基于截面形式對(duì)不銹鋼管構(gòu)件的研究分析

 不銹鋼管可以熱軋或經(jīng)冷加工與焊接后成型，建筑結(jié)構(gòu)中所用的熱軋鋼管，主要有不銹鋼無縫管、直縫埋弧焊管和高頻直縫焊管，其型材規(guī)格分別為低于500mm、800mm和219mm。螺旋埋弧焊管在地面主體鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。由于熱軋之后，鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物(主要是硫化物和氧化物，還有硅酸鹽)被壓成薄片，出現(xiàn)分層或夾層現(xiàn)象，熱軋不銹鋼管沿厚度方向的受拉性能劣化，在焊縫收縮時(shí)可能出現(xiàn)層間撕裂現(xiàn)象;另外，不均勻冷卻造成的殘余應(yīng)力也會(huì)對(duì)鋼管構(gòu)件性能產(chǎn)生一定的影響。相較于熱軋鋼管，冷加工鋼管成型速度快、生產(chǎn)效率高，但冷軋使鋼管產(chǎn)生很大的塑性變形，在提高鋼材屈服點(diǎn)的同時(shí)也顯著降低了鋼材的延性和強(qiáng)屈比。針對(duì)冷成型不銹鋼管的冷作硬化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，冷加工成型過程中的塑性變形，也會(huì)給鋼管留下殘余應(yīng)力，影響截面局部屈曲和構(gòu)件整體屈曲的特性。另外，冷加工不銹鋼矩形鋼管壁厚較小，在板件銜接的轉(zhuǎn)角處又未加厚，承受局部集中荷載的能力較弱，容易發(fā)生腹板壓跛形式的破壞。

   管結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用最多的是圓管和方矩管，相關(guān)設(shè)計(jì)理論和方法也較為成熟。橢圓管憑借光滑的流線型外觀，近年來得到較多關(guān)注和研究。與常用的不銹鋼管相比，橢圓鋼管截面屈曲性能復(fù)雜，還缺少成熟的設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)橢圓鋼管截面屈曲性能的研究，提出了適合橢圓鋼管的截面分類方法。目前，橢圓鋼管在結(jié)構(gòu)上的研究和應(yīng)用主要集中于歐洲，主要成果集中在橢圓鋼管構(gòu)件層面的靜力性能。橢圓鋼管與其他構(gòu)件的連接問題，以及抗震滯回性能與高周疲勞性能都有待進(jìn)一步深入研究。為適應(yīng)建筑平面、體型、使用性等多樣化的需求，近年也對(duì)三角形鋼管、L形鋼管、T形鋼管、十字形鋼管等異形截面構(gòu)件受力性能和影響因素開展了研究，提出了這類構(gòu)件的承載力計(jì)算方法、優(yōu)化了其構(gòu)造形式。

  按壁厚，不銹鋼管大致可以分為薄壁不銹鋼管、中厚壁不銹鋼管和厚壁不銹鋼管，目前沒有明確統(tǒng)一的壁厚分類標(biāo)準(zhǔn)，有研究者建議壁厚不大于6mm為薄壁管、壁厚不小于30mm為厚壁管、壁厚介于8～28 mm的則為中厚壁管。研究了各種應(yīng)力梯度作用下薄壁不銹鋼管管壁的局部屈曲臨界應(yīng)力，得到了保證管壁不發(fā)生局部屈曲時(shí)板件的寬厚比限值表達(dá)式。另外，薄壁管構(gòu)件還具有優(yōu)良的撞擊吸能特性，作為吸能裝置在抵抗沖擊、爆炸等動(dòng)力作用的防護(hù)結(jié)構(gòu)中開始得以研究應(yīng)用。厚壁不銹鋼管按加工成型方法可分為熱擴(kuò)無縫鋼管、熱卷成型管、冷卷或冷壓成型管和厚壁鑄管，其中冷卷、冷壓成型不銹鋼管是鋼結(jié)構(gòu)工程用厚壁鋼管的主要類型。對(duì)于壁厚而直徑小的鋼管，材料的冷作硬化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，在鋼管內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也更大。通過對(duì)30個(gè)冷彎厚壁不銹鋼管不同部位的材料受力性能測(cè)試，研究了冷彎厚壁鋼管屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、強(qiáng)屈比和伸長(zhǎng)率沿截面的分布模型。運(yùn)用鉆孔法與X射線衍法，并結(jié)合機(jī)械剝層的方式對(duì)不同加工工藝與截面尺寸冷彎厚壁不銹鋼方管的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，得到方管全截面以及沿壁厚方向的殘余應(yīng)力分布。除了等截面鋼管之外，管結(jié)構(gòu)中還有變截面的錐形鋼管，憑借其特殊的受力性能在輸電線路、通訊和城市景觀等領(lǐng)域得以應(yīng)用，但其受力性能理論和設(shè)計(jì)方法還不完善。

  不銹鋼管混凝土構(gòu)件及其他組合構(gòu)件近年來，鋼、不銹鋼、鋁合金管與混凝土或FRP的組合性能被越來越多的加以研究和應(yīng)用。不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)演化于勁性鋼筋混凝土和螺旋配筋混凝土，1879年在英國(guó)賽文鐵路橋墩第一次應(yīng)用，20世紀(jì)60年代得以推廣。不銹鋼管和核心混凝土之間相互約束而產(chǎn)生的組合效應(yīng)，構(gòu)成了不銹鋼管混凝土構(gòu)件的固有特性，從而導(dǎo)致其受力性能的復(fù)雜性。針對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件在不同荷載作用下受力性能的研究均表明其具有優(yōu)越的靜力性能。對(duì)其在地震作用下的滯回性能、設(shè)計(jì)方法和恢復(fù)力模型進(jìn)行了研究，表明鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的變形能力，適用于抗震設(shè)防區(qū)。還對(duì)其動(dòng)力沖擊性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其抗沖擊能力依賴于不銹鋼管和混凝土兩者之間的約束程度。由于內(nèi)填混凝土，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的抗火性能，通過對(duì)鋼管混凝土受力構(gòu)件抗火性能的研究，揭示了鋼管混凝土構(gòu)件的截面構(gòu)型、防火保護(hù)層厚度和構(gòu)件應(yīng)力條件是影響鋼管混凝土構(gòu)件抗火能力的關(guān)鍵參數(shù)。

  FRP抗拉強(qiáng)度高，耐腐蝕性能好，可對(duì)核心混凝土施加有效約束。因此，在不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，鋼管、混凝土、FRP三者之間相互組合，又形成FRP管混凝土構(gòu)件、FRP約束鋼管構(gòu)件、FRP約束鋼管混凝土構(gòu)件、鋼管內(nèi)置FRP約束混凝土構(gòu)件、FRP-混凝土-鋼管中空夾層構(gòu)件、中空夾層雙鋼管混凝土構(gòu)件等不同形式，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。鋼管與其他材料形成的組合構(gòu)件是鋼管結(jié)構(gòu)不斷開拓的新領(lǐng)域，不同于單一金屬構(gòu)件的受力機(jī)理和承載力計(jì)算方法，需要應(yīng)工程需求的發(fā)展而進(jìn)行研究。