建筑結構用高強度鋼材力學性能研究

李洪舟

摘要：高強度鋼材被廣泛應用在建筑行業，其鋼結構強度的力學性能，是可以影響建筑結構的性能的，因此想要提高建筑的經濟效益，一定要合理使用高消毒鋼材，使其可以發揮出鋼結構的性能。現階段人們對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，使其發揮出應有的優勢。隨著鋼材的生產工藝的提升，許多地方對鋼材的要求卻未改變，導致鋼材不能發揮出應有的性能和作用。本文主要是研究鋼材的力學性能，詳細分析了鋼結構和力學性能之間的關系，希望可以優化鋼材的使用。

關鍵詞：高強度鋼材;力學性能;研究

高強度鋼材是通過熱機械軋制技術融入微合金化，生產出的鋼材延展性好，且韌性極強，在建筑行業可以廣發應用。近幾年建筑物的經濟效益和環保效益都有了顯著提高，主要是因為鋼結構的性能大幅度提高。高強度鋼材不僅能使安全性提高，還能極大的節約成本，既可以減少工程建設的碳排放，還能使建筑物能耗下降。現階段我國大部分工程都需要使用高強度鋼結構，經驗已經積累了許多，但對鋼材的特性了解還是不夠，無法真正發揮出鋼材的作用，需要弄明白影響鋼材性能的幾大關鍵因素，例如力學性能和受力性能。

1高強度結構鋼材生產方法

主流的提升鋼材強度的方式是兩種，第一種方式是在鋼材內加入猛、碳等元素，通過這種方式可以改變鋼材內合金組成成分，但缺點也很明顯，由于強度提升過大，加工性能會下降，可焊性極低。第二種方式是通過熱處理，熱處理可以逐漸改變鋼材內部結構，主流的是改變品粒大小，熱處理后鋼材的品粒結構發生改變，使得強度變大，最關鍵是韌性也得到增強，加工性能卻沒有變化。因此現階段我國的新型高強度鋼材是混合的處理方式合成的，主要是在合金基礎上融入細化晶粒。

2建筑結構鋼材的力學性能要求

2.1低溫力學性能

研究是通過對14mm厚鋼材進行拉伸實驗，得出該鋼材的不同溫度下的拉伸性能。實驗需要在-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃下分別進行測試，測試出強度、延性的變化，還要記錄斷口的形貌加以對比，通過實驗的結果分析出，在溫度上升過程中，鋼材的拉伸強度和屈服強度都在下降，斷口面積也在增加，得出延性變好。在-40℃下進行實驗過程中發現，鋼材斷口處出現了脆性增加，應該是由韌性轉化而來，但在-60℃下進行實驗過程中發現，脆性幾乎為零，伸長率明顯增加，能夠達到34.6%，還在合理的范圍內。因此需要在實驗過程中注意低溫韌性斷裂的問題，仔細記錄好裂紋尖端發生的位移，還要觀察斷口周圍的形狀特征，經過詳細的分析對比后，裂紋尖端的位移跟溫度成正比的，溫度上升位移會增加，表明鋼材發生斷裂一定是韌性變差的結果。斷口的脆性斷裂多出現在溫度為-40℃以下，實驗的結果也證明了這點，根據這一規律，總結出韌性開始向脆性轉變時的溫度，為小于-40.7℃時。使用ANSYS分析后，得出結論為尖端位移變化時有規律的，尤其在板厚不達標時，厚度方向變化不大，配合等效應力分布可惜得出最終結論，危險截面的出現一定是還在裂紋尖端的合理范圍內。

2.2靜力拉伸力學性能

經過大量的實驗后，發現鋼材的屈強比會跟鋼材的強度和等級成正比，特別是當強度大于720MPa時，屈強比是在0.88-0.96范圍內變化。但鋼材的延展性和屈強比剛好相反，延展性和強度成反比，當強度下降時延展性會一直增加，可高強度鋼材的特性是，不會在強度變大時韌性下降。國內外對鋼材標準制定時是不一樣的，現有鋼材標準和鋼結構設計規范中，對材料力學性能有明顯規定，我國設定的屈強比范圍是0.79-0.86，歐洲的設計規范中規定，高強度鋼材屈強比最大值為0.96，鋼材的斷后伸長率一定不能超過20%，也不能低于15%。我國的鋼材設計規范中規定高強度鋼材屈強比在0.75-0.8之間，斷后伸長率最好不超過30%，可以在特定條件下達到更高，但必須滿足規范的其他要求。特別應該注意的是一旦高強度鋼材的強度高于690MPa時，鋼材自身特性就會制約其發展，因此需要加強對新材料構件特性的研究，降低其力學性能對其產生的影響，使鋼結構的不但能符合設計規定，還具備良好的穩定性。

3高強度鋼材受壓件的研究

3.1局部性能研究

近幾年隨著科學技術的發展，不少學者也在針對高強度鋼材特性進行研究，主要是研究了高強度鋼材焊接截面長短柱性能，根據現有《鋼結構設計規范》的規定，當中心軸受壓構件的寬度超過工字型鋼的寬度時，高強度鋼材可以承受更大的壓力。特別是在對焊接箱型和工字型截面進行穩定性比較時，會發現現有的國內外規范對局部屈曲應力計算公式和屈曲后極限應力計算公式都還不夠完善，應該加以修改。然后在進行高強度熱軋等變焦短鋼柱穩定性比較時，會發現數值對應不同的分析結果，這些結果可以組成對應曲線，曲線跟規范內的曲線進行比較，表明構件的兩肢板的鑲固系數可以取1.0。

3.2整體穩定性研究

現階段國外很少進行高強度鋼材受壓件穩定性實驗，所以也沒有經驗可以總結，想要研究高強度受壓鋼柱的整體穩定性，需要借鑒我國的高強度鋼材規范，但規范里的設計曲線由于過于保守，沒能發揮出高強度鋼材的全部優勢，已經無法匹配現代社會的需求。端部約束的焊接工字型剛截面受壓柱實驗已經通過國家驗證，構件的整體穩定性想要提高，就要使用屈服強度超過690MPa的高強度結構鋼。

結語：

綜上所訴，鋼結構使用和發展受到一定的制約，無論是靜拉伸力學性能、低溫力學性能等幾種不同的力學性能進行研究，發現當前國家對于建筑高強度鋼結構使用并沒有充分發揮鋼結構的性能，對數值和曲線還需要進行修正。所以，還需要對鋼材的力學性能和結構性能進行進一步的深入分析，了解高強度鋼的特點，改善使用方法，發揮鋼結構的性能，提升建筑的效益。

參考文獻：

[1]周國浩. 復合型高性能鋼材軸壓柱常溫及火災下整體穩定性能研究[D].清華大學，2020.

[2]榮成驍. 結構鋼材高溫過火后性能研究[D].清華大學，2018.