建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能研究

李洪舟

摘要：高強(qiáng)度鋼材被廣泛應(yīng)用在建筑行業(yè)，其鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的力學(xué)性能，是可以影響建筑結(jié)構(gòu)的性能的，因此想要提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益，一定要合理使用高消毒鋼材，使其可以發(fā)揮出鋼結(jié)構(gòu)的性能。現(xiàn)階段人們對(duì)建筑性能的要求是逐年遞增，想要鋼材具備良好的性能，首先就是要了解鋼材的性能特征，才能選擇好鋼材，使其發(fā)揮出應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。隨著鋼材的生產(chǎn)工藝的提升，許多地方對(duì)鋼材的要求卻未改變，導(dǎo)致鋼材不能發(fā)揮出應(yīng)有的性能和作用。本文主要是研究鋼材的力學(xué)性能，詳細(xì)分析了鋼結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的關(guān)系，希望可以優(yōu)化鋼材的使用。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼材;力學(xué)性能;研究

高強(qiáng)度鋼材是通過(guò)熱機(jī)械軋制技術(shù)融入微合金化，生產(chǎn)出的鋼材延展性好，且韌性極強(qiáng)，在建筑行業(yè)可以廣發(fā)應(yīng)用。近幾年建筑物的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益都有了顯著提高，主要是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的性能大幅度提高。高強(qiáng)度鋼材不僅能使安全性提高，還能極大的節(jié)約成本，既可以減少工程建設(shè)的碳排放，還能使建筑物能耗下降?，F(xiàn)階段我國(guó)大部分工程都需要使用高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)積累了許多，但對(duì)鋼材的特性了解還是不夠，無(wú)法真正發(fā)揮出鋼材的作用，需要弄明白影響鋼材性能的幾大關(guān)鍵因素，例如力學(xué)性能和受力性能。

1高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材生產(chǎn)方法

主流的提升鋼材強(qiáng)度的方式是兩種，第一種方式是在鋼材內(nèi)加入猛、碳等元素，通過(guò)這種方式可以改變鋼材內(nèi)合金組成成分，但缺點(diǎn)也很明顯，由于強(qiáng)度提升過(guò)大，加工性能會(huì)下降，可焊性極低。第二種方式是通過(guò)熱處理，熱處理可以逐漸改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主流的是改變品粒大小，熱處理后鋼材的品粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得強(qiáng)度變大，最關(guān)鍵是韌性也得到增強(qiáng)，加工性能卻沒(méi)有變化。因此現(xiàn)階段我國(guó)的新型高強(qiáng)度鋼材是混合的處理方式合成的，主要是在合金基礎(chǔ)上融入細(xì)化晶粒。

2建筑結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能要求

2.1低溫力學(xué)性能

研究是通過(guò)對(duì)14mm厚鋼材進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得出該鋼材的不同溫度下的拉伸性能。實(shí)驗(yàn)需要在-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃下分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試出強(qiáng)度、延性的變化，還要記錄斷口的形貌加以對(duì)比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析出，在溫度上升過(guò)程中，鋼材的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都在下降，斷口面積也在增加，得出延性變好。在-40℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鋼材斷口處出現(xiàn)了脆性增加，應(yīng)該是由韌性轉(zhuǎn)化而來(lái)，但在-60℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，脆性幾乎為零，伸長(zhǎng)率明顯增加，能夠達(dá)到34.6%，還在合理的范圍內(nèi)。因此需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意低溫韌性斷裂的問(wèn)題，仔細(xì)記錄好裂紋尖端發(fā)生的位移，還要觀察斷口周圍的形狀特征，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析對(duì)比后，裂紋尖端的位移跟溫度成正比的，溫度上升位移會(huì)增加，表明鋼材發(fā)生斷裂一定是韌性變差的結(jié)果。斷口的脆性斷裂多出現(xiàn)在溫度為-40℃以下，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證明了這點(diǎn)，根據(jù)這一規(guī)律，總結(jié)出韌性開始向脆性轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，為小于-40.7℃時(shí)。使用ANSYS分析后，得出結(jié)論為尖端位移變化時(shí)有規(guī)律的，尤其在板厚不達(dá)標(biāo)時(shí)，厚度方向變化不大，配合等效應(yīng)力分布可惜得出最終結(jié)論，危險(xiǎn)截面的出現(xiàn)一定是還在裂紋尖端的合理范圍內(nèi)。

2.2靜力拉伸力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)鋼材的屈強(qiáng)比會(huì)跟鋼材的強(qiáng)度和等級(jí)成正比，特別是當(dāng)強(qiáng)度大于720MPa時(shí)，屈強(qiáng)比是在0.88-0.96范圍內(nèi)變化。但鋼材的延展性和屈強(qiáng)比剛好相反，延展性和強(qiáng)度成反比，當(dāng)強(qiáng)度下降時(shí)延展性會(huì)一直增加，可高強(qiáng)度鋼材的特性是，不會(huì)在強(qiáng)度變大時(shí)韌性下降。國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼材標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)是不一樣的，現(xiàn)有鋼材標(biāo)準(zhǔn)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)材料力學(xué)性能有明顯規(guī)定，我國(guó)設(shè)定的屈強(qiáng)比范圍是0.79-0.86，歐洲的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，高強(qiáng)度鋼材屈強(qiáng)比最大值為0.96，鋼材的斷后伸長(zhǎng)率一定不能超過(guò)20%，也不能低于15%。我國(guó)的鋼材設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定高強(qiáng)度鋼材屈強(qiáng)比在0.75-0.8之間，斷后伸長(zhǎng)率最好不超過(guò)30%，可以在特定條件下達(dá)到更高，但必須滿足規(guī)范的其他要求。特別應(yīng)該注意的是一旦高強(qiáng)度鋼材的強(qiáng)度高于690MPa時(shí)，鋼材自身特性就會(huì)制約其發(fā)展，因此需要加強(qiáng)對(duì)新材料構(gòu)件特性的研究，降低其力學(xué)性能對(duì)其產(chǎn)生的影響，使鋼結(jié)構(gòu)的不但能符合設(shè)計(jì)規(guī)定，還具備良好的穩(wěn)定性。

3高強(qiáng)度鋼材受壓件的研究

3.1局部性能研究

近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不少學(xué)者也在針對(duì)高強(qiáng)度鋼材特性進(jìn)行研究，主要是研究了高強(qiáng)度鋼材焊接截面長(zhǎng)短柱性能，根據(jù)現(xiàn)有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)中心軸受壓構(gòu)件的寬度超過(guò)工字型鋼的寬度時(shí)，高強(qiáng)度鋼材可以承受更大的壓力。特別是在對(duì)焊接箱型和工字型截面進(jìn)行穩(wěn)定性比較時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)局部屈曲應(yīng)力計(jì)算公式和屈曲后極限應(yīng)力計(jì)算公式都還不夠完善，應(yīng)該加以修改。然后在進(jìn)行高強(qiáng)度熱軋等變焦短鋼柱穩(wěn)定性比較時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的分析結(jié)果，這些結(jié)果可以組成對(duì)應(yīng)曲線，曲線跟規(guī)范內(nèi)的曲線進(jìn)行比較，表明構(gòu)件的兩肢板的鑲固系數(shù)可以取1.0。

3.2整體穩(wěn)定性研究

現(xiàn)階段國(guó)外很少進(jìn)行高強(qiáng)度鋼材受壓件穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，所以也沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)，想要研究高強(qiáng)度受壓鋼柱的整體穩(wěn)定性，需要借鑒我國(guó)的高強(qiáng)度鋼材規(guī)范，但規(guī)范里的設(shè)計(jì)曲線由于過(guò)于保守，沒(méi)能發(fā)揮出高強(qiáng)度鋼材的全部?jī)?yōu)勢(shì)，已經(jīng)無(wú)法匹配現(xiàn)代社會(huì)的需求。端部約束的焊接工字型剛截面受壓柱實(shí)驗(yàn)已經(jīng)通過(guò)國(guó)家驗(yàn)證，構(gòu)件的整體穩(wěn)定性想要提高，就要使用屈服強(qiáng)度超過(guò)690MPa的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所訴，鋼結(jié)構(gòu)使用和發(fā)展受到一定的制約，無(wú)論是靜拉伸力學(xué)性能、低溫力學(xué)性能等幾種不同的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國(guó)家對(duì)于建筑高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)使用并沒(méi)有充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的性能，對(duì)數(shù)值和曲線還需要進(jìn)行修正。所以，還需要對(duì)鋼材的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析，了解高強(qiáng)度鋼的特點(diǎn)，改善使用方法，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的性能，提升建筑的效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]周國(guó)浩. 復(fù)合型高性能鋼材軸壓柱常溫及火災(zāi)下整體穩(wěn)定性能研究[D].清華大學(xué)，2020.

[2]榮成驍. 結(jié)構(gòu)鋼材高溫過(guò)火后性能研究[D].清華大學(xué)，2018.