基于截面形式對不銹鋼管構件的研究分析

 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)構中應用較少。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力也會對鋼管構件性能產(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，在提高鋼材屈服點的同時也顯著降低了鋼材的延性和強屈比。針對冷成型不銹鋼管的冷作硬化進行了研究，結(jié)果表明，冷加工成型過程中的塑性變形，也會給鋼管留下殘余應力，影響截面局部屈曲和構件整體屈曲的特性。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)構領域應用最多的是圓管和方矩管，相關設計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雜，還缺少成熟的設計方法。通過對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)構上的研究和應用主要集中于歐洲，主要成果集中在橢圓鋼管構件層面的靜力性能。橢圓鋼管與其他構件的連接問題，以及抗震滯回性能與高周疲勞性能都有待進一步深入研究。為適應建筑平面、體型、使用性等多樣化的需求，近年也對三角形鋼管、L形鋼管、T形鋼管、十字形鋼管等異形截面構件受力性能和影響因素開展了研究，提出了這類構件的承載力計算方法、優(yōu)化了其構造形式。

  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)一的壁厚分類標準，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。研究了各種應力梯度作用下薄壁不銹鋼管管壁的局部屈曲臨界應力，得到了保證管壁不發(fā)生局部屈曲時板件的寬厚比限值表達式。另外，薄壁管構件還具有優(yōu)良的撞擊吸能特性，作為吸能裝置在抵抗沖擊、爆炸等動力作用的防護結(jié)構中開始得以研究應用。厚壁不銹鋼管按加工成型方法可分為熱擴無縫鋼管、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)構工程用厚壁鋼管的主要類型。對于壁厚而直徑小的鋼管，材料的冷作硬化現(xiàn)象更為嚴重，在鋼管內(nèi)產(chǎn)生的殘余應力也更大。通過對30個冷彎厚壁不銹鋼管不同部位的材料受力性能測試，研究了冷彎厚壁鋼管屈服強度、極限強度、強屈比和伸長率沿截面的分布模型。運用鉆孔法與X射線衍法，并結(jié)合機械剝層的方式對不同加工工藝與截面尺寸冷彎厚壁不銹鋼方管的殘余應力進行了測試，得到方管全截面以及沿壁厚方向的殘余應力分布。除了等截面鋼管之外，管結(jié)構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域得以應用，但其受力性能理論和設計方法還不完善。

  不銹鋼管混凝土構件及其他組合構件近年來，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用。不銹鋼管混凝土結(jié)構演化于勁性鋼筋混凝土和螺旋配筋混凝土，1879年在英國賽文鐵路橋墩第一次應用，20世紀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，構成了不銹鋼管混凝土構件的固有特性，從而導致其受力性能的復雜性。針對鋼管混凝土構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。對其在地震作用下的滯回性能、設計方法和恢復力模型進行了研究，表明鋼管混凝土結(jié)構具有較好的變形能力，適用于抗震設防區(qū)。還對其動力沖擊性能進行了研究，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)構具有較好的抗火性能，通過對鋼管混凝土受力構件抗火性能的研究，揭示了鋼管混凝土構件的截面構型、防火保護層厚度和構件應力條件是影響鋼管混凝土構件抗火能力的關鍵參數(shù)。

  FRP抗拉強度高，耐腐蝕性能好，可對核心混凝土施加有效約束。因此，在不銹鋼管混凝土結(jié)構的基礎上，鋼管、混凝土、FRP三者之間相互組合，又形成FRP管混凝土構件、FRP約束鋼管構件、FRP約束鋼管混凝土構件、鋼管內(nèi)置FRP約束混凝土構件、FRP-混凝土-鋼管中空夾層構件、中空夾層雙鋼管混凝土構件等不同形式，得到國內(nèi)外學者的廣泛關注。鋼管與其他材料形成的組合構件是鋼管結(jié)構不斷開拓的新領域，不同于單一金屬構件的受力機理和承載力計算方法，需要應工程需求的發(fā)展而進行研究。