不銹鋼管結(jié)構(gòu)的研究驅(qū)動形式拓展和性能提升

   基于近10年來不銹鋼管結(jié)構(gòu)的研究文獻(xiàn)和工程應(yīng)用狀況，從構(gòu)件、節(jié)點和結(jié)構(gòu)3個方面綜述了管結(jié)構(gòu)主要的理論發(fā)展和技術(shù)成果。新材料應(yīng)用、截面形式拓展、構(gòu)件受力方式改變和計算精準(zhǔn)化，推動了不銹鋼管構(gòu)件受力性能和設(shè)計方法研究的深入，也推動了其他金屬管和組合結(jié)構(gòu)管的研究。為適應(yīng)建筑表現(xiàn)、結(jié)構(gòu)受力以及制造和施工工藝的需求，管節(jié)點構(gòu)造形式豐富，同時，鋼管材料的變化和獨立的節(jié)點元件如鑄鋼節(jié)點的產(chǎn)生，需要持續(xù)進行不同類型節(jié)點的基本靜力性能研究;而對節(jié)點變形性能、滯回性能、疲勞性能、抗斷裂性能的更加精細(xì)化研究，成為節(jié)點研究的焦點。不銹鋼管結(jié)構(gòu)體系雖然具有桿系結(jié)構(gòu)的共性，但當(dāng)其應(yīng)用于裝配化結(jié)構(gòu)場合時，適應(yīng)閉口截面特征的高效連接方式是需要重點研究的課題。

  不銹鋼管區(qū)別于其他型材的截面特征為閉口形狀。閉口形狀使其相對開口形狀的型材如H鋼、槽鋼、角鋼等具有受力性能(板件穩(wěn)定性高，截面雙向受彎性能相等或接近、抗扭剛度大)、維護性能(防腐防火處理表面積小)、施工性能(相對焊接組合截面而言，鋼管構(gòu)件的加工量小，制造效率高)以及由之而來的綜合經(jīng)濟性能等方面的優(yōu)勢。大型工程結(jié)構(gòu)體系中的鋼管應(yīng)用，最早始于橋梁(文獻(xiàn)資料記錄的首座不銹鋼管橋梁為1867年動工建造的美國圣路易斯橋，采用了直徑46cm不銹的鋼管。

    二戰(zhàn)后，自美國在墨西哥灣建造首個鋼結(jié)構(gòu)石油平臺后，不銹鋼管在這一領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，形成了較為成熟的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。而其在建筑結(jié)構(gòu)中成規(guī)模的應(yīng)用則略晚。國際管結(jié)構(gòu)發(fā)展與教育委員會于1962年創(chuàng)建，初創(chuàng)時的工程研究對象也主要是海洋平臺鋼管結(jié)構(gòu);我國直到1988年發(fā)布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》才首次為鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)置了專門章節(jié)。隨著不銹鋼管制造工藝的不斷進步和鋼管產(chǎn)量的大幅提高，促進了其在工程結(jié)構(gòu)中的普遍應(yīng)用。據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國鋼鐵工業(yè)年鑒》，2014至2016年我國鋼材產(chǎn)量穩(wěn)定在11.2～11.3億噸;以2015年為例，無縫鋼管和焊接鋼管產(chǎn)量分別為2857、6969萬噸，合計占鋼材產(chǎn)量的8.7%。據(jù)中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會《2017鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展藍(lán)皮書》統(tǒng)計的2016年鋼結(jié)構(gòu)制造量中，鋼管耗材占比8%，與鋼管產(chǎn)量在鋼材中的占比接近。上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)大量建造的大跨度建筑屋蓋結(jié)構(gòu)(廠房除外)已主要采用鋼管作為受力構(gòu)件，中高層建筑結(jié)構(gòu)中以鋼管為柱的工程項目持續(xù)增加，一些小型結(jié)構(gòu)中則使用冷彎薄壁鋼管。鋼管也成為施工腳手架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件。鋼管在建筑鋼結(jié)構(gòu)中已得到普遍應(yīng)用，而其在橋梁結(jié)構(gòu)、風(fēng)電結(jié)構(gòu)、輸電結(jié)構(gòu)、管道結(jié)構(gòu)等設(shè)施結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用則更為廣泛。

  推動不銹鋼管在建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用的重要保障是設(shè)計規(guī)范的完善。主要工業(yè)化國家的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范都納入了鋼管設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，或者編纂有專門的不銹鋼管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與指南。前者如歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，在其一般規(guī)則、節(jié)點設(shè)計等分冊規(guī)定了不銹鋼管設(shè)計的相關(guān)條文，美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會規(guī)范除了包含鋼管構(gòu)件設(shè)計規(guī)定，也將鋼管節(jié)點單列成章，以考慮其特殊性。日本建筑學(xué)會則頒布有鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工指南。自1991年起出版了9部指導(dǎo)鋼管結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的指南，涵蓋了節(jié)點靜力和疲勞設(shè)計、構(gòu)件穩(wěn)定、抗震、抗火、加工制作以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。我國除了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》外，還有《鋼管結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以及有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，支撐了工程設(shè)計、制造、施工的需求。雖然鋼管具有獨特的優(yōu)勢，但也存在一定局限。例如截面形式較少，早期僅是圓管，方管則由圓管再次擠壓成型，直到近幾十年，冷成型方矩形截面管才得以大量制造;型材規(guī)格有限，受到成型能力和材料性能限制，截面尺寸和管壁厚度還不能充分滿足工程需要;連接構(gòu)造特殊，相對開口截面構(gòu)件而言，加工和安裝的工序更為復(fù)雜。工業(yè)界、工程界和學(xué)術(shù)界在新材料、新截面、新節(jié)點、新體系的研發(fā)方面，相互合作、不斷開拓，借助新需求的出現(xiàn)，驅(qū)動研究深化，提升結(jié)構(gòu)性能。本文中聚焦于鋼管在建筑結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用，綜述近年關(guān)于鋼管和其他金屬管構(gòu)件、節(jié)點和結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)進展，提出需要繼續(xù)解決的相關(guān)課題，以期為其結(jié)構(gòu)工程的研究和應(yīng)用提供參考。