考虑冷加工效应的冷成型不锈钢管结构受力性能及统一设计理论的研究

Stainless steel, as a kind of high performance green building material, has super corrosion resistance and excellent mechanical properties. For important structures, which have high demands for corrosion resistance, bearing capacity, and architectural appearance, stainless steel owns irreplaceable advantages. This project focuses on the most widely used cold-formed stainless steel tubular structures, and carries out trine investigations on the member cold-forming effect, the design theory of members, and the design theory of joints by using theoretical and experimental methods. Utilizing the interdisciplinary advantages of material plastic manufacturing engineering and steel structures engineering, the static and the hysteretic strain-stress relationship after cold forming, are proposed. Then the cold-forming effect of members is determined. To reveal the mechanical behavior of members and joints, tests on the cold-formed stainless steel tubular members and joints are conducted. Taking the high nonlinear material properties of stainless steel in full consideration, generalized slenderness for members and joints is proposed including the material and geometrical parameters, respectively. United-design theory for members and joints in the terms of DSM, which orients multiple initial states and failure models, is proposed, respectively. The achievements of this project are of great social and theoretical value, and will provide the key theory base for the next generation of “design code for stainless steel structures”.

不锈钢具有超强的耐腐蚀性和优良的力学性能，是一种高性能的绿色建筑材料，应用于恶劣的腐蚀环境、重荷载和高外观要求的结构中具有不可替代的优势。本项目围绕目前应用最广泛的冷成型不锈钢管结构，理论和试验方法相结合，开展构件的冷加工效应、构件和相贯节点设计理论三位一体的研究。集成材料塑性加工成型和钢结构交叉学科的成果，提出冷加工后的材料静力本构模型和滞回模型，确定构件的冷加工效应；开展国产冷成型不锈钢管构件和相贯节点的试验研究，揭示构件和相贯节点的破坏机理，充分考虑不锈钢材料强非线性本构关系对构件和相贯节点受力性能的影响，提出融合材料和几何特征参数的构件和相贯节点广义柔度系数，分别建立面向多种构件初状态和多种破坏模式的构件和相贯节点的DSM构型统一设计理论，改进和完善冷成型不锈钢管结构的设计理论基础。本项目的研究成果将作为下一版《不锈钢结构设计规范》的关键理论基础，具有重要的社会意义和理论价值。

不锈钢因其具有卓越的耐腐蚀性和优良的力学性能，在强腐蚀性工业环境和海洋环境中具有广泛的应用前景。目前国内外不锈钢结构相关设计规范中均采用退火状态下板材力学性能进行结构设计，忽略了冷加工引起的不锈钢材料显著应变强化，造成材料的严重浪费。基于上述背景，本项目开展了不锈钢结构材料、构件和相贯节点三个层面的理论与试验研究，重点突破冷成型构件中冷加工效应的量化及其在构件和相贯节点设计理论中的应用。主要成果如下：（1）开展了奥氏体型、双相型和索氏体型不锈钢材料力学性能研究，提出了不锈钢材料三段式简化静力本构模型和强化规律，标定了材料各向同性/非线性随动混合强化模型参数；进行了折弯、辊弯和冷拔成型构件中冷加工效应（残余应力和材料强化）研究，建立了常用冷加工成型构件中残余应力分布模型和材料强化模型，实现了通过母材性能和成型方式预测构件截面任意点应力-应变全过程曲线的目标。（2）开展了100余根受压和受弯构件试验研究和大量的有限元模拟，明确了构件承载力的关键影响因素，基于切线弹性模量理论统一了冷加工后多样的材料性能参数在构件设计中应用，以构件正则化长细比和截面柔度系数作为关键变量，提出了构件设计的统一理论，形成了向多种材料性能、全长细比/柔度系数范围的构件承载力设计方法。（3）进行了冷成型构件（圆管和方矩管）T型、Y型和K型相贯节点的试验和理论研究，提出了方矩管K型节点的塑性铰线模型，改进了相贯节点几何参数影响系数和弦管轴力影响系数表达式，引入了材料强度影响系数Qy解决冷加工引起的材料力学性能多样性带来的设计方法兼容性难题，形成了冷成型不锈钢管相贯节点的设计方法。通过本项目的研究，建立了一套现代不锈钢结构设计理论与方法。项目的研究成果为完善我国《不锈钢结构技术规程》等相关规范、推动不锈钢结构在我国安全、经济、合理的应用提供了重要的理论基础。