不銹鋼的抗壓強(qiáng)度大小和許用應(yīng)力大??？？？

【專(zhuān)家解說(shuō)】：結(jié)構(gòu)不銹鋼 不銹鋼與普通碳鋼相比投資成本較高，使它一直不能用作普通結(jié)構(gòu)件。不過(guò)目前評(píng)估結(jié)構(gòu)件總體成本的因素越來(lái)越多，例如：耐腐蝕性，特別是在沿海地區(qū)，減少維修量和降低維修成本都會(huì)對(duì)整體壽命周期成本產(chǎn)生巨大的影響。 核電工業(yè)就是一個(gè)典型的例子，在核電工業(yè)中，結(jié)構(gòu)件需要有很長(zhǎng)的使用壽命，因其不便于維修甚至不可 能進(jìn)行維修。 1．核工業(yè) 以Sellafield核回收廠為例，該廠的接收和儲(chǔ)藏池頂部（跨度為41．5米，長(zhǎng)100米）的結(jié)構(gòu)框架共用了350噸左右的321S12不銹鋼。 4米深的桁梁是用鋼板壓成角鋼制作而成的，規(guī)格從200×200×1600mm到100×100×10mm。作為頂部檁子的矩形空心型材（300×200×8mm）是由圓形空心型材（直徑324mm，厚度10mm）支撐的。 2．磚墻支撐角鋼 在墻內(nèi)的潛在腐蝕環(huán)境中，同樣使用了數(shù)千噸不銹鋼作為支撐磚墻的座角鋼。 這一點(diǎn)將在本文后面詳細(xì)論述。 3．露天體育場(chǎng) 意大利新Bari體育場(chǎng)的維護(hù)是一大難題，而且是一項(xiàng)耗資巨大的工程，為此選用了不銹鋼。 涂有聚四氟乙烯的玻璃纖維漆布屋頂是由不銹鋼構(gòu)件和拉桿組成的框架支撐，把漆布繃緊。 在使用直徑為193．7mm，厚度為4～10mm的管材的同時(shí)，使用了20噸棒材和15噸板材。 通過(guò)海上平臺(tái)這種特殊應(yīng)用實(shí)例，NiDI已經(jīng)證明如果考慮整體壽命成本，即：首先是安裝成本再加上日后的維護(hù)修理或更換部件的費(fèi)用，采用不銹鋼是一個(gè)節(jié)省開(kāi)支的措施。 不銹鋼由于其美觀和作為結(jié)構(gòu)件的功能可以用作購(gòu)物中心等場(chǎng)所的扶欄或作為表現(xiàn)建筑特征的玻璃支架。 4．BOND街購(gòu)物中心 防火玻璃幕墻全部由不銹鋼框架支撐。 除活動(dòng)接頭外，從地面到各樓層一直到 樓頂?shù)呢Q框全部是一體的。豎框所用型鋼為60X30X3mm的矩型空心型鋼。 在下面介紹的地鐵系統(tǒng)中，由于減壓系統(tǒng)的效應(yīng)，設(shè)計(jì)中必須允許有空氣壓力差。 預(yù)計(jì)空氣的流速為5英里/小時(shí)，相當(dāng)于0．25千牛頓／平方米的載荷。扶欄由豎框支撐，能承受的水平載荷為0．74千牛頓／平方米。 安裝后允許的撓度為25mm。通過(guò)變形或樓板間的垂直移動(dòng)對(duì)框架進(jìn)行補(bǔ)償。 5．BUSH LANE大廈 該大廈充分表明了作為工程材料和結(jié)構(gòu)用途的不銹鋼的所有特點(diǎn)。由于位置的限制和由于下面是地鐵網(wǎng)架樁深度的限制，構(gòu)架位于建筑物外方。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件是用離心鑄造生產(chǎn)的，具有12．5～30mm的不同厚度。節(jié)點(diǎn)為砂型鑄造，為向倫敦市中心的一個(gè)建筑物提供必要時(shí)的防火，整個(gè)構(gòu)架內(nèi)充滿(mǎn)了水。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南 目前能夠提供給設(shè)計(jì)人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南很有限，使現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)型材不能得到更廣泛的應(yīng)用。這種情況在最近幾年發(fā)生了很大的變化。就材料本身而言，目前廣泛出版的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)共有57個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋼種，按冶金結(jié)構(gòu)可分為奧氏體、鐵素體和馬氏體，這么多的鋼種會(huì)使設(shè)計(jì)中不常使用不銹鋼的設(shè)計(jì)人員無(wú)從選擇。他們最常提到的問(wèn)題是"我該用哪個(gè)鋼種？"這些材料的機(jī)械性能數(shù)據(jù)與碳鋼的不同，使設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題更多。 要幫助設(shè)計(jì)人員利用不銹鋼，要采取哪些措施呢？ 過(guò)去的四年中，在日本、美國(guó)和歐洲出版了不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南。 1．美國(guó)的研究成果 為了對(duì)1974年出版的AISI冷成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行修訂，NiDI進(jìn)行了為期四年的研究，其研究結(jié)果見(jiàn)1991年出版的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）和美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)（ASCE）標(biāo)準(zhǔn)ANSI／ASCE8-90。 這本1974年出版的手冊(cè)是許多年來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員唯一的一本關(guān)于不銹鋼應(yīng)用的資料。 新的ANSI／ASCE標(biāo)準(zhǔn)是利用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則制定的。這一標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被過(guò)去幾年中起草的絕大多數(shù)有關(guān)結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)法規(guī)所采用。 不過(guò)許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法仍在使用。因?yàn)檫@兩份文獻(xiàn)都是現(xiàn)行的，采用哪種方法取決于設(shè)計(jì)人員。 新的設(shè)計(jì)指南中的附件E只是簡(jiǎn)要地介紹了許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)本項(xiàng)研究的（進(jìn)展報(bào)告（3））。 2．不銹鋼鋼種 ANSI／ASCE標(biāo)準(zhǔn)中包括的材料如下； 鐵素體鋼種：409、430和439 奧氏體鋼種：201、301、304和316 經(jīng)過(guò)退火的1／16、1／4和半硬材料都屬于奧氏體鋼，這些鋼種冷加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工硬化。 NiDI和國(guó)際鉻開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)（現(xiàn)為國(guó)際鉻開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)）是該項(xiàng)目的贊助單位。 3．英國(guó)的研究成果 它們也是在英國(guó)所進(jìn)行的研究的主要贊助單位，該研究結(jié)果將成為制定歐洲結(jié)構(gòu)不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。 該指南完全是依據(jù)極限狀態(tài)原則編寫(xiě)的，它包括冷成型結(jié)構(gòu)件和板材加工而成的結(jié)構(gòu)件。研究過(guò)程中有些試驗(yàn)是在從未試驗(yàn)過(guò)的大型不銹鋼型材上進(jìn)行的。 ①鋼種--英國(guó)研究成果 盡管不銹鋼的鐵素體鋼種包括在美國(guó)的ANSI／ASCE標(biāo)準(zhǔn)中，但未包括在英國(guó)設(shè)計(jì)手冊(cè)中。 英國(guó)的設(shè)計(jì)手冊(cè)中只包括了三種奧氏體不銹鋼鋼種，即： 奧氏體鋼種：304L、316L和鐵索體／奧氏體雙相2205。 選擇少量鋼種的原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)槟壳翱墒褂玫奶冀Y(jié)鋼總共只有三種。使用L編號(hào)是因?yàn)檫@些低碳鋼種能夠焊接，不會(huì)出現(xiàn)與晶間腐蝕有關(guān)的問(wèn)題。英國(guó)的手冊(cè)中不包括加工硬化材料。這并不意味著不銹鋼的其它鋼種或加工硬化材料的使用不屬于結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用范疇。 雙向不銹鋼因兩相兼有而強(qiáng)度高，其強(qiáng)度高于高強(qiáng)度碳鋼，這種材料已成功地用于北海的海上石油平臺(tái)。 ②BUSH LANE大廈 該大廈是一個(gè)將雙相不銹鋼用作結(jié)構(gòu)件的好例子。 該大廈位于倫敦的CONNON街，地鐵站上面縱橫交錯(cuò)的地鐵隧道限制了地樁的深度和位置。 為此在建筑物的外邊使用了結(jié)構(gòu)框架，并利用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將載荷傳到支撐柱上。 使用的離心鑄管的直徑分別為194mm、324mm和512mm，前兩種鑄管的壁厚9．5mm，最大的鑄管管壁厚度為12．5～30mm。 節(jié)點(diǎn)是砂鑄的。 采用的表面是經(jīng)過(guò)玻璃球噴丸，表面加工相當(dāng)于63CLA。材料的屈服強(qiáng)度為380N／mm2，抗拉強(qiáng)度650～780N／mm2，延伸率30％。該材料含碳0．08％，鉻21％，鎳5．5％，鉬2％。 NiDI和歐洲不銹鋼協(xié)會(huì)（EUROINOX）已經(jīng)出版了不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)。 歐洲負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)計(jì)劃出版一套不銹結(jié)構(gòu)鋼的業(yè)務(wù)規(guī)程，而且將編入EUROCODE3的1．4節(jié)中。 NiDI已經(jīng)將其研究結(jié)果提供給了編制EUROCODE的有關(guān)人員，1．4節(jié)就是按我們起草的內(nèi)容編寫(xiě)的。 設(shè)計(jì)規(guī)則 為什么不銹鋼不能沿用碳素結(jié)構(gòu)鋼的設(shè)計(jì)規(guī)則？ 碳鋼的設(shè)計(jì)規(guī)則不能用于不銹鋼是因?yàn)樘间撆c不銹鋼之間有著根本的區(qū)別： 1．不銹鋼沒(méi)有屈服點(diǎn)，通常以ó0.2來(lái)表示該屈服應(yīng)力被認(rèn)為是當(dāng)量值。 2．應(yīng)力／應(yīng)變曲線形狀不同，不銹鋼的彈性極限大約是屈服應(yīng)力的50％，就標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的最小值而論，該屈服應(yīng)力值低于中碳鋼的屈服應(yīng)力值。 3．冷加工時(shí)不銹鋼產(chǎn)生加工硬化，例如，彎曲時(shí)具有各向異性，即：橫向和縱向性能不同。 可以利用由冷加工而增高的強(qiáng)度，不過(guò)如果與總面積相比彎曲面積較小而忽略不計(jì)這種增加時(shí)，強(qiáng)度增高可以在一定程度上提高安全系數(shù)。 基本設(shè)計(jì)程序 不銹鋼的設(shè)計(jì)程序大體上是從現(xiàn)適用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的各個(gè)方面的原則派生出來(lái)的。 但是由于通常使用的不銹鋼是薄規(guī)格型鋼，所以，它的設(shè)計(jì)過(guò)程比碳鋼薄規(guī)格材料復(fù)雜得多。 重要的是確定不銹鋼的最終用途，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中不銹鋼不僅作為結(jié)構(gòu)件而且要起到美觀的作用。 為了防止構(gòu)件受力部分出現(xiàn)局部彎曲和變形，關(guān)鍵的因素是材料的寬度和厚度之比的極限值。 還有一點(diǎn)也很重要，值得一提，即：材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ó0.2的最小值，對(duì)于建筑物所用的奧氏體不銹鋼，該值大約是240N／mm2，但是，材料的特征強(qiáng)度一般要比該值高出15％，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將這一強(qiáng)度系數(shù)考慮在內(nèi)。 設(shè)計(jì)依據(jù) 1．不銹鋼和碳結(jié)鋼之比較 首先，看一下普通碳結(jié)鋼與不銹鋼之間的主要區(qū)別。 2．應(yīng)力／應(yīng)變曲線圖 碳鋼的應(yīng)力／應(yīng)變曲線的線性部分實(shí)際上是一條直達(dá)屈服點(diǎn)的直線，而不銹鋼的線性區(qū)大約是ó0.2的50％。 當(dāng)應(yīng)力級(jí)在非彈性區(qū)時(shí)，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的彎曲設(shè)計(jì)理論和虎克定律，即：應(yīng)力與應(yīng)變成比例，不真正適用于不銹鋼。 因此，在應(yīng)力級(jí)較低的情況下，對(duì)不銹鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但是在應(yīng)力級(jí)較高的情況下，需要查閱變形和局部彎曲的標(biāo)準(zhǔn)。 3．張力 在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)法規(guī)中，拉伸應(yīng)力加上載荷系數(shù)與毛斷面的材料的屈服應(yīng)力聯(lián)系在一起，抗拉極限強(qiáng)度與屈服應(yīng)力的比值用于校 驗(yàn)凈截面。 不銹鋼的抗拉極限強(qiáng)度與屈服應(yīng)力之比為2．4，而碳鋼中該范圍是1．6～2．1。 拉伸構(gòu)件需要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行兩項(xiàng)檢查： ①毛斷面的屈服應(yīng)力 ②凈有效斷面的拉伸極限強(qiáng)度（最大 1．2） 4．壓力 壓力取決于屈服應(yīng)力和模數(shù)，因?yàn)槭軌簵U件的破壞通常是由于撓曲引起的，而撓曲本身又與剛度有關(guān)。因此，用減小E值來(lái)增大所能承受的力是很有必要的。因?yàn)檫@表明在細(xì)長(zhǎng)比一定的條件下，不銹鋼構(gòu)件的縱向彎曲力低于相同的碳鋼結(jié)構(gòu)件。 細(xì)長(zhǎng)比較低時(shí)，兩種材料一樣。 細(xì)長(zhǎng)比較高時(shí)，應(yīng)力低，強(qiáng)度類(lèi)似，但細(xì)長(zhǎng)比在80～120的中間值范圍內(nèi)，不銹鋼的縱向彎曲力較低。 5．彎曲 在沒(méi)有縱向彎曲情況下，彎曲應(yīng)力一般與屈服應(yīng)力有關(guān)。各種規(guī)則即使是含有彈性設(shè)計(jì)的規(guī)則，都認(rèn)識(shí)到了形狀系數(shù)的重要性。形狀系數(shù)把梁的塑性力矩值增加到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開(kāi)始屈服時(shí)能力的值。 但是，不銹鋼應(yīng)變硬化在開(kāi)始屈服后立即開(kāi)始，因此，外纖維增加而內(nèi)纖維仍在彈性區(qū)內(nèi)變形。所以，由于應(yīng)變硬化，不銹鋼能夠具有較高的彎曲能力。 不過(guò)在EUROCODE3第1．4節(jié)中沒(méi)有提供塑性分析的內(nèi)容。 6．剪力和壓力 它們與剛度無(wú)關(guān)，而是直接關(guān)系到屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力。應(yīng)變硬化可以提高安全裕度。 7.縱橫向性能 在英國(guó)的研究中，材料檢驗(yàn)的結(jié)果普遍表明縱橫性能差不超過(guò)7．5％。 美國(guó)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì) 新版ANSI／ASCE標(biāo)準(zhǔn)利用許用載荷和力距替代了許用應(yīng)力。 因此，安全載荷的計(jì)算方法是在為所使用的構(gòu)件和連接件計(jì)算得出的最大強(qiáng)度、縱向彎曲力或屈服力加上一個(gè)安全系數(shù)。大多數(shù)條款中還使用了無(wú)因次方程，從而可以方便地使用任何單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還簡(jiǎn)化了載荷和抗力設(shè)計(jì)格式的轉(zhuǎn)換。 有關(guān)結(jié)構(gòu)不銹鋼的設(shè)計(jì) 1．"冷成型結(jié)構(gòu)件技術(shù)規(guī)格"，參見(jiàn)ANSI／ASCE8-90，可以向ASCE索取。 2. EUROINOX（歐洲不銹鋼）協(xié)會(huì)的"結(jié)構(gòu)不銹鋼設(shè)計(jì)手冊(cè)"。 不銹鋼的耐高溫性 不銹鋼作為結(jié)構(gòu)件，例如，磚墻的支撐角鋼，很可能會(huì)遇到出現(xiàn)火情時(shí)的高溫。 不銹鋼的性能優(yōu)于碳鋼性能，NiDI在電纜橋架上進(jìn)行的試驗(yàn)已經(jīng)充分說(shuō)明這一點(diǎn)，并在錄像片"最有效的解決方法"中作了介紹。 1.直接受熱 對(duì)電纜橋架進(jìn)行直接受熱試驗(yàn)是最能說(shuō)明問(wèn)題的。電纜橋架的承載能力相同。為了模擬典型的工作環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)的加載量是它們可能承載的50％。 3米長(zhǎng)的橋架由18個(gè)煤氣燒嘴加熱，產(chǎn)生的溫度高達(dá)1000℃ 以上。 鋁質(zhì)橋架在26秒內(nèi)完全毀壞。 玻璃鋼橋架沒(méi)等燒嘴全部點(diǎn)燃就毀壞了。 碳鋼橋架經(jīng)歷了5分鐘的試驗(yàn)，達(dá)到了煉油廠的要求，達(dá)到的最高溫度是811℃ 。 5分鐘后的撓度為166mm。 不銹鋼橋架持續(xù)了45分鐘，當(dāng)時(shí)不幸的是罐內(nèi)的氣體被用完了。不過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中，有14分鐘溫度在1000℃ 以上，有30分鐘溫度在900℃以上。 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，不銹鋼不僅保持其結(jié)構(gòu)的完整性，而且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)撓度只有80mm--不到碳鋼的一半。 這一性能是在厚度僅為2mm的試樣上得出的。 不銹鋼不僅承受載荷能力的時(shí)間比碳鋼長(zhǎng)，而且不會(huì)通過(guò)導(dǎo)熱使火情擴(kuò)大。因?yàn)椴讳P鋼的導(dǎo)熱值較低。 支撐磚砌體的角鋼 這種角鋼廣泛用于磚覆蓋結(jié)構(gòu)的承載件。不銹鋼角鋼連接在兩層樓之間的混凝土或鋼質(zhì)框架上。這樣可以快速、準(zhǔn)確地安裝面板。這種角鋼的基本設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，因?yàn)榻卿摫豢醋魇且粋€(gè)支撐懸臂。為了計(jì)算有關(guān)的應(yīng)力和撓度確定了三個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則。 有關(guān)這些設(shè)計(jì)規(guī)則的小冊(cè)子可以向NiDI索取。按噸計(jì)算的話，支撐角鋼每年在英國(guó)占有大約7000噸的市場(chǎng)