不銹鋼結構的特點和研究狀況

摘 要 不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕性能和耐久性，使建筑結構安全可靠、結實耐久。但目前國內相關研究工作開展嚴重滯后，不利于可持續發展。通過簡要介紹不銹鋼材料的類型和特點，對近年來不銹鋼結構的應用和研究現狀進行總結，闡述國內外不銹鋼相關規范以及不銹鋼結構的設計方法，最后展望和探討不銹鋼結構的應用研究前景。

關鍵詞 不銹鋼結構；建筑；特點；應用；現狀

1.不銹鋼的特點

根據化學成分和熱處理工藝的區別，目前普遍將不銹鋼分成五大類：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型。奧氏體型有很好的耐腐蝕性和奧氏體微觀結構。雙相型比奧氏體型有更好的耐腐蝕性，并且更高的強度和更好的耐久性，但價格更高。由于材料造價高、相關技術的不成熟，長期以來不銹鋼常常僅用來制作結構零件。但隨著更深入研究和比較，發現不銹鋼有比普通建筑鋼更優秀的材料性質和經濟指標。

1.1 材料造價高但維護費用低

不銹鋼結構造價約為碳素鋼的四倍，此外鋼材生廠量小和生產標準不成熟，這些成為了制約不銹鋼推廣的重要原因。但是對近海結構使用周期內總花費的調查顯示，綜合考慮原材料費用、維修費用、防腐蝕費用、防火費用、結構修復損傷費用和其他潛在費用，鋁結構和不銹鋼結構能節省很可觀的經濟指標，不銹鋼的經濟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

建筑師對結構造型和結構外表的美學需求不銹鋼同樣可以滿足，例如紐約1936年建成的近海結構Chrysler Building雖然空氣環境惡劣，但目前材料表面依舊明亮清潔。只需少量維修，不銹鋼結構壽命可以超過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，由對比可知由于不銹鋼是一種合金材料，σ-ε曲線沒有明顯的屈服點但有很好的延性（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%的應變作為不銹鋼屈服點的等效值，如圖2。

非線性材料一般采用Ramberg-Osgood本構關系，Hill對表達式進行了修正：

式中：為彈性模量；為材料的屈服強度；n為應變硬化指數，，對于不銹鋼一般取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為實驗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。按照歐洲標準的要求對五種不銹鋼等級耐火實驗都顯示，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，這一實驗結構與有限元法數值模擬的結構是相吻合的。

1.4 延性好、沖擊性能好、材料可持續利用

良好的延性和沖擊性能可以讓不銹鋼結構在海岸線、碰撞和爆炸作用下得到應用，也可以合適結構抗震的需求。建材的制造過程會產生嚴重的工業污染和垃圾，但是廢棄不銹鋼結構經過再熔化形成的構件由于有很好的耐久性可以再次得到使用，從而可以實現材料的可持續利用，減少建材工業廢棄物的產生。

2.不銹鋼研究的熱點

國外不銹鋼的研究已經取得了初步的成效，國內研究目前很多領域仍屬于空白。不銹鋼的應用要從結構零部件領域轉變到結構主體領域仍然需要一個很長的過程。對SCI檢索得到的200篇論文的高頻引用論文進行關鍵詞分析，并結合我國一些學者的研究成果可以得到目前不銹鋼研究的主要熱點。

2.1 應力應變的確定

Ramberg-Osgood本構關系對未達到等效屈服點的不銹鋼材料描述是可行的，但是當應力超過等效屈服點之后，一系列的不銹鋼應力應變實驗都顯示Ramberg-Osgood本構關系與實驗結果不符合。實驗曲線和Ramberg-Osgood本構關系曲線的對比如圖5。Kim J.R. Rasmussen給出了新的應力應變模型：在未達到屈服點階段采用Ramberg-Osgood本構曲線；超過屈服點采用以σ0.2為起點的Ramberg-Osgood本構曲線，如下：

第一階段：第二階段：

Kim J.R. Rasmussen模型和實驗結果相接近，圖6對歐洲標準的UNS31803牌號合金的本構關系描述。

2.2 不銹鋼梁撓度試驗

E. Mirambell為了測得不銹鋼梁彎矩和撓度曲線，設計了多個不銹鋼梁的受彎試驗，試驗構件的幾何尺寸如表1所示，并且用非線性有限單元法對實驗進行數值仿真。

通過荷載位移曲線的對比，E. Mirambell指出數值仿真由于沒有考慮局部失穩的因素，所以撓度計算偏小；歐洲標準的提供的簡便方法使用切線模量理論會使撓度過大。要想得到更加準確的荷載位移關系就應當考慮材料模量的變化和內力重分布引起的結構非線性因素。

2.3 耐火性實驗和殘余應力分析

Lin Gang等人分析了雙相型不銹鋼熱塑性的影響因素：相界面的結合力、微結構、相比率、鐵氏體和奧氏體力學性能的差別。合金熱處理和S含量顯著影響其熱塑性，適當的熱處理和分界表面結合力增強均可以改善合金的熱塑性。Balbi等人對雙相體不銹鋼在固溶退火和時效兩種溫度條件下的微裂紋擴展及抗疲勞性能進行了研究，合金表面損傷和裂紋擴展在微裂紋的密度、成核位置和裂紋擴散速度方面都有顯著的區別。

2.4 不銹鋼螺栓連接性能

Bouchair等人對不銹鋼螺栓連接建立了有限元模型，對蓋板連接和T型連接進行分析。當螺栓孔壁承壓時，蓋板連接必須考慮變形限值；在T型連接中，不銹鋼的應變硬化表明，施加荷載的增加會影響失效模態。Bouchair同時也對不銹鋼結構中的螺栓連接節點的強度和變形、抗力和延性進行了研究。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 國內研究概述

國內制訂的上述標準都只涉及到不銹鋼材料和構件，僅對材料的化學成分和構件的加工制作進行了規定，但到目前為止，仍然沒有制訂相關的不銹鋼結構設計規程。《不銹鋼結構技術規程》正在編制當中。沈祖炎等對3個牌號的不銹鋼做了一系列屈服強度實驗，根據數理統計的方法得到了屈服強度的標準值，并結合可靠度理論得到了3個牌號不銹鋼的抗力分項系數。劉錫良等則主要關注不銹鋼在空間網架結構的研究，主要包括網架焊接球節點不銹鋼薄壁管的性能、初始缺陷和殘余應力的影響等。

應當指出，在不銹鋼研究方面我國所處水平較低，主要還局限于不銹鋼節點、緊固件等結構部件上，而沒有對不銹鋼作為主要承力構件的性能進行研究。

3.結論和展望

作為一種生產、研究、應用都不成熟的“新”型結構材料，不銹鋼結構需要更多的的發展。雖然不銹鋼結構能夠依靠耐腐蝕性和耐久性彌補造價方面的缺陷，但是沒有標準生產線的支撐，沒有材料性質、力學性質的可靠數據，沒有專門技術人員的推廣應用，除某些特殊用途之外不銹鋼結構的推廣依舊很艱難。

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