冷弯不锈钢方管梁腹板压跛破坏机理与设计方法研究

不锈钢是一种高延展性、非线性的绿色环保建筑材料，非常适合冷加工。冷弯不锈钢截面通过冷轧加工成型，圆弧弯角，板壁较薄。此类构件在梁翼缘受有沿腹板平面作用的局部集中荷载、且荷载处又未设置支承加劲肋时，或者受有可移动的局部集中荷载作用时，容易发生腹板压跛（web crippling）破坏。从破坏机理的角度，分析认为腹板失稳破坏或截面强度破坏是引起冷弯不锈钢梁在局部荷载作用下发生腹板压跛现象的两个主要原因。本项目拟以建筑结构中常用的冷弯不锈钢方（矩形）管梁为主要对象，考虑不锈钢材料非线性和冷弯截面圆弧弯角的影响，研究腹板的稳定问题；从加载局部区域应力分布、荷载扩散角度、以及屈服线长度等基本问题着手，研究截面的强度问题。从而，深入揭示冷弯不锈钢梁在局部荷载作用下发生腹板压跛现象的破坏机理。本项目将为冷弯不锈钢方管梁在局部荷载作用下提供更加合理的设计方法，促进不锈钢在建筑结构中的应用。

冷弯不锈钢截面通过冷轧加工成型，圆弧弯角，板壁较薄。此类构件在梁翼缘受有沿腹板平面作用的局部集中荷载、且荷载处又未设置支承加劲肋时，或者受有移动的局部集中荷载作用时，容易发生腹板压跛(web crippling)破坏。腹板压跛破坏是冷弯钢结构中最常见的破坏现象之一，在设计中必须得到充分的重视。本项目以建筑结构中常用的冷弯不锈钢方（矩形）管梁为主要对象，从不锈钢材料的非线性和冷弯截面的圆弧弯角对腹板稳定的影响、加载局部区域应力分布、荷载扩散角度、以及屈服线长度等基本问题着手，深入揭示了其在局部荷载作用下发生腹板压跛现象的破坏机理。. 首先，项目组设计并实施了冷弯薄壁不锈钢矩形管腹板压跛试验，考虑了5种不同的截面尺寸，其腹板高厚比从28.1（厚实截面）变化到68.5（薄柔截面），实测了冷弯不锈钢管荷载作用位置局部区域应力及应变的分布规律。其次，考虑构件的初始缺陷、残余应力、几何非线性和材料的非线性，在试验数据的基础上建立了冷弯不锈钢管腹板压跛的精细化ABAQUS有限元模型，该有限元模型可以精确预测冷弯薄壁不锈钢矩形管腹板压跛的极限承载力、破坏模式、荷载-腹板变形曲线及腹板区域应力分布。因此，利用参数化分析手段，对荷载扩散角度、腹板压跛破坏机理等问题进行了深入研究。最后，对目前理论模型进行了评价，并提出了新的塑性机构模型，用于指导工程设计。. 项目组按时完成了预期研究内容，达到了预期目标，并完成了原定考核指标。截止目前为止，本项目组完成试验报告3本；培养研究生3名；已发表标注本基金资助的科研论文6篇，其中SCI收录论文3篇；参加并发表国、内外学术会议论文3篇，在国际学术会议上作特邀报告1次、口头报告2次；邀请香港大学Ben Young教授作短期访问和学术报告2次，并与香港大学Ben Young教授的研究团队在2014年7月16号于同济大学举行了为期1天的港大-同济钢结构课题组学术交流会，双方24名研究生就目前研究内容作了学术报告。