不锈钢压弯构件静力承载计算与抗震设计方法研究项目摘要

与普通钢材相比，不锈钢材料具有抗腐蚀性和耐久性好的突出优点，以及高、低温下力学性能相对稳定的特点。不锈钢材料能够从根本上解决钢结构的锈蚀问题，有效降低结构的维护成本和延长结构的使用寿命，从而降低结构的全生命周期成本，使得不锈钢结构在一定的使用环境下具有较强的竞争力，其在工程中的应用也日益增多。由于不锈钢材料的非线性受力特征，导致用于普通钢结构构件的设计计算方法不再适用。本项目拟对不锈钢焊接截面压弯构件的承载性能进行深入研究，主要研究内容包括：不锈钢材料的本构模型、滞回性能和累积损伤性能；不锈钢焊接箱型和焊接工字型截面构件的残余应力分布情况；不同截面形式不锈钢压弯构件静力荷载作用下的承载性能以及低周往复荷载下的滞回性能和抗震性能。最终进行总结分析，提出不锈钢压弯构件的静力承载计算方法和抗震设计方法，研究成果可以为不锈钢结构的工程应用提供一定的科学依据。

本项目结合实际工程应用，选取建筑结构领域中常用牌号的不锈钢材料（奥氏体型和双相型），研究内容主要包括：不钢材料的本构模型、滞回性能和微观断裂预测模型；不同截面形式压弯构件静力荷载作用下的承载性能和承载力计算方法；不同截面形式压弯构件的滞回性能和抗震性能三个方面。具体如下： （1）基于不锈钢的微观断裂机理，以大量的试验研究为基础，结合数值计算和理论分析，从不锈钢圆棒和典型构造对不锈钢材料的断裂性能展开了系统研究，得到材料的滞回模型，建立不锈钢材料微观断裂预测模型，并标定了断裂韧性参数及损伤系数。 （2）开展了30个焊接不锈钢压弯构件静力加载试验。通过一系列试验、有限元和理论研究对焊接不锈钢压弯构件的稳定性能进行了系统深入的研究。将试验和数值模拟结果同欧洲规范EN 1993-1-4、美国规范SEI/ASCE 8-02 (2002)、中国规范CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》和日本不锈钢建筑结构设计标准进行对比，并提出改进的承载力计算方法。 （3）设计并完成对18个不锈钢压弯构件的循环加载试验。通过试验和有限元研究对不锈钢压弯构件的滞回性能进行了系统深入的研究，结合试验研究和有限元数值模拟，分析宽厚比与轴压比对构件滞回性能的影响，并在试验和有限元的基础上提出不锈钢材工形截面和等边箱形截面压弯构件板件宽厚比限值建议值，为不锈钢结构抗震设计提供参考。 项目的研究完善了不锈钢结构计算方法和设计理论，研究成果为不锈钢结构的工程应用提供有效的科学依据，为我国不锈钢规范、规程的完善提供一定的借鉴，同时对促进发展低碳经济、实现可持续发展具有一定的意义。 2100433B

防止结构构件或连接因临界截面材料强度被超过而破坏或因过度的变形而不适于继续承载的计算。分构件受压、受拉、受弯、受剪、受扭、局部受压、冲切等计算。2100433B

薄壁不锈钢结构构件应用日趋广泛，然而针对其各类失稳性能的研究尚不完善。薄壁构件的设计理论近年来也取得了新进展。本课题工作重点为薄壁不锈钢压弯构件的耦合稳定承载力及基于新设计理论的设计方法研究，作为相关的基础性研究工作还涵盖了不锈钢受弯构件纯畸变失稳破坏及设计方法、空翼缘构件整体-畸变耦合失稳性能研究。 开展了卷边C型不锈钢截面仅受畸变失稳控制时的破坏性能研究，进行了冷轧板材材性测试、几何缺陷高精度测量、侧向限位弯曲试验。基于ABAQUS开发了精细化数值模型、以试验数据进行校准并展开参数分析。结合试验及模拟数据总结畸变失稳承载力随材性、截面形式、截面柔度的变化规律，探讨了以受压翼缘与腹板交界处的应变监测判断畸变失稳点的实用方法。以直接强度法拟合得到了适用于C型和Z型不锈钢构件畸变失稳承载力的设计公式。相关成果已发表国际会议论文一篇，另有两篇期刊文章已完稿。以上述精细化模型为基础进行拓展参数分析，研究不锈钢空翼缘截面畸变-整体耦合失稳性能，探讨该类构件耦合失稳的设计方法，相关成果已发表国际会议论文一篇。 不锈钢压弯构件耦合失稳研究包括系列精细化试验、数值建模及参数分析、设计理论及方法研究。试验选取卷边C形、I型及矩形截面构件，分别反映局部-整体、畸变-整体耦合失稳效应。试验中引入钢材材性、截面柔度、构件柔度、等效加载偏心等变化因素。受国内市场供应情况限制，前期规划的低镍双相体S32101不锈钢小批量采购始终未能实现，只得采用双向体S32205板材替代。试验所用的专用加载、缺陷测量装置均有较高精度要求、需专门加工。上述工作过程中若干非预期因素造成试验研究进度滞后于计划，当前有一部分构件试验仍在进行中。数值建模和设计理论研究也同步进行，已梳理压弯构件设计理论框架及两种具体设计思路。相关成果目前已申请发明专利一件，一篇期刊文章撰稿中，后续研究成果还将有2~3篇论文发表。 2100433B

高强度结构钢在建筑工程中的应用不仅能有效节约用钢，还能为大型复杂结构提供更为合理的解决方案。近年来，我国钢铁企业已研发生产了Q460~Q960高强度结构钢，但其设计和应用尚缺少相应的理论依据和研究成果支持。本项目进行了Q690钢单调和反复加载材性试验、Q690钢焊接宽翼缘H形截面构件的残余应力测试试验、Q690钢焊接宽翼缘H形截面柱受压极限承载力试验和水平反复加载试验；基于试验结果提出了材料本构模型、滞回模型、累积损伤模型、残余应力分布模型、Q690钢柱的滞回模型；通过将验结果与残余应力数值模拟模型、钢柱受压极限承载力和水平反复加载数值模拟结果对比验证了数值模型，采用验证后的数值模型进行了系统的参数分析，总结归纳了各参数对钢柱极限承载力、单调和反复加载下钢柱延性能力的影响规律，最终提出了Q690钢柱静力承载与抗震的计算和设计方法。 2100433B