轴向压缩下双面不锈钢包覆钢普通槽截面短柱的残余应力与局部屈曲行为

《Journal of Constructional Steel Research》：Residual stress and local buckling behaviour of double-sided stainless-clad steel plain channel section stub column under axial compression

　　

摘要
本文进行了全面的试验测试和数值模拟，以探索双面不锈钢包覆钢（SCS）槽钢构件的残余应力分布、力学特性、压弯制造引起的强度增强、局部屈曲行为以及数值建模技术。通过从测试槽钢截面的关键区域提取条状试件并加工标准拉伸样品，确定了与残余应力和固有材料特性相关的力学特性。进行了轴向受压短柱试验，以检查试件的截面局部屈曲性能和极限强度承载力。本研究建立了有限元（FE）模型，采用数值预测的结构响应与实验测量数据相结合，验证了主要为传统碳钢和纯不锈钢结构制定的当前设计规范 的可行性。系统评估了现有的用于结构截面分类的截面长细比阈值，并为双面 SCS 槽钢提出了优化的合理值。除了当前规范中规定的传统设计方法外，还验证了高级直接强度法（DSM）的适用性。此外，提出了针对原始 DSM 框架的定向修订，以适应本研究中调查的双面 SCS 槽钢截面的结构特性。

引言
海洋和离岸结构的建设对先进建筑材料的发展提出了重大需求 [1]，[2]。与陆上建筑不同，离岸基础设施持续遭受高湿度和高盐度的恶劣服役环境。长期侵蚀会攻击钢结构和钢筋混凝土结构构件，侵蚀有效截面面积并相应地削弱抗屈曲能力 [3]，[4]，如图 1 所示。因此，提高构件耐久性并在整个服役期内减缓材料劣化需要两种可行的方法：对钢基板进行高效的防腐保护或开发新的耐蚀结构材料 [1]，[5]。传统防腐技术包括表面涂层和热浸镀锌，在实际工程中得到广泛应用，然而，由于频繁的施工和日常维护，这些方法往往会导致环境污染并增加全生命周期成本。虽然不锈钢和其他耐蚀材料具有出色的防腐性能，但其生产需要大量的铬、镍和其他珍贵合金元素，这大大推高了制造费用并限制了大规模推广 [6]。

材料科学和制造技术的最新进展使得高性能复合钢的工业化制造成为可能。这类复合材料通常由结构钢基板构成，上面包覆一层或多层耐蚀合金，如不锈钢和钛 [7]，[8]。如图 2 所示，这种复合结构协同整合了两种组成材料各自的优点。基板提供高承载力、良好的焊接性、延展性和导热性 [9]，而包覆层具有突出的耐蚀性、耐热性、耐磨性和抗磁性，同时改善了外观性能。在薄包覆层的保护下，基板可以在整个构件寿命期内保持稳定的结构完整性。由于包覆层仅占整个截面的极小体积分数，高成本合金的消耗被大幅削减，与实心不锈钢构件相比，具有显著的经济优势 [10]。因此，不锈钢包覆钢（SCS）作为海岸和离岸基础设施建设的经济替代材料。到目前为止，SCS 已获得广泛的工业应用，包括化学油轮、运输管道和压力容器 [11]，[12]。在结构工程领域，其实际应用范围进一步扩展到桥面系统和高楼外墙 [13]，[14]。

许多现有研究探索了不锈钢包覆钢（SCS）在不同载荷情况下的材料、截面和构件尺度的力学行为。几位学者表征了 SCS 材料在高温环境和火灾后场景下的力学性能 [10]，[15]。Zhao 等人 [12] 探索了焊接 SCS 箱型截面内的残余应力分布特征，发现焊接角附近的最大残余应力达到约 400 MPa。其他关注冷成型方形空心 SCS 构件的研究分析了它们的残余应力分布和局部屈曲特性 [8]。此外，Liu 等人 [16] 对由焊接和压弯双面 SCS 角钢型材制成的轴向受压短柱进行了试验测试和数值模拟，其中分别选择 Q355 碳钢和 304 L 不锈钢作为基板和包覆材料。他们的研究表明，传统设计公式适用于 SCS 角钢截面，但这些方法通常低估了极限截面承载力。学者们还研究了受集中块状载荷作用的 SCS 板梁的抗剪承载力 [7]，以及热轧 SCS 的循环力学性能和疲劳性能，以评估其在地震区的应用前景 [17]，[18]。此外，实施了单面和双面 SCS [2]，[3]，[4] 螺栓连接的相关拉伸试验，以验证主流规范中包括 EN 1993-1-1 [19] 和 AISC 360-22 [20] 规定的设计公式的预测精度。

值得注意的是，最近关于 SCS 的许多研究集中在仅一侧有包覆层的焊接截面上 [21]，[22]。然而，焊接制造过程往往损坏包覆层的完整性，这可能会降低 SCS 构件的固有耐蚀性。此外，单面包覆更适用于填充管型截面，而单面包覆开放截面无法为结构构件提供全方位防腐保护。相比之下，冷成形有效保持了包覆层的结构完整性，并具有多种工程优势，如优异的表面质量、高精度尺寸、灵活的配置能力和高效的大批量生产 [23]，[24]。这种制造技术，包括冷轧和压弯，通过塑性变形将钢板和钢带成型为目标截面型材。伴随冷成形的一个显著特征是应变硬化，它通过提高屈服强度和极限抗拉强度同时降低塑性、冲击韧性和延展性来改变钢材料的力学性能 [25]，[26]。这种影响的程度受多种因素影响，包括具体的成型技术、截面尺寸和材料强度等级 [27]，[28]，这使其精确表征变得复杂，并推动了近期对冷成型截面的兴趣。

在各种截面形状中，单轴对称截面如槽钢和角钢具有制造优势。与需要焊接的双轴对称管型或开放截面相比，它们的生产更简单且更具成本效益。虽然槽钢截面具有简单的几何形状和广泛的适应性，但由于剪切中心与质心之间的偏移、可忽略的翘曲约束和低扭转刚度，它们表现出复杂的结构行为 [16]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。尽管传统槽钢型材的应用潜力得到认可，但关于不锈钢包覆钢（SCS）槽钢截面，特别是双面 SCS 槽钢的力学性能和截面特性的相关研究仍然稀缺。具体而言，关于此类复合截面残余应力分布和局部屈曲特性的实验数据仍然缺失。这一研究空白表明系统研究的紧迫性，这构成了本研究的核心目标。

这项工作对由双面不锈钢包覆钢（SCS）槽钢截面制成的短柱试件进行了全面试验和数值分析。进一步实施了广泛的参数研究，以阐明目标构件的残余应力分布、材料力学行为和局部屈曲响应的固有特征。本研究通过检查传统碳钢和不锈钢的当前设计标准是否可应用于此类创新复合截面，填补了截面局部屈曲设计领域现有的研究空白。在正式力学试验之前，在整个实验计划中对所有试件进行了初始几何缺陷测量。对取自关键截面区域的样品进行了材料参数测试，旨在澄清制造工艺对力学性能的影响。通过统计分析和图形可视化，定量表征了压弯成型过程中产生的残余应力的分布模式和大小。建立了高精度有限元（FE）数值模型，并使用实验数据进行校准，完全纳入了实际测量的材料参数、残余应力分布和几何缺陷。验证过的实验和数值数据集最终用于评估国际标准规范中规定的长细比限制标准和主流设计方法，代表规范包括欧洲规范 EN 1993-1-1 [19]、EN 1993-1-5 [34] 和 EN 1993-1-4 [35]；美国规范 ANSI/AISC 360-22 [20] 和 ASCE 8-22 [36]；以及澳大利亚标准 AS 4100: 2020 [37]。直接强度法（DSM）[38]，一种考虑单元相互作用而不受截面轮廓限制的高级设计方法，也得到了评估。基于研究结果，提出了修改后的设计建议，以提高现有方法对冷成型双面 SCS 槽钢截面的准确性和有效性。

章节片段

试件
本实验研究重点在于轴向受压载荷下双面 SCS 槽钢截面短柱的局部屈曲性能。试件由热轧结合 SCS 板制成，采用 Q355 碳钢作为基板，304 L 奥氏体不锈钢作为包覆层，名义总板厚为 6 mm。表 1 列出了试验计划中使用的所有组成材料的化学成分。复合板为

一般描述
本部分详细阐述了为双面 SCS 槽钢短柱建立的数值建模方案。建立的有限元（FE）模型重现了物理实验中采用的边界条件，同时集成了测量的局部初始几何缺陷、材料本构参数、几何尺寸以及残余应力分布特征。重点关注极限截面承载力、载荷 - 端缩短曲线和屈曲失效模式的比较

一般描述
本节评估了当前设计规范在预测轴向受压冷成型双面 SCS 槽钢截面短柱局部屈曲能力方面的可行性，这些规范最初是为传统碳钢和不锈钢结构制定的。评估包括为热轧和冷成型碳钢结构制定的设计规范：ANSI/AISC 360-22 [20] 和 AS 4100:2020 [37] 适用于两种截面类型，EN 1993-1-1 [19] 特别针对热轧

结论
本研究对冷成型双面 SCS 槽钢截面中残余应力的大小和分布特性进行了全面的实验和数值调查。进行了拉伸试件试验，以获取母材 SCS 板、平板区域和压弯角区域的力学性能。为了表征新型截面的局部屈曲性能和极限截面阻力，所有...的初始局部几何缺陷

CRediT 作者贡献声明
刘军志：写作 - 审查与编辑。范晨曦：调查。郭佳辰：方法论。徐飞：可视化。刘凯：写作 - 审查与编辑。王明：写作 - 审查与编辑。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本文提出的研究工作得到了国家重点研发计划（编号 2024YFC3014100）和中央高校基本科研业务费（2243300007）的资助。

刘军志 | 范晨曦 | 郭佳辰 | 徐飞 | 刘凯 | 王明
北京师范大学珠海分校灾害模拟与系统风险治理联合国际实验室，中国