不銹鋼構件的結構性能研究進展

吳邊

摘 要：作為一種理想的建筑材料，不銹鋼能夠從根本上解決鋼結構工程的防銹和后期維護等問題，具備巨大的發展潛力和廣泛的應用前景，近年來已經成功運用于結構工程領域。不銹鋼材料典型的非線性應力-應變關系和強冷作硬化效應會對不銹鋼構件的結構性能產生明顯影響，這也是不銹鋼結構與普通鋼結構的一個顯著區別，有必要加以深入研究。本文圍繞不銹鋼構件的結構性能這一主題，一方面介紹了當前國內外已有研究的不足之處，例如國產不銹鋼管、輥彎成型不銹鋼管試驗研究較少等;另一方面對構件穩定性設計方法等重要問題的研究進展加以詳細介紹，最后對增材制造技術帶來的新問題新挑戰加以簡介。

關鍵詞：研究進展;不銹鋼結構;冷加工強化;殘余應力模型;增材制造

相比于鋼結構工程中廣泛使用的碳素鋼和低合金鋼材料，不銹鋼材料具有優秀的耐腐蝕性和耐久性，能夠從根本上解決鋼結構工程的防銹和后期維護問題;同時，不銹鋼材料具有優良的力學性能、耐高溫性能和低溫韌性，近年來已經成功運用于結構工程領域。

不銹鋼材料除了具備優秀的耐腐蝕性和耐久性外，還具備明顯的塑性和韌性，表現出優異的塑性變形能力。不銹鋼材料在低周循環荷載下的循環強化現象明顯，具有比低碳鋼更好的耗能能力，其抗震耗能性能良好。不銹鋼材料在冷加工過程中的強冷作硬化效應可以明顯提高材料強度，其對不銹鋼構件的結構性能影響是不銹鋼結構與普通鋼結構的一個顯著區別。作為典型的非線性金屬結構材料，不銹鋼材料的變形模量和構件的整體剛度會逐漸降低，構件的屈曲臨界荷載會隨之減小，催生了結構構件的穩定問題;而且，由于不銹鋼結構的初期成本較高，對結構設計的經濟合理性提出了更高的要求，以提高截面的強度利用效率，結構設計荷載一般由穩定承載力控制，需要深入研究不銹鋼結構構件的穩定性能和受力特性，從而得出具體的設計計算方法和建議。當前國內外學者對不銹鋼管構件的結構性能開展了較多研究，以下將從不銹鋼材料的力學性能，不銹鋼構件的穩定性，增材制造不銹鋼構件三個方面對當前研究現狀和未來的研究熱點加以簡要總結。

1 不銹鋼材料的力學性能

結構工程中常用的奧氏體、鐵素體和雙相型不銹鋼材料均表現出明顯的彈塑性特征，其應力-應變曲線連續光滑，不存在直觀的屈服點和屈服平臺，與低碳鋼差異較大。不銹鋼材料大都具有可觀的應變硬化能力，按照名義屈服點（）計算的強屈比大，延性很好。當前各國規范普遍采用的不銹鋼材料本構模型為兩階段模型，第一階段（）采用Hill[1]修正后的Ramberg-Osgood公式（式1），第二階段（）一般采用Mirambell 和 Real提出[2]，Rasmussen[3]簡化后的公式（式2）。同時，應用較多的還有W.M. Quach等提出的三階段模型[4]，朱浩川等[5]的研究驗證了該三段模型的廣泛適用性。

（1）

（2）

兩階段模型需要確定應變強化指數n和m和極限抗拉強度，不同的材料種類，不同的生產加工方式上述參數都會有所區別，多數研究主要集中在準確給出上述參數及其變化規律。由于冷成型工藝對不銹鋼材料性能的影響，材料的強化效應顯著。2013年Afshan、Rossi和Gardner[6]對冷成型構件中不銹鋼材料的性能進行了研究，涵蓋了奧氏體型、鐵素體型、雙相型和Lean Duplex不銹鋼。2014年W. M. Quach和P. Qiu采用試驗和有限元法研究了折彎成型彎角區材料的力學性能，同時引入初始的缺口缺陷，獲得了彎角區材料的應力-應變全過程曲線。2019年J. Wang等人研究了雙相型不銹鋼管材料力學特性。

冷加工不銹鋼板工藝分為折彎（Press-Braked）和輥彎（Cold-Rolling）兩類，兩類冷加工過程是不斷對材料加載、卸除、硬化的過程，不銹鋼板材從原始退火狀態不斷演變至最終成型狀態，存在明顯的材料強化和殘余應力，多數研究采用試驗研究+數據擬合的方式。針對材料的冷加工強化效應，進一步研究材料本構關系中的E， fy， fu， n， m等參數的變化規律和計算方法。針對輥彎成型圓管開展試驗測定殘余應力分布，同時研究材料強化效應，進而在試驗資料的基礎上研究其材料強化模型;區別于折彎成型過程可近似認為是理想的純彎曲問題，輥彎成型過程中還存在板材擠壓等復雜的變形過程，一般采用有限元模擬的辦法研究。

2 不銹鋼構件的穩定性

近年來，各國學者針對不銹鋼軸心受壓構件從截面層面、構件層面開展了大量的研究，涵蓋了冷加工成型和板材焊接兩大類構件制造方式。冷成型構件局部穩定的研究，需要考慮到不銹鋼材料的非線性特性。對于厚實截面，由于其在材料達到名義屈服后才發生局部屈曲，為了在計算中充分利用材料應變強化效應，Gardner等提出了連續強度法（CSM法）并不斷拓展CSM法的使用范圍。在構件層面的整體穩定性和相關穩定性研究方面已有數量可觀的試驗研究資料，各國研究者提出的整體穩定和相關穩定承載力的計算方法主要包括一系列基于Perry公式的修正計算法，基于CSM的計算方法，基于直接強度法（DSM）的計算方法。

當前對構件層面上不銹鋼管的結構性能研究重點，主要集中在軸心受壓構件的局部穩定、整體穩定和相關穩定方面，需要重點研究如何在構件承載力的設計計算方法中，體現出不銹鋼材料顯著的應變強化的影響。從設計方法來看，在DMS法和 CMS法的基礎上開展深入研究，利用現有的大量的試驗數據和數值模擬數據加以驗證，提出一套適合不銹鋼軸心受壓構件的設計方法。當前對不銹鋼受彎曲構件的穩定性研究很少，有必要在這一方面開展系統研究。

3 增材制造不銹鋼構件

隨著金屬增材制造技術（3D打?。┑目焖侔l展，不銹鋼材料作為一種高成本建筑材料，在增材制造方面有很大的發展前景。具體到增材制造手段方面，C. Buchanan等學者指出粉末床融合技術（PBF）和直接能量沉積技術（DED）是目前適合構件尺度的增材制造技術，針對3D打印不銹鋼構件的結構性能，C. Buchanan等還開展了相關研究，對采用PBF制造的不銹鋼短柱的初步研究表明，相比傳統方式，由于PBF制造過程中材料的快速冷卻效應，材料強度較高，而彈性模量則有部分降低（約10%），根據短柱試驗結果，已有的設計計算方法基本適用于這類截面。采用DED技術特別是電弧增材制造技術WAAM制造的不銹鋼構件，會出現構件的壁厚不均勻等現象，這也給構件受力性能的計算帶來了新的挑戰。

當前對增材制造不銹鋼構件的研究還較少，構件的殘余應力是增材制造中比較復雜的問題和制造過程中的工藝參數密切相關，需要加以關注。增材制造要求基于整體的設計思路，這種從整體出發，同時考慮材料非線性、幾何非線性和初始缺陷的結構分析、計算、設計方法的研究也是當前的熱點。

4 結語

不銹鋼作為一種理想的建筑材料具有廣泛的應用前景，然而，國內對不銹鋼結構的研究起步較晚，當前的研究工作開展仍顯不足，相關試驗研究資料和研究積累比較有限，仍然需要大量開展研究工作。特別是對構件穩定性設計方法等關鍵性問題需要深入開展研究，3D打印等新的制造技術帶來的新問題新挑戰也會成為未來不銹鋼構件領域的研究熱點。

參考文獻：

[1] H.N. Hill， “Determination of Stress–Strain Relations from Offset Yield Strength Values”， Technical Note No. 927， National Advisory Committee for Aeronautics，Washington， D.C.， USA， 1944.

[2] E. Mirambell， E. Real， On the calculation of deflections in structural stainless steel beams： an experimental and numerical investigation， J. Constr. Steel Res. 54 （4） （2000） 109–133.

[3] K.J.R. Rasmussen， Full-range stress–strain curves for stainless steel alloys”， J. Constr. Steel Res. 59 （1） （2003） 47–61.

[4] W.M. Quach， J.G. Teng， K.F. Chung， “Three-stage full-range stress–strain model for stainless steels”， J. Struct. Eng.， ASCE 134 （9） （2008） 1518–1527.

[5] 朱浩川， 姚諫. 不銹鋼材料的應力-應變模型. 空間結構， 2011， 17（1）： 62-69.

[6] 舒贛平，王元清，袁煥鑫，鄭寶鋒.《不銹鋼結構技術規程》的編制及內容簡介[J].工業建筑，2015，45（12）：1-6+12.