第1章  緒論 

1.1  引言 
碳素鋼作為結(jié)構構件的應用十分廣泛，其不利的一方面也隨之展現(xiàn)出來，像耐腐蝕性、耐久性和耐火性能差以及維護費用高等問題都暴露出來。與此相對，不銹鋼材料能夠彌補這些缺陷，且外形美觀大方，材料成本較碳素鋼略高，一定程度上制約著不銹鋼在建筑結(jié)構中的應用。但隨著建筑可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心，不銹鋼材料可望成為一種應用前景較好的綠色建筑材料[1]，并以其后期維護成低廉而備受青睞。 歐洲、美國、日本、澳大利亞及新西蘭均已經(jīng)頒布建筑結(jié)構不銹鋼設計規(guī)范，國內(nèi)也于 2015 正式頒布《不銹鋼結(jié)構技術規(guī)范》[2]。本文主要針對不銹鋼構件螺栓連接節(jié)點進行研究，旨在提出適合我國不銹鋼材料的螺栓抗剪承載力設計公式。
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1.2  不銹鋼材料及其應用 
通常我們所說的不銹鋼是指耐蒸汽、空氣、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性，其鉻含量應至少大于 10.5%，碳含量不應超過 1.2%的耐腐蝕合金鋼[2]。不銹鋼之所以不生銹來源于材料中添加鉻元素，其內(nèi)部的化學反應能使材料抵抗腐蝕破壞，故不銹鋼材料主要控制其鉻含量，各國的不銹鋼材料中鉻含量質(zhì)量分數(shù)要求不一，我國一般認為不應小于 12%。不銹鋼的耐腐蝕性是材料中各種不同成分相互作用的結(jié)果，其改變了材料表面鈍化膜的化學組成，且強化其在苛刻介質(zhì)中的耐腐蝕性能，最后各種合金元素也使不銹鋼材料獲得足夠的強度、塑性和韌性，以及良好的工藝性能，如可焊接性、耐熱性、易加工成型性[3]。 不銹鋼按組織狀態(tài)分為：鐵素體鋼、奧氏體鋼、馬氏體鋼、奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼及沉淀硬化不銹鋼等。另外，可按成分分為：鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳氮不銹鋼等[3]。 與碳素鋼材料相比，不銹鋼材料具有以下幾個顯著的特點：（1）較低的比例極限以及非線性的本構關系，材料應變硬化較高；（2）拉壓方向力學性能不同，顯示其各向異性性能；（3）材料力學性能受冷彎加工影響較為明顯，且不同類型的不銹鋼受冷彎影響表現(xiàn)不一[3]。 不銹鋼顯著的優(yōu)點促使其在重工業(yè)、輕工業(yè)、生活用品以及建筑裝飾等行業(yè)中獲得了廣泛的應用。近些年來，由于碳鋼材料耐腐蝕性差、耐火性差等缺點，導致碳鋼后期維護成本很高，且施工工藝復雜，促進不銹鋼材料從傳統(tǒng)的建筑裝飾領域擴展到建筑結(jié)構構件領域，在世界上已經(jīng)有一些建筑采用不銹鋼作為結(jié)構構件，比較有名的不銹鋼建筑有巴黎盧浮宮“金字塔”、香港 Stonecutters 大橋和清華大學游泳館等；由此可見研究各種情況下不銹鋼構件的力學性能就顯得非常重要。 
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第2章  不銹鋼螺栓連接節(jié)點各國規(guī)范的比較分析 

2.1  引言 
研究和利用不銹鋼作為建筑的結(jié)構構件是始于康奈爾大學的 Johnson 和Winter，當時是由 AISI 發(fā)起為了滿足編制不銹鋼設計規(guī)范的需要�；� Johnson和 Winter 和其他研究者的工作成果，第一版“輕型冷成型不銹鋼構件設計規(guī)范”被 AISI 出版于 1968 年，修訂版《冷成型不銹鋼構件設計規(guī)范》出版于 1974年[1]。隨后，ANSI/ASCE8-90《冷成型不銹鋼結(jié)構構件設計規(guī)范》出版于 1990年，再后來美國 SEI/ASCE 8-02 標準修訂版于 2002 年出版，該修訂版引進了極限狀態(tài)法，但其僅適用于冷彎成型不銹鋼構件的設計，，且該規(guī)范沒有提到焊接方面的設計、防火設計以及疲勞設計[1]。 在歐洲，歐洲標準委員會（CEN）制定的標準（代號 EN）已經(jīng)或正在取代歐盟各國原有的標準，現(xiàn)行的歐洲不銹鋼規(guī)范是 EN 1993-1-4:2006，事實上，其與歐洲不銹鋼設計手冊中關于結(jié)構不銹鋼中的抗力設計方面都是以 EN 1993-1-8[21]和 EN 1993-1-3 為基礎，僅有一些范圍較小的修改，該規(guī)范對冷成型和熱軋型不銹鋼都適用，設計條文非常詳細。 日本的不銹鋼結(jié)構用于建筑的研究可追溯到八十年代后期，由于高層建筑的興起，很多工程師和研究者嘗試在重型鋼結(jié)構中用不銹鋼，這促使制定了《結(jié)構重型鋼結(jié)構設計規(guī)范》，其主要針對熱軋不銹鋼。1995 年日本不銹鋼建筑協(xié)會編制了日本不銹鋼設計標準，而后，日本不銹鋼建筑結(jié)構設計標準 JIS G4321于 2000 年出版，采用兩種方法設計，設計規(guī)定較全面�；� Kuwamura 等[1]人的研究，2001 年，日本不銹鋼建筑協(xié)會出版了關于薄壁不銹鋼的設計方法規(guī)范：《輕型不銹鋼結(jié)構設計手冊》。 國際標準版本的不銹鋼螺栓標準 ISO  3506，其是基于 ENV  1993-1-1 和ENV  1993-1-4 的相關規(guī)定而，其主要適用奧氏體型不銹鋼。其他國家像加拿大、南非等的不銹鋼規(guī)范就不再一一贅述。 
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2.2  不銹鋼螺栓連接節(jié)點中連接板件承載力的規(guī)范對比 
盡管現(xiàn)今國內(nèi)不銹鋼作為結(jié)構構件在建筑工程中使用還十分有限，但不可否認在未來不銹鋼材料以其優(yōu)越的性能，必會在建筑工程領域得到越來越廣泛的使用。本章通過將歐洲、美國及日本規(guī)范與中國規(guī)范中不銹鋼螺栓連接設計的相關規(guī)定進行對比得出以下結(jié)論[8]：（1）歐洲、美國及日本規(guī)范的極限強度狀態(tài)法是基于材料的極限強度設計的，而中國規(guī)范和日本規(guī)范的容許強度狀態(tài)法是基于材料的屈服強度設計的；但各國規(guī)范所采用的安全系數(shù)及材料相關強度值存在較大不同。 （2）歐洲規(guī)范適用于冷成型和熱軋型不銹鋼；而美國規(guī)范只適用于冷成型不銹鋼；日本規(guī)范鋼種主要針對牌號 SUS304 冷成型不銹鋼，主要是應用該鋼種作為非結(jié)構構件所累積的經(jīng)驗最多。 （3）除此之外，日本規(guī)范還給出了高強度摩擦型螺栓的設計方法，歐洲規(guī)范盡管給出了相關抗滑移設計公式，但在設計中仍不推薦采用，其他規(guī)范均不推薦采用摩擦型螺栓設計。 （4）歐洲規(guī)范最為詳細，考慮的安全系數(shù)很多，設計公式較其他規(guī)范復雜；美國規(guī)范從整體上敘述較簡便，考慮的參數(shù)很少，使用簡便。日本規(guī)范給出了兩種設計方法，而且可適用于承壓型和摩擦型兩種螺栓連接。   
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第 3 章  不銹鋼 S30408 材料本構模型的研究........ 18 
3.1  不銹鋼材料的本構模型 ...... 18 
3.1.1  不銹鋼材料應力- 應變模型 ........ 18 
3.1.2  各模型比較小結(jié) ..... 21 
3.2  試驗研究 .......... 22 
3.3  試驗驗證與有限元模擬 ...... 25 
3.3.1  試驗結(jié)果與各模型比較 ...... 25 
3.3.2  試驗結(jié)果與有限元數(shù)值模擬比較.... 26 
3.4  本章小結(jié) .......... 28 
第 4 章  不銹鋼構件螺栓連接節(jié)點的抗剪性能研究 .... 30 
4.1  不銹鋼螺栓連接節(jié)點抗剪性能的試驗研究 ........ 30
4.2  不銹鋼構件螺栓連接節(jié)點的抗剪性能的有限元分析...... 47
4.3  不銹鋼構件螺栓連接承壓承載力設計方法 ........ 59 
4.4  本章小結(jié) .......... 67 
第 5 章  不銹鋼構件螺栓連接板外平面翹曲的研究 .... 69 
5.1  不銹鋼螺栓連接在蓋板為薄板平面外翹曲的試驗研究 ........ 69
5.2  不銹鋼螺栓連接平面外翹曲的有限元分析 ........ 73
5.3  板平面外翹曲的強度折減計算 ........ 78 
5.4  本章小結(jié) .......... 80

第5章  不銹鋼構件螺栓連接板外平面翹曲的研究 

試件在受力時，假如整個試件有均勻的收縮率，試件變形就不會發(fā)生翹曲，而試件截面僅僅會縮小尺寸。然而，由于試件設計尺寸、成型條件和受力不均勻等諸多因素的相互影響，要能達到均勻收縮是一件非常復雜的工作，特別是板件在較薄時，更難保證，即容易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象[44]。 

5.1  不銹鋼螺栓連接在蓋板為薄板平面外翹曲的試驗研究 

應變片的讀數(shù)如圖 5-1b）所示，應變片的讀數(shù)隨荷載的增加而增大，加載初期增長緩慢，但加載至 60s 時增長顯著，尤其是 F 和 G 兩應變片。與此相對應，試驗過程中，蓋板在 60s 左右出現(xiàn)了翹曲現(xiàn)象，從圖 5-1c）中可以看出，粘貼應變片的蓋板上端發(fā)生翹曲，下端沒有發(fā)生翹曲，未粘貼應變片的蓋板其上下兩端均發(fā)生翹曲現(xiàn)象，試驗中應變片讀數(shù)隨著翹曲的發(fā)生有了新的變化。 由第四章圖 4-3 可知，應變片 A 和 G 粘貼是對稱的，A 和 G 數(shù)據(jù)變化基本對應，在未發(fā)生翹曲時，呈受壓狀態(tài)，數(shù)據(jù)相差較小，數(shù)據(jù)吻合良好，但在發(fā)生翹曲之后，受力情況發(fā)生由受壓變?yōu)槭芾兤?B 和 F 粘貼是反對稱的，B 和 F 應變片的數(shù)據(jù)隨著荷載的施加而逐漸增大，呈受壓狀態(tài)，起初數(shù)據(jù)吻合良好，但發(fā)生翹曲之后，翹曲一端受力情況由受壓變?yōu)槭芾�。D 應變片數(shù)據(jù)隨著力的加載而逐漸變大，但也遠小于兩端的變化。 從圖 5-1d)中可以看出，試驗后的芯板基本未發(fā)生明顯的變形，這是由于翹曲的發(fā)生，導致承壓荷載降低，所以芯板變形不明顯。 

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結(jié)論

本文主要圍繞不銹鋼構件螺栓抗剪連接節(jié)點性能展開研究。通過對各國規(guī)范不銹鋼螺栓連接設計方法對比、國產(chǎn) S30408 不銹鋼材料進行材料性能拉伸試驗、不銹鋼板件螺栓抗剪連接性能試驗及有限元分析和對抗剪連接時薄板平面外翹曲等四個方面展開研究，得出以下結(jié)論： 
（1）本文將中國規(guī)范與歐洲規(guī)范、美國規(guī)范、日本規(guī)范進行對比分析�？芍獨W洲、美國及采用極限強度狀態(tài)方法設計的日本規(guī)范是基于材料的極限強度設計的，而中國規(guī)范和采用容許強度狀態(tài)方法設計的日本規(guī)范是基于材料的屈服強度設計的。而且，各規(guī)范所采用的安全系數(shù)及材料的相關強度取值存在較大不同。歐洲規(guī)范設計公式最為詳細，考慮參數(shù)也最多；美國規(guī)范整體敘述簡便，易于使用，但僅適用于冷成型不銹鋼；日本規(guī)范采用兩種方法設計，對承壓型和摩擦型螺栓連接均適用。 
（2）為了研究國產(chǎn)奧氏體不銹鋼 S30408 的本構關系，對不同厚度的不銹鋼試件進行單向拉伸試驗�；谠嚰斓脑囼炃�，得到不銹鋼的名義應力-應變曲線及相關參數(shù)，之后將試驗結(jié)果與各本構模型進行對比。結(jié)果表明：不銹 鋼材料具 有明顯的 非線性；R-O 模型較試驗值 結(jié)果偏大，Rasmussen 模型、G-N 模型和 Q uach 模型與試驗值吻合良好，誤差較小。最后，采用各本構模型確定的材料的真實應力-應變建立有限元模型進行分析，得到的分析結(jié)果與試驗值較為吻合，建議確定的本構模型可用于后續(xù)關于不銹鋼 S30408 構件及連接的相關研究。 
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參考文獻(略)

本文編號：125087