部分構件試驗仍在進行中。數(shù)值建模和設計理論研究也同步進行，已梳理壓彎構件設計理論框架及兩種具體設計思路。相關成果目前已申請發(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

高強度結構鋼在建筑工程中的應用不僅能有效節(jié)約用鋼，還能為大型復雜結構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)生產了Q460~Q960高強度結構鋼，但其設計和應用尚缺少相應的理論依據(jù)和研究成果支持。本項目進行了Q690鋼單調和反復加載材性試驗、Q690鋼焊接寬翼緣H形截面構件的殘余應力測試試驗、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加載試驗；基于試驗結果提出了材料本構模型、滯回模型、累積損傷模型、殘余應力分布模型、Q690鋼柱的滯回模型；通過將驗結果與殘余應力數(shù)值模擬模型、鋼柱受壓極限承載力和水平反復加載數(shù)值模擬結果對比驗證了數(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，總結歸納了各參數(shù)對鋼柱極限承載力、單調和反復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計方法。 2100433B