第1章  緒論 

1.1  引言 
碳素鋼作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用十分廣泛，其不利的一方面也隨之展現(xiàn)出來(lái)，像耐腐蝕性、耐久性和耐火性能差以及維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題都暴露出來(lái)。與此相對(duì)，不銹鋼材料能夠彌補(bǔ)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(gòu)中的應(yīng)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(yīng)用前景較好的綠色建筑材料[1]，并以其后期維護(hù)成低廉而備受青睞。 歐洲、美國(guó)、日本、澳大利亞及新西蘭均已經(jīng)頒布建筑結(jié)構(gòu)不銹鋼設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)內(nèi)也于 2015 正式頒布《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[2]。本文主要針對(duì)不銹鋼構(gòu)件螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，旨在提出適合我國(guó)不銹鋼材料的螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)公式。
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1.2  不銹鋼材料及其應(yīng)用 
通常我們所說(shuō)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(yīng)至少大于 10.5%，碳含量不應(yīng)超過(guò) 1.2%的耐腐蝕合金鋼[2]。不銹鋼之所以不生銹來(lái)源于材料中添加鉻元素，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)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(guó)的不銹鋼材料中鉻含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不一，我國(guó)一般認(rèn)為不應(yīng)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(xué)組成，且強(qiáng)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(qiáng)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(gè)顯著的特點(diǎn)：（1）較低的比例極限以及非線性的本構(gòu)關(guān)系，材料應(yīng)變硬化較高；（2）拉壓方向力學(xué)性能不同，顯示其各向異性性能；（3）材料力學(xué)性能受冷彎加工影響較為明顯，且不同類(lèi)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(diǎn)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(yīng)用。近些年來(lái)，由于碳鋼材料耐腐蝕性差、耐火性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致碳鋼后期維護(hù)成本很高，且施工工藝復(fù)雜，促進(jìn)不銹鋼材料從傳統(tǒng)的建筑裝飾領(lǐng)域擴(kuò)展到建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件領(lǐng)域，在世界上已經(jīng)有一些建筑采用不銹鋼作為結(jié)構(gòu)構(gòu)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(xué)游泳館等；由此可見(jiàn)研究各種情況下不銹鋼構(gòu)件的力學(xué)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(diǎn)各國(guó)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(gòu)構(gòu)件是始于康奈爾大學(xué)的 Johnson 和Winter，當(dāng)時(shí)是由 AISI 發(fā)起為了滿足編制不銹鋼設(shè)計(jì)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(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范”被 AISI 出版于 1968 年，修訂版《冷成型不銹鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范》出版于 1974年[1]。隨后，ANSI/ASCE8-90《冷成型不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范》出版于 1990年，再后來(lái)美國(guó) SEI/ASCE 8-02 標(biāo)準(zhǔn)修訂版于 2002 年出版，該修訂版引進(jìn)了極限狀態(tài)法，但其僅適用于冷彎成型不銹鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)，，且該規(guī)范沒(méi)有提到焊接方面的設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)以及疲勞設(shè)計(jì)[1]。 在歐洲，歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CEN）制定的標(biāo)準(zhǔn)（代號(hào) EN）已經(jīng)或正在取代歐盟各國(guó)原有的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的歐洲不銹鋼規(guī)范是 EN 1993-1-4:2006，事實(shí)上，其與歐洲不銹鋼設(shè)計(jì)手冊(cè)中關(guān)于結(jié)構(gòu)不銹鋼中的抗力設(shè)計(jì)方面都是以 EN 1993-1-8[21]和 EN 1993-1-3 為基礎(chǔ)，僅有一些范圍較小的修改，該規(guī)范對(duì)冷成型和熱軋型不銹鋼都適用，設(shè)計(jì)條文非常詳細(xì)。 日本的不銹鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)中用不銹鋼，這促使制定了《結(jié)構(gòu)重型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，其主要針對(duì)熱軋不銹鋼。1995 年日本不銹鋼建筑協(xié)會(huì)編制了日本不銹鋼設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而后，日本不銹鋼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) JIS G4321于 2000 年出版，采用兩種方法設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(huì)出版了關(guān)于薄壁不銹鋼的設(shè)計(jì)方法規(guī)范：《輕型不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)版本的不銹鋼螺栓標(biāo)準(zhǔn) ISO  3506，其是基于 ENV  1993-1-1 和ENV  1993-1-4 的相關(guān)規(guī)定而，其主要適用奧氏體型不銹鋼。其他國(guó)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(diǎn)中連接板件承載力的規(guī)范對(duì)比 
盡管現(xiàn)今國(guó)內(nèi)不銹鋼作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在建筑工程中使用還十分有限，但不可否認(rèn)在未來(lái)不銹鋼材料以其優(yōu)越的性能，必會(huì)在建筑工程領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的使用。本章通過(guò)將歐洲、美國(guó)及日本規(guī)范與中國(guó)規(guī)范中不銹鋼螺栓連接設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比得出以下結(jié)論[8]：（1）歐洲、美國(guó)及日本規(guī)范的極限強(qiáng)度狀態(tài)法是基于材料的極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)的，而中國(guó)規(guī)范和日本規(guī)范的容許強(qiáng)度狀態(tài)法是基于材料的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)的；但各國(guó)規(guī)范所采用的安全系數(shù)及材料相關(guān)強(qiáng)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(guó)規(guī)范只適用于冷成型不銹鋼；日本規(guī)范鋼種主要針對(duì)牌號(hào) SUS304 冷成型不銹鋼，主要是應(yīng)用該鋼種作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所累積的經(jīng)驗(yàn)最多。 （3）除此之外，日本規(guī)范還給出了高強(qiáng)度摩擦型螺栓的設(shè)計(jì)方法，歐洲規(guī)范盡管給出了相關(guān)抗滑移設(shè)計(jì)公式，但在設(shè)計(jì)中仍不推薦采用，其他規(guī)范均不推薦采用摩擦型螺栓設(shè)計(jì)。 （4）歐洲規(guī)范最為詳細(xì)，考慮的安全系數(shù)很多，設(shè)計(jì)公式較其他規(guī)范復(fù)雜；美國(guó)規(guī)范從整體上敘述較簡(jiǎn)便，考慮的參數(shù)很少，使用簡(jiǎn)便。日本規(guī)范給出了兩種設(shè)計(jì)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(gòu)模型的研究........ 18 
3.1  不銹鋼材料的本構(gòu)模型 ...... 18 
3.1.1  不銹鋼材料應(yīng)力- 應(yīng)變模型 ........ 18 
3.1.2  各模型比較小結(jié) ..... 21 
3.2  試驗(yàn)研究 .......... 22 
3.3  試驗(yàn)驗(yàn)證與有限元模擬 ...... 25 
3.3.1  試驗(yàn)結(jié)果與各模型比較 ...... 25 
3.3.2  試驗(yàn)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(gòu)件螺栓連接節(jié)點(diǎn)的抗剪性能研究 .... 30 
4.1  不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗剪性能的試驗(yàn)研究 ........ 30
4.2  不銹鋼構(gòu)件螺栓連接節(jié)點(diǎn)的抗剪性能的有限元分析...... 47
4.3  不銹鋼構(gòu)件螺栓連接承壓承載力設(shè)計(jì)方法 ........ 59 
4.4  本章小結(jié) .......... 67 
第 5 章  不銹鋼構(gòu)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(yàn)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(qiáng)度折減計(jì)算 ........ 78 
5.4  本章小結(jié) .......... 80

第5章  不銹鋼構(gòu)件螺栓連接板外平面翹曲的研究 

試件在受力時(shí)，假如整個(gè)試件有均勻的收縮率，試件變形就不會(huì)發(fā)生翹曲，而試件截面僅僅會(huì)縮小尺寸。然而，由于試件設(shè)計(jì)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(dá)到均勻收縮是一件非常復(fù)雜的工作，特別是板件在較薄時(shí)，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(yàn)研究 

應(yīng)變片的讀數(shù)如圖 5-1b）所示，應(yīng)變片的讀數(shù)隨荷載的增加而增大，加載初期增長(zhǎng)緩慢，但加載至 60s 時(shí)增長(zhǎng)顯著，尤其是 F 和 G 兩應(yīng)變片。與此相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)過(guò)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(yīng)變片的蓋板上端發(fā)生翹曲，下端沒(méi)有發(fā)生翹曲，未粘貼應(yīng)變片的蓋板其上下兩端均發(fā)生翹曲現(xiàn)象，試驗(yàn)中應(yīng)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(yīng)變片 A 和 G 粘貼是對(duì)稱(chēng)的，A 和 G 數(shù)據(jù)變化基本對(duì)應(yīng)，在未發(fā)生翹曲時(shí)，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�。�?yīng)變片 B 和 F 粘貼是反對(duì)稱(chēng)的，B 和 F 應(yīng)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(yīng)變片數(shù)據(jù)隨著力的加載而逐漸變大，但也遠(yuǎn)小于兩端的變化。 從圖 5-1d)中可以看出，試驗(yàn)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(dǎo)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(gòu)件螺栓抗剪連接節(jié)點(diǎn)性能展開(kāi)研究。通過(guò)對(duì)各國(guó)規(guī)范不銹鋼螺栓連接設(shè)計(jì)方法對(duì)比、國(guó)產(chǎn) S30408 不銹鋼材料進(jìn)行材料性能拉伸試驗(yàn)、不銹鋼板件螺栓抗剪連接性能試驗(yàn)及有限元分析和對(duì)抗剪連接時(shí)薄板平面外翹曲等四個(gè)方面展開(kāi)研究，得出以下結(jié)論： 
（1）本文將中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范、美國(guó)規(guī)范、日本規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析�？芍�?dú)W洲、美國(guó)及采用極限強(qiáng)度狀態(tài)方法設(shè)計(jì)的日本規(guī)范是基于材料的極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)的，而中國(guó)規(guī)范和采用容許強(qiáng)度狀態(tài)方法設(shè)計(jì)的日本規(guī)范是基于材料的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。而且，各規(guī)范所采用的安全系數(shù)及材料的相關(guān)強(qiáng)度取值存在較大不同。歐洲規(guī)范設(shè)計(jì)公式最為詳細(xì)，考慮參數(shù)也最多；美國(guó)規(guī)范整體敘述簡(jiǎn)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(shè)計(jì)，對(duì)承壓型和摩擦型螺栓連接均適用。 
（2）為了研究國(guó)產(chǎn)奧氏體不銹鋼 S30408 的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)不同厚度的不銹鋼試件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)�；谠嚰斓脑囼�(yàn)曲線，得到不銹鋼的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相關(guān)參數(shù)，之后將試驗(yàn)結(jié)果與各本構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)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(yàn)值 結(jié)果偏大，Rasmussen 模型、G-N 模型和 Q uach 模型與試驗(yàn)值吻合良好，誤差較小。最后，采用各本構(gòu)模型確定的材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變建立有限元模型進(jìn)行分析，得到的分析結(jié)果與試驗(yàn)值較為吻合，建議確定的本構(gòu)模型可用于后續(xù)關(guān)于不銹鋼 S30408 構(gòu)件及連接的相關(guān)研究。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：125087