至德鋼業薄壁不銹鋼焊管應變變形能力分析

  隨著國內外基礎建設規模日益加大，對大直徑、大徑厚比的薄壁不銹鋼焊管需求不斷深化。薄壁鋼管結構服役時主要承受由彎曲形變引起的荷載，但國內對不銹鋼焊管受彎尤其是純彎的研究較少，且尚未有試驗對螺旋焊縫管與直焊縫管的抗彎性能進行比較與區分。浙江至德鋼業有限公司針對大徑厚比的15根大口徑不銹鋼焊管考慮幾何、材料非線性，進行抗彎性能研究并測量應變變形能力，為基于應變設計的規范提供方向。分析初始缺陷(殘余應力、幾何物理缺陷、徑厚比、屈服強度等)對抗彎性能的影響。薄壁鋼管受壓區過早出現局部屈曲，顯著降低了構件承載力、延性。殘余應力對承載力影響可以忽略但強化了鋼管的應變變形能力。屈服強度越高，受彎承載力越大，但變形能力隨之下降。初始幾何缺陷對抗彎承載力影響最大，要加強工廠預制后運輸、放置、運營、維護等環節中的管理制度。

  薄壁不銹鋼焊管屈曲破壞行為已被研究多年。隨著世界經濟與工業的飛速發展，對大口徑、薄壁化管道的需求不斷提高，以“西氣東輸”為代表的工程對大口徑薄壁鋼管需求不斷加大。與直焊縫鋼管相比，螺旋焊縫管因其較低的生產成本、產能，但相對較高強度及結構的穩定性，在大口徑不銹鋼焊管應用行業領域已引起高度關注，并將成為新常態。螺旋焊縫管應用尺寸范圍大，介于864×10mm與2997×25mm之間，能高效滿足對大口徑管道的應用需求。與直焊縫管(縱向焊縫)相比，國內外關于螺旋焊縫管的局部屈曲及彎曲性能研究極其有限，如結構受彎性能、影響因素、局部特征焊縫(如環焊縫、鋼帶接頭焊縫等)對結構力學性能的影響等。

  螺旋焊縫管是應用于樁板擋土墻的重要承重構件。在土壓力、水壓力及黏土壓力作用下，豎向荷載通過鋼板傳遞給樁管，鋼管主要受到彎曲變形作用，受壓彎為主?？紤]設計的經濟性，具有較高徑厚比，大口徑鋼管截面更加開展、經濟，能更好的應用于混凝土鋼管復合結構構件。然而隨著徑厚比的增加，不可避免地，會在彎曲大變形下出現局部失穩，導致鋼管樁承載力降低，結構延性變差，最終引起整體結構失穩，甚至造成土體滑坡等工程事故。螺旋焊縫管在受彎曲荷載作用過程中的屈曲性能對結構設計與應用具有重要的理論價值和應用意義。

  近年來，越來越多基于“以應變標準設計”代替傳統的“以應力標準設計”的研究已在各國逐步開展，我國目前處于落后階段。目前國內大口徑及大徑厚比圓鋼管的抗彎性能試驗研究僅限于直縫不銹鋼焊管，且口徑較小。國外鋼管局部屈曲的研究仍然局限于比較低的口徑，同樣局限于傳統的直焊縫管。盡管至德鋼業將鋼管的徑厚比提高至115左右，但局限于直焊縫管與無縫焊管兩種工藝的焊管。我國現有GB 50017-2003《鋼結構設計規范》只給出了不考慮圓鋼管軸壓局部屈曲時的臨界徑厚比控制比值100，未給出關于壓彎、純彎受力的臨界徑厚比，也未給出圓形鋼管的受彎承載力設計計算方法，過于保守粗糙。歐洲規范BS EN 1993-5:2007 給出了圓鋼管受彎過程中的承載力計算及截面分類，然而對初始缺陷的影響給出過量削減，過于保守。

 一、“四點受彎”試驗

 1. 試驗設計與試件制作

  試驗采用四點受彎機制，中間用鉸支座固定鋼管并限制中間支座位移，通過控制鋼管兩端的位移荷載，形成“四點純彎”。根據API-5L行業標準設計制作了13個螺旋焊縫鋼管2個直埋弧焊管，并按照GB/T 2975-1998《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》的規定取樣制作標準拉伸試件，鋼材的力學性能以及試件具體參數見表。力臂荷載最大加載3500 kN，鋼管受力對稱(圖1)。以位移控制的荷載通過鋼管上的固定鋼圈傳遞給鋼管，鋼圈具有與不銹鋼焊管相同的厚度。試驗發現，左側鋼圈有微小向內縮緊;而右側鋼圈有適量的開口現象。鋼圈的變形會引起鋼管橢化變形，觀察到局部屈曲破壞的位置始終位于離支座處大概4倍直徑的距離，局部橢化對結構抗彎性的影響極其有限，故可以忽略。在中間支座處，為避免因支座處的應力集中而引起局部屈曲，通過分別設置鋼圈來分散相對集中的荷載，其機制原理見圖，通過螺栓與水平分配梁的連接來傳遞荷載。分配梁通過鉸接的方式與地面支撐結構相連，從而能夠實現豎直面最大限度的自由轉動。曲率作為衡量鋼管變形的參量，也是研究基于應變設計的重要參數。在鋼管的純彎段設置三個局部曲率位移測量計，并在較大范圍內設置橫跨三個局部曲率位移測量托架的大跨度曲率測量位移計。局部曲率分別定義為曲率1、曲率2、曲率3。大跨度總體曲率定義為總曲率。通過計算鋼管抬升過程中四個支座處的位移可以計算出平均曲率，定義為平均曲率(圖3)。通過三維激光跟蹤儀對鋼管表面進行定位，軸向連續測量，環向每隔45°進行數據點的采集;同時用激光跟蹤儀對管內部進行測量。測量初始幾何缺陷，包括:壁厚變化、不銹鋼焊管外表面高度變化波動，從而獲得螺旋焊縫管的初始缺陷特征。同時在鋼管的壓拉面設置應變計來測量鋼管應變變化并在中性軸處設置應變測量托架記錄鋼管橢化的情況。比較典型的螺旋焊縫初始缺陷模式測量結果見圖5。由圖5可知，薄殼結構對初始幾何缺陷較為敏感，螺旋焊縫工藝會形成規律性的波浪型初始幾何缺陷。對接焊縫特征見圖6。從圖6可以觀察到測量范圍內規律性出現峰值，定位螺旋焊縫的位置，并記錄不銹鋼焊管加工輥軸造成鋼管表面厚度規律性波浪變化的特征位置。

 2. 加載方案

 荷載通過分級加載實現，從彈性階段傳感器為0kN時開始加載，以0.2mm/s的速度逐級加載，以每級10mm開始分步加載直到70mm(取決于鋼管強度及焊縫初始幾何缺陷特征)的位移荷載施加完成，開始轉換為以5mm為一級，以相同的速度進行分級加載。局部屈曲發生后，液壓力臂繼續抬升鋼管兩端，變形繼續，試驗總時長大約6小時。試驗通過荷載傳感器輸出的荷載值和位置數據可以得到荷載–位移曲線。靜態應變測量系統收集記錄應變計以及中性軸處的橢化情況，個別不銹鋼焊管在張拉與壓縮試驗的對比中表現出包辛格效應，在模擬中應予以注意。

 3. 試驗現象與討論

  試驗螺旋不銹鋼焊管包含兩種不同“局部特征焊縫”，即對接焊縫(環形焊縫)與鋼帶對頭焊縫。這兩種“局部特征焊縫”(以下簡稱“特征焊縫”)對鋼管局部屈曲抗彎性能的影響體現在許多方面。鋼管均未包含特征焊縫，局部屈曲發生在波浪模式凹凸缺陷處，遠離螺旋焊縫。鋼管在特征焊縫處發生屈曲，其中不銹鋼焊管同時具有兩種特征焊縫，鋼管在鋼帶對頭焊縫處發生局部屈曲。雖然鋼管同時包含兩種不同缺陷，但局部屈曲仍然發生在生產加工引起的規律性凹凸缺陷處。因其工藝與螺旋焊縫管不同，未出現規律性的表面凹凸變化，也未出現輥軸壓制的痕跡，在表面的凹陷缺陷處隨機發生局部屈曲。螺旋焊縫初始缺陷不是局部屈曲破壞的決定性因素，也非必要條件。

二、邊界變化

 初始“特征焊縫”將鋼管表面區域分隔成具有不同材料特性以及厚度變化的兩部分。以含有兩種類型“特征缺陷”的不銹鋼焊管為例，與環形焊縫缺陷相比，鋼帶對頭焊縫分隔的兩邊區域未出現明顯的厚度變化;在環形焊縫的兩邊區域，厚度發生較大變化，焊縫兩側表面厚度有4%左右的變化，屈服強度有34%的變化;厚度變化引起剛度的變化，引入額外平面內彎矩，導致抵抗力削弱;也從側面給出理由和預期，局部屈曲會更大概率發生在特征焊縫缺陷處;通常地，屈曲發生在較低強度或厚度較薄的一側;較低剛度導致曲率的局部集中，從而引起局部屈曲破壞。鋼管12的局部屈曲未發生在焊縫缺陷處，對此現象的解釋是由于較強的一側具有較高剛度，從而支撐臨近焊縫的另一弱側，使弱側出現抗彎剛度加強。

  1. 焊縫強化

  焊縫除了作為會引起局部屈曲的初始幾何缺陷，還具有某種程度上的強化作用。焊縫的埋弧覆蓋層使局部焊縫處厚度增加，抗彎剛度隨之增加，從而提高管壁的屈曲抗彎性能。加強情況與加強肋板類似，是鋼管12局部屈曲未發生在焊縫缺陷的第二種解釋。

  2. 破壞形式與徑厚比的關系

   由于篇幅限制，只通過對比不銹鋼焊管進行說明?？梢园l現，徑厚比較低的鋼管，在鋼管進入彈性階段之后表現出較強的塑性變形能力，即將到達臨界彎矩時，彎矩接近全塑性彎矩，局部屈曲破壞出現較均勻厚實的凹凸鼓曲。不銹鋼焊管具有較大徑厚比，局部屈曲破壞出現嚴重的壓曲褶皺、不規則不均勻凹陷褶皺紋理，構件塑性及延性急劇降低，在到達屈服彎矩之前就已經發生局部屈曲，變形能力差，屈曲破壞對比見圖。

 3. 彎矩–曲率關系

  根據試驗數據繪制無量綱化彎矩–曲率圖。因為篇幅關系，至德鋼業只列出部分不銹鋼焊管及其彎矩–曲率圖來做比較分析?？梢钥闯?，具有特征焊縫缺陷的鋼管，其抗彎性能及延性受到明顯削弱。通過計算延性系數(采用計算最大跨中彎矩值所對應的曲率與強度失穩瞬間對應曲率比值作為衡量延性的系數)繪制該系數與徑厚比的對應關系可以發現:徑厚比較低，壁厚較厚鋼管具有較好的延性;與不包含特征焊縫僅有螺旋焊縫鋼管表現相比，包含特征焊縫的鋼管延性表現更差。當采用荷載下降至85%最大承載力對應曲率與最大臨界曲率比值為延性系數，不銹鋼焊管的延性特性與鋼管截面長細比、局部特征焊縫有極強的數學擬合關系，即截面長細比相同時，不包含局部特征焊縫的鋼管延性系數均高于特征焊縫管，隨著截面長細比的增加，延性系數迅速下降。