不銹鋼管結構的研究驅動形式拓展和性能提升
基于近10年來不銹鋼管結構的研究文獻和工程應用狀況,從構件、節(jié)點和結構3個方面綜述了管結構主要的理論發(fā)展和技術成果。新材料應用、截面形式拓展、構件受力方式改變和計算精準化,推動了不銹鋼管構件受力性能和設計方法研究的深入,也推動了其他金屬管和組合結構管的研究。為適應建筑表現(xiàn)、結構受力以及制造和施工工藝的需求,管節(jié)點構造形式豐富,同時,鋼管材料的變化和獨立的節(jié)點元件如鑄鋼節(jié)點的產生,需要持續(xù)進行不同類型節(jié)點的基本靜力性能研究;而對節(jié)點變形性能、滯回性能、疲勞性能、抗斷裂性能的更加精細化研究,成為節(jié)點研究的焦點。不銹鋼管結構體系雖然具有桿系結構的共性,但當其應用于裝配化結構場合時,適應閉口截面特征的高效連接方式是需要重點研究的課題。
不銹鋼管區(qū)別于其他型材的截面特征為閉口形狀。閉口形狀使其相對開口形狀的型材如H鋼、槽鋼、角鋼等具有受力性能(板件穩(wěn)定性高,截面雙向受彎性能相等或接近、抗扭剛度大)、維護性能(防腐防火處理表面積小)、施工性能(相對焊接組合截面而言,鋼管構件的加工量小,制造效率高)以及由之而來的綜合經濟性能等方面的優(yōu)勢。大型工程結構體系中的鋼管應用,最早始于橋梁(文獻資料記錄的首座不銹鋼管橋梁為1867年動工建造的美國圣路易斯橋,采用了直徑46cm不銹的鋼管。
二戰(zhàn)后,自美國在墨西哥灣建造首個鋼結構石油平臺后,不銹鋼管在這一領域得到了廣泛應用,形成了較為成熟的設計標準。而其在建筑結構中成規(guī)模的應用則略晚。國際管結構發(fā)展與教育委員會于1962年創(chuàng)建,初創(chuàng)時的工程研究對象也主要是海洋平臺鋼管結構;我國直到1988年發(fā)布的《鋼結構設計規(guī)范》才首次為鋼管結構設置了專門章節(jié)。隨著不銹鋼管制造工藝的不斷進步和鋼管產量的大幅提高,促進了其在工程結構中的普遍應用。據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國鋼鐵工業(yè)年鑒》,2014至2016年我國鋼材產量穩(wěn)定在11.2~11.3億噸;以2015年為例,無縫鋼管和焊接鋼管產量分別為2857、6969萬噸,合計占鋼材產量的8.7%。據(jù)中國鋼結構協(xié)會《2017鋼結構發(fā)展藍皮書》統(tǒng)計的2016年鋼結構制造量中,鋼管耗材占比8%,與鋼管產量在鋼材中的占比接近。上世紀90年代以來,國內大量建造的大跨度建筑屋蓋結構(廠房除外)已主要采用鋼管作為受力構件,中高層建筑結構中以鋼管為柱的工程項目持續(xù)增加,一些小型結構中則使用冷彎薄壁鋼管。鋼管也成為施工腳手架結構的主要構件。鋼管在建筑鋼結構中已得到普遍應用,而其在橋梁結構、風電結構、輸電結構、管道結構等設施結構中的應用則更為廣泛。
推動不銹鋼管在建筑結構中得到廣泛應用的重要保障是設計規(guī)范的完善。主要工業(yè)化國家的鋼結構設計規(guī)范都納入了鋼管設計的相關內容,或者編纂有專門的不銹鋼管設計標準與指南。前者如歐洲鋼結構設計規(guī)范,在其一般規(guī)則、節(jié)點設計等分冊規(guī)定了不銹鋼管設計的相關條文,美國鋼結構協(xié)會規(guī)范除了包含鋼管構件設計規(guī)定,也將鋼管節(jié)點單列成章,以考慮其特殊性。日本建筑學會則頒布有鋼管結構設計和施工指南。自1991年起出版了9部指導鋼管結構工程設計的指南,涵蓋了節(jié)點靜力和疲勞設計、構件穩(wěn)定、抗震、抗火、加工制作以及鋼管混凝土結構。我國除了《鋼結構設計標準》外,還有《鋼管結構技術規(guī)程》以及有關鋼管混凝土結構的技術標準,支撐了工程設計、制造、施工的需求。雖然鋼管具有獨特的優(yōu)勢,但也存在一定局限。例如截面形式較少,早期僅是圓管,方管則由圓管再次擠壓成型,直到近幾十年,冷成型方矩形截面管才得以大量制造;型材規(guī)格有限,受到成型能力和材料性能限制,截面尺寸和管壁厚度還不能充分滿足工程需要;連接構造特殊,相對開口截面構件而言,加工和安裝的工序更為復雜。工業(yè)界、工程界和學術界在新材料、新截面、新節(jié)點、新體系的研發(fā)方面,相互合作、不斷開拓,借助新需求的出現(xiàn),驅動研究深化,提升結構性能。本文中聚焦于鋼管在建筑結構體系中的應用,綜述近年關于鋼管和其他金屬管構件、節(jié)點和結構的研究和開發(fā)進展,提出需要繼續(xù)解決的相關課題,以期為其結構工程的研究和應用提供參考。
本文標簽:不銹鋼管
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