不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀簡述★

鄧澤鵬　段文峰　劉文淵

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春　130118；2.上海藍(lán)徽建筑工程有限公司，上?！?01609；　3.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州　225300)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀簡述★

鄧澤鵬1,2段文峰1劉文淵3

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春130118；2.上海藍(lán)徽建筑工程有限公司，上海201609；3.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州225300)

闡述了國內(nèi)外不銹鋼相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及各國規(guī)范采用的設(shè)計(jì)方法，通過總結(jié)近年來不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀，探討了不銹鋼螺栓連接的發(fā)展趨勢及其破壞模式的主要特征，最后展望了不銹鋼螺栓連接需要著重研究的內(nèi)容。

不銹鋼，螺栓，設(shè)計(jì)規(guī)范，破壞模式

0　引言

不銹鋼材料具有耐腐蝕性、耐久性、耐火性、易維護(hù)性和美觀大方等多重特性，很大程度上彌補(bǔ)了碳鋼這方面的缺陷，給其帶來了廣闊的應(yīng)用前景，且隨著建筑可持續(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]。本文先對不銹鋼材料進(jìn)行簡要介紹，之后簡要介紹各國不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，最后介紹國內(nèi)外學(xué)者對不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)方面的研究情況，并總結(jié)后期需要著重研究不銹鋼螺栓連接的相關(guān)部分。

1　不銹鋼材料及其應(yīng)用

1.1不銹鋼材料的性能及分類

普通不銹鋼是指不銹耐酸鋼，其為耐蒸汽、空氣、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種，且是材料中鉻含量不低于10.5%，碳含量不高于1.2%的耐腐蝕合金鋼[3]。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，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[4]。

不銹鋼材料按組織形態(tài)可分為：奧氏體型、鐵素體型、奧氏體—鐵素體型(雙相型)、馬氏體型及沉淀硬化型不銹鋼等[4]。

1.2不銹鋼的特點(diǎn)和應(yīng)用

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，且不同類型的不銹鋼受冷彎影響表現(xiàn)不一[4]。

2　不銹鋼結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

目前國內(nèi)《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》已于2015年12月正式推廣使用。國外一些發(fā)達(dá)國家對于不銹鋼的研究起步較早，以下四部規(guī)范最具有代表性：

1)美國規(guī)范ASCE/SEI 8—02[5](以下簡稱美國規(guī)范)是由美國鋼鐵協(xié)會于1968年編制，于2002年頒布的修訂版本。

2)歐洲規(guī)范EN 1993—1—4[6](以下簡稱歐洲規(guī)范)是歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會在不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂并頒布的。

3)日本規(guī)范《不銹鋼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9](以下簡稱日本規(guī)范)是由日本不銹鋼建筑協(xié)會于1995年頒布的，2000年頒布的修訂版。

4)澳大利亞/新西蘭規(guī)范AS/NZS4673:2001[10](以下簡稱澳新規(guī)范)是在美國規(guī)范的基礎(chǔ)上編制的，后面不再贅述。

通過對歐洲、美國及日本規(guī)范與中國規(guī)范中不銹鋼螺栓連接設(shè)計(jì)的相關(guān)部分進(jìn)行對比得到[11]：

1)歐洲、美國及日本規(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)，而中國規(guī)范和日本規(guī)范的容許強(qiáng)度法是基于材料的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。

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。

3)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，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)范考慮的安全系數(shù)很多，最為詳細(xì)；美國規(guī)范考慮的參數(shù)很少，使用簡便；日本規(guī)范可用于承壓型和摩擦型螺栓連接。

2.2不銹鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

國外一些發(fā)達(dá)國家對不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究起歩較早，迄今為止已經(jīng)取得了較為成熟的研究成果，我國針對不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，但近些年來也有一些研究成果。下面簡要介紹國內(nèi)外不銹鋼構(gòu)件螺栓連接節(jié)點(diǎn)研究狀況：

Tae Soo Kim等[1]采用ABAQUS有限元軟件對薄壁不銹鋼板在螺栓連接時(shí)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，其還對連接中薄板發(fā)生翹曲引起的強(qiáng)度折減進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)翹曲引起的強(qiáng)度折減大小為19%～39%。

Tae Soo Kim等[12]對冷成型不銹鋼板單剪螺栓連接節(jié)點(diǎn)在極限強(qiáng)度下的力學(xué)行為進(jìn)行研究，并采用有限元模擬分析完成了一系列參數(shù)研究，提出單個(gè)螺栓節(jié)點(diǎn)在考慮翹曲引起的強(qiáng)度折減下的強(qiáng)度公式。

Ryan[13]對較厚材料的不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，考慮了三種連接類型，分析了各種破壞模式，提出構(gòu)造規(guī)定及相關(guān)參數(shù)的建議，歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)規(guī)定采用了其研究成果。

Tae Soo Kim等[14]通過有限元分析得到螺栓連接的失效模式和對應(yīng)的極限承載力，并且發(fā)現(xiàn)在有限元模型中當(dāng)蓋板為薄板時(shí)會發(fā)生翹曲，并分析了螺栓失效情況和翹曲的失效準(zhǔn)則。

A.Bouchair等[15]對鋼結(jié)構(gòu)中兩種典型的螺栓連接形式即蓋板連接和T型連接進(jìn)行了研究。對蓋板連接采用位移控制準(zhǔn)則，在T型連接中，發(fā)現(xiàn)在荷載作用下，不銹鋼的應(yīng)變硬化是持續(xù)增強(qiáng)的。

D.A.Nethercot等[16]考慮了螺栓連接中兩種破壞模式：凈截面破壞和承壓破壞，并進(jìn)行有限元模擬研究，提出變形準(zhǔn)則來判斷螺栓連接的破壞模式。

E.L.Salih等[17]采用不銹鋼薄板和厚板進(jìn)行了螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承壓性能研究，最后提出了考慮翹曲影響下的承壓計(jì)算公式，其研究的成果已被用于不銹鋼螺栓連接承壓破壞的規(guī)范設(shè)計(jì)。

J.Averseng等[18]基于先前的試驗(yàn)結(jié)果，確定了影響承載性能的相關(guān)參數(shù)，然后建立了相應(yīng)的不銹鋼螺栓蓋板連接的有限元模型，分析提出新的連接設(shè)計(jì)方法，其有助于有限元模型分析。

E.L.Salih等[19]對不銹鋼連接凈截面的破壞性能進(jìn)行研究，建立奧氏體以及馬氏體不銹鋼數(shù)值分析模型，并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，且利用此模型對影響螺栓連接凈截面破壞的主要參數(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)建等[20,21]考慮了端距、螺栓直徑、板厚等主要影響因素，對不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承壓性能研究，最后在試驗(yàn)分析、有限元分析的基礎(chǔ)上，提出了兩種承壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式。

Asko Talja等[22]對鐵素體不銹鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多組抗剪試驗(yàn)，考慮了螺栓和螺釘不同的排列形式，試驗(yàn)中出現(xiàn)凈截面失效、承壓失效和螺帽撕裂破壞，建議新的歐洲不銹鋼設(shè)計(jì)規(guī)范參考其試驗(yàn)結(jié)果。

Bouchair等[23]對不銹鋼螺栓連接抗滑性能進(jìn)行了研究，施加了靜力荷載和循環(huán)荷載作用，結(jié)果表明螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗滑移性能良好。

王元清等[24]對奧氏體316不銹鋼板摩擦面的抗滑移系數(shù)進(jìn)行研究，并對摩擦面采用拉絲、噴砂、割痕等方法進(jìn)行處理。結(jié)果顯示抗滑移能力噴砂處理的最差，其次是割痕處理，最好的是拉絲處理。

Cai Yancheng等[25]對87個(gè)冷彎薄壁不銹鋼單剪螺栓連接進(jìn)行了分析，采用瞬態(tài)試驗(yàn)方法進(jìn)行測試。結(jié)果顯示不銹鋼單剪螺栓連接的強(qiáng)度呈減小趨勢；而室溫下荷載水平為破壞荷載的25%和50%時(shí)，瞬態(tài)試驗(yàn)得到的臨界溫度略高于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。

3　總結(jié)與展望

關(guān)于不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)方面的研究，國外一些專家學(xué)者已經(jīng)取得了一定的成果，其為不銹鋼材料應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)中奠定了基礎(chǔ)，目前國內(nèi)針對不銹鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)的研究還很少，需要盡快開展有關(guān)不銹鋼結(jié)構(gòu)、材料的研究。

1)不銹鋼材料顯著的特性可與綠色建筑理念相結(jié)合，雖然建筑初期的造價(jià)較高，但相對于碳素鋼結(jié)構(gòu)，其有較長的使用壽命，而且后期防銹、防火成本很低，是一種值得推廣的綠色材料。

2)國內(nèi)不銹鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較少，還需在不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)部分對平面外翹曲、節(jié)點(diǎn)破壞模式、螺栓排列方式、連接板件構(gòu)造要求(端距、邊距、中距)、不同型號牌號不銹鋼等方面進(jìn)行大量的理論和試驗(yàn)研究。

3)盡管我國的《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》已經(jīng)頒布，但其只是在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的修正得出的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，故后期還需實(shí)踐應(yīng)用來檢驗(yàn)其正確性，再將應(yīng)用結(jié)果與理論相結(jié)合，促進(jìn)不銹鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

[1]Kim T S,Kuwamura H.Finite element modeling of bolted connections in thin-walled stainless steel plates under static shear[J].Thin-Walled Structures,2007,45(4):407-421.

[2]CECS 410:2015，不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]王元清,袁煥鑫,石永久,等.不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀[J].鋼結(jié)構(gòu),2010,25(2):1-12,18.

[4]伍千思.鋼鐵材料手冊:不銹鋼(第5卷)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[5]ASCE/SEI 8—02,Specification for the Design of Cold-formed Stainless Steel Structural Members[S].

[6]EN 1993—1—4:2006,Eurocode3:Design of Steel Structures.Part 1-4:General-Supplementary Rules for Stainless Steels[S].

[7]EN 1993—1—8:2005,Eurocode3:Design of Steel Structures.Part 1-8:Design of joints[S].

[8]EN 1993—1—3:2006,Eurocode3:Design of Steel Structures.Part 1-3:General rules-Supplementary rules for cold-formed members and sheeting[S].

[9]JIS G 4321:2000,日本不銹鋼建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[10]AS/NZS4673:2001,Cold Formed Steel Structural[S].

[11]段文峰,鄧澤鵬,劉文淵.各國規(guī)范關(guān)于不銹鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法比較[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2016，33(1):25-30.

[12]Kim T S,Kuwamura H.Numerical investigation on strength design and curling effect of mechanically fastened joints in cold-formed austenitic stainless steel[J].Material and Design,2011,32(7):3942-3956.

[13]Ryan I.Development of the use of stainless steel in construction.WP4.2,ECSC Project No.7210-SA/327.

[14]Kim T S,Han B S,Shin S W.Prediction of ultimate behavior of bolted connections in cold-formed stainless steel using numerical analysis[D].Ansan,Korea:Sustainable Building Research Center,Hanyang University,2001.

[15]J.Averseng,A.Bouchair.Modelling and analysis of bolted stainless steel cover plate joints[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering,2009,13(4):442-456.

[16]Nethercot D A,Salih E L,Gardner L.Behavior and Design of Stainless Steel Bolted Connections[J].Advances in Structural Engineering,2011,14(4):647-658.

[17]Salih E.L,Gardner L,Nethercot D.A.Bearing failure in stainless steel bolted connections[J].Engineering Structures,2011,33(2):549-562.

[18]J.Averseng,A.Bouchair.Modelling and analysis of bolted stainless steel cover plate joints[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering,2009,13(4):442-456.

[19]Salih E.L,Gardner L,Nethercot D.A.Numerical investigation of net section failure in stainless steel bolted connections[J].Journal of Constructional Steel Research,2010(66):1455-1466.

[20]關(guān)建,王元清,張勇,等.不銹鋼構(gòu)件高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)承壓性能的影響因素[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,36(4):115-120.

[21]關(guān)建.不銹鋼構(gòu)件螺栓連接節(jié)點(diǎn)及焊接工字形截面殘余應(yīng)力研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[22]Asko Talja,Matjaz Torkar.Lap shear tests of bolted and screwed ferritic stainless steel connections[J].Thin-Walled Structures,2014,83(5):157-168.

[23]Bouchair A,Baptista A.Strength and deformation of stainless steel bolted joints with reference to Eurocode 3[A].3rd Eurosteel conference[C].2002:879-888.

[24]王元清,關(guān)建,張勇,等.不銹鋼構(gòu)件螺栓連接摩擦面抗滑移系數(shù)試驗(yàn)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2013,29(5):769-775.

[25]Cai Yancheng,Ben Young.Transient state tests of cold-formed stainless steel single shear bolted connections[J].Engineering Structures,2014,81(12):1-9.

A brief introduction to the research status of stainless steel bolted joints★

Deng Zepeng1,2Duan Wenfeng1Liu Wenyuan3

(1.SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun130118,China;2.ShanghaiLanhuiConstructionEngineeringCo.,Ltd,Shanghai201609,China;3.TaizhouInstituteofScience&Technology,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Taizhou225300,China)

A brief introduction to design method of using stainless steel at home and abroad related design codes and standards of different countries, after in recent years stainless steel bolt connection node research status are summarized, and discusses the development trend of stainless steel bolt connection and failure mode of the main features， finally prospected emphatically research contents of stainless steel bolt connection.

stainless steel, bolt, design code, failure mode

1009-6825(2016)21-0038-03

2016-05-18★:吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：90701303)

鄧澤鵬(1989- )，男，在讀碩士，一級建造師

TU391

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