不銹鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和研究狀況

曾憲平

摘 要 不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕性能和耐久性，使建筑結(jié)構(gòu)安全可靠、結(jié)實(shí)耐久。但目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作開(kāi)展嚴(yán)重滯后，不利于可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)簡(jiǎn)要介紹不銹鋼材料的類(lèi)型和特點(diǎn)，對(duì)近年來(lái)不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，闡述國(guó)內(nèi)外不銹鋼相關(guān)規(guī)范以及不銹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，最后展望和探討不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究前景。

關(guān)鍵詞 不銹鋼結(jié)構(gòu)；建筑；特點(diǎn)；應(yīng)用；現(xiàn)狀

1.不銹鋼的特點(diǎn)

根據(jù)化學(xué)成分和熱處理工藝的區(qū)別，目前普遍將不銹鋼分成五大類(lèi)：奧氏體型、奧氏體-鐵素體（雙相）型、鐵素型、馬氏體型和沉淀硬化型，使用和研究較多的是前兩種類(lèi)型。奧氏體型有很好的耐腐蝕性和奧氏體微觀結(jié)構(gòu)。雙相型比奧氏體型有更好的耐腐蝕性，并且更高的強(qiáng)度和更好的耐久性，但價(jià)格更高。由于材料造價(jià)高、相關(guān)技術(shù)的不成熟，長(zhǎng)期以來(lái)不銹鋼常常僅用來(lái)制作結(jié)構(gòu)零件。但隨著更深入研究和比較，發(fā)現(xiàn)不銹鋼有比普通建筑鋼更優(yōu)秀的材料性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1.1 材料造價(jià)高但維護(hù)費(fèi)用低

不銹鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)約為碳素鋼的四倍，此外鋼材生廠量小和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不成熟，這些成為了制約不銹鋼推廣的重要原因。但是對(duì)近海結(jié)構(gòu)使用周期內(nèi)總花費(fèi)的調(diào)查顯示，綜合考慮原材料費(fèi)用、維修費(fèi)用、防腐蝕費(fèi)用、防火費(fèi)用、結(jié)構(gòu)修復(fù)損傷費(fèi)用和其他潛在費(fèi)用，鋁結(jié)構(gòu)和不銹鋼結(jié)構(gòu)能節(jié)省很可觀的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，不銹鋼的經(jīng)濟(jì)效益和防火安全是其他材料不可取代的。

1.2 美觀且耐久性好

建筑師對(duì)結(jié)構(gòu)造型和結(jié)構(gòu)外表的美學(xué)需求不銹鋼同樣可以滿足，例如紐約1936年建成的近海結(jié)構(gòu)Chrysler Building雖然空氣環(huán)境惡劣，但目前材料表面依舊明亮清潔。只需少量維修，不銹鋼結(jié)構(gòu)壽命可以超過(guò)100年。

1.3 σ-ε曲線和耐火性

不銹鋼和碳素鋼的σ-ε曲線如圖1，由對(duì)比可知由于不銹鋼是一種合金材料，σ-ε曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)但有很好的延性（不銹鋼為40-60%，碳素鋼為20-30%），有可觀的硬化階段。目前一般采用0.2%的應(yīng)變作為不銹鋼屈服點(diǎn)的等效值，如圖2。

非線性材料一般采用Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系，Hill對(duì)表達(dá)式進(jìn)行了修正：

式中：為彈性模量；為材料的屈服強(qiáng)度；n為應(yīng)變硬化指數(shù)，，對(duì)于不銹鋼一般取3~10。

由于合金元素的作用，不銹鋼比碳素鋼耐火性更好。圖3為實(shí)驗(yàn)研究得到的兩者屈服值隨溫度變化曲線，圖4為兩者剛度隨溫度變化曲線。按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)五種不銹鋼等級(jí)耐火實(shí)驗(yàn)都顯示，大于600°C的溫度，不銹鋼屈服值和材料剛度都比普通碳素鋼高，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與有限元法數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)是相吻合的。

1.4 延性好、沖擊性能好、材料可持續(xù)利用

良好的延性和沖擊性能可以讓不銹鋼結(jié)構(gòu)在海岸線、碰撞和爆炸作用下得到應(yīng)用，也可以合適結(jié)構(gòu)抗震的需求。建材的制造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的工業(yè)污染和垃圾，但是廢棄不銹鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)再熔化形成的構(gòu)件由于有很好的耐久性可以再次得到使用，從而可以實(shí)現(xiàn)材料的可持續(xù)利用，減少建材工業(yè)廢棄物的產(chǎn)生。

2.不銹鋼研究的熱點(diǎn)

國(guó)外不銹鋼的研究已經(jīng)取得了初步的成效，國(guó)內(nèi)研究目前很多領(lǐng)域仍屬于空白。不銹鋼的應(yīng)用要從結(jié)構(gòu)零部件領(lǐng)域轉(zhuǎn)變到結(jié)構(gòu)主體領(lǐng)域仍然需要一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程。對(duì)SCI檢索得到的200篇論文的高頻引用論文進(jìn)行關(guān)鍵詞分析，并結(jié)合我國(guó)一些學(xué)者的研究成果可以得到目前不銹鋼研究的主要熱點(diǎn)。

2.1 應(yīng)力應(yīng)變的確定

Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系對(duì)未達(dá)到等效屈服點(diǎn)的不銹鋼材料描述是可行的，但是當(dāng)應(yīng)力超過(guò)等效屈服點(diǎn)之后，一系列的不銹鋼應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)都顯示Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合。實(shí)驗(yàn)曲線和Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系曲線的對(duì)比如圖5。Kim J.R. Rasmussen給出了新的應(yīng)力應(yīng)變模型：在未達(dá)到屈服點(diǎn)階段采用Ramberg-Osgood本構(gòu)曲線；超過(guò)屈服點(diǎn)采用以σ0.2為起點(diǎn)的Ramberg-Osgood本構(gòu)曲線，如下：

第一階段：第二階段：

Kim J.R. Rasmussen模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相接近，圖6對(duì)歐洲標(biāo)準(zhǔn)的UNS31803牌號(hào)合金的本構(gòu)關(guān)系描述。

2.2 不銹鋼梁撓度試驗(yàn)

E. Mirambell為了測(cè)得不銹鋼梁彎矩和撓度曲線，設(shè)計(jì)了多個(gè)不銹鋼梁的受彎試驗(yàn)，試驗(yàn)構(gòu)件的幾何尺寸如表1所示，并且用非線性有限單元法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真。

通過(guò)荷載位移曲線的對(duì)比，E. Mirambell指出數(shù)值仿真由于沒(méi)有考慮局部失穩(wěn)的因素，所以撓度計(jì)算偏?。粴W洲標(biāo)準(zhǔn)的提供的簡(jiǎn)便方法使用切線模量理論會(huì)使撓度過(guò)大。要想得到更加準(zhǔn)確的荷載位移關(guān)系就應(yīng)當(dāng)考慮材料模量的變化和內(nèi)力重分布引起的結(jié)構(gòu)非線性因素。

2.3 耐火性實(shí)驗(yàn)和殘余應(yīng)力分析

Lin Gang等人分析了雙相型不銹鋼熱塑性的影響因素：相界面的結(jié)合力、微結(jié)構(gòu)、相比率、鐵氏體和奧氏體力學(xué)性能的差別。合金熱處理和S含量顯著影響其熱塑性，適當(dāng)?shù)臒崽幚砗头纸绫砻娼Y(jié)合力增強(qiáng)均可以改善合金的熱塑性。Balbi等人對(duì)雙相體不銹鋼在固溶退火和時(shí)效兩種溫度條件下的微裂紋擴(kuò)展及抗疲勞性能進(jìn)行了研究，合金表面損傷和裂紋擴(kuò)展在微裂紋的密度、成核位置和裂紋擴(kuò)散速度方面都有顯著的區(qū)別。

2.4 不銹鋼螺栓連接性能

Bouchair等人對(duì)不銹鋼螺栓連接建立了有限元模型，對(duì)蓋板連接和T型連接進(jìn)行分析。當(dāng)螺栓孔壁承壓時(shí)，蓋板連接必須考慮變形限值；在T型連接中，不銹鋼的應(yīng)變硬化表明，施加荷載的增加會(huì)影響失效模態(tài)。Bouchair同時(shí)也對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)中的螺栓連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和變形、抗力和延性進(jìn)行了研究。不銹鋼緊固件的抗滑性能研究表明，不銹鋼的抗滑性能良好。

2.5 國(guó)內(nèi)研究概述

國(guó)內(nèi)制訂的上述標(biāo)準(zhǔn)都只涉及到不銹鋼材料和構(gòu)件，僅對(duì)材料的化學(xué)成分和構(gòu)件的加工制作進(jìn)行了規(guī)定，但到目前為止，仍然沒(méi)有制訂相關(guān)的不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程?！恫讳P鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》正在編制當(dāng)中。沈祖炎等對(duì)3個(gè)牌號(hào)的不銹鋼做了一系列屈服強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得到了屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，并結(jié)合可靠度理論得到了3個(gè)牌號(hào)不銹鋼的抗力分項(xiàng)系數(shù)。劉錫良等則主要關(guān)注不銹鋼在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究，主要包括網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)不銹鋼薄壁管的性能、初始缺陷和殘余應(yīng)力的影響等。

應(yīng)當(dāng)指出，在不銹鋼研究方面我國(guó)所處水平較低，主要還局限于不銹鋼節(jié)點(diǎn)、緊固件等結(jié)構(gòu)部件上，而沒(méi)有對(duì)不銹鋼作為主要承力構(gòu)件的性能進(jìn)行研究。

3.結(jié)論和展望

作為一種生產(chǎn)、研究、應(yīng)用都不成熟的“新”型結(jié)構(gòu)材料，不銹鋼結(jié)構(gòu)需要更多的的發(fā)展。雖然不銹鋼結(jié)構(gòu)能夠依靠耐腐蝕性和耐久性彌補(bǔ)造價(jià)方面的缺陷，但是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線的支撐，沒(méi)有材料性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)的可靠數(shù)據(jù)，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)技術(shù)人員的推廣應(yīng)用，除某些特殊用途之外不銹鋼結(jié)構(gòu)的推廣依舊很艱難。

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