不銹鋼加工行業(yè)狀況 不銹鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和研究狀況
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 幽默笑話 點(diǎn)擊:
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(jié)構(gòu)安全可靠、結(jié)實耐久。但目前國內(nèi)相關(guān)研究工作開展嚴(yán)重滯后,不利于可持續(xù)發(fā)展。通過簡要介紹不銹鋼材料的類型和特點(diǎn),對近年來不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),闡述國內(nèi)外不銹鋼相關(guān)規(guī)范以及不銹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,最后展望和探討不銹鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究前景。
關(guān)鍵詞 不銹鋼結(jié)構(gòu);建筑;特點(diǎn);應(yīng)用;現(xiàn)狀
1.不銹鋼的特點(diǎn)
根據(jù)化學(xué)成分和熱處理工藝的區(qū)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(jié)構(gòu)。雙相型比奧氏體型有更好的耐腐蝕性,并且更高的強(qiáng)度和更好的耐久性,但價格更高。由于材料造價高、相關(guān)技術(shù)的不成熟,長期以來不銹鋼常常僅用來制作結(jié)構(gòu)零件。但隨著更深入研究和比較,發(fā)現(xiàn)不銹鋼有比普通建筑鋼更優(yōu)秀的材料性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
1.1 材料造價高但維護(hù)費(fèi)用低
不銹鋼結(jié)構(gòu)造價約為碳素鋼的四倍,此外鋼材生廠量小和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)使用周期內(nèi)總花費(fèi)的調(diào)查顯示,綜合考慮原材料費(fèi)用、維修費(fèi)用、防腐蝕費(fèi)用、防火費(fèi)用、結(jié)構(gòu)修復(fù)損傷費(fèi)用和其他潛在費(fèi)用,鋁結(jié)構(gòu)和不銹鋼結(jié)構(gòu)能節(jié)省很可觀的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),不銹鋼的經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)造型和結(jié)構(gòu)外表的美學(xué)需求不銹鋼同樣可以滿足,例如紐約1936年建成的近海結(jié)構(gòu)Chrysler Building雖然空氣環(huán)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(jié)構(gòu)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(diǎn)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(yīng)變作為不銹鋼屈服點(diǎn)的等效值,如圖2。
非線性材料一般采用Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系,Hill對表達(dá)式進(jìn)行了修正:
式中:為彈性模量;為材料的屈服強(qiáng)度;n為應(yīng)變硬化指數(shù),,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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)與有限元法數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)是相吻合的。
1.4 延性好、沖擊性能好、材料可持續(xù)利用
良好的延性和沖擊性能可以讓不銹鋼結(jié)構(gòu)在海岸線、碰撞和爆炸作用下得到應(yīng)用,也可以合適結(jié)構(gòu)抗震的需求。建材的制造過程會產(chǎn)生嚴(yán)重的工業(yè)污染和垃圾,但是廢棄不銹鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過再熔化形成的構(gòu)件由于有很好的耐久性可以再次得到使用,從而可以實現(xiàn)材料的可持續(xù)利用,減少建材工業(yè)廢棄物的產(chǎn)生。
2.不銹鋼研究的熱點(diǎn)
國外不銹鋼的研究已經(jīng)取得了初步的成效,國內(nèi)研究目前很多領(lǐng)域仍屬于空白。不銹鋼的應(yīng)用要從結(jié)構(gòu)零部件領(lǐng)域轉(zhuǎn)變到結(jié)構(gòu)主體領(lǐng)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(jìn)行關(guān)鍵詞分析,并結(jié)合我國一些學(xué)者的研究成果可以得到目前不銹鋼研究的主要熱點(diǎn)。
2.1 應(yīng)力應(yīng)變的確定
Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系對未達(dá)到等效屈服點(diǎn)的不銹鋼材料描述是可行的,但是當(dāng)應(yīng)力超過等效屈服點(diǎn)之后,一系列的不銹鋼應(yīng)力應(yīng)變實驗都顯示Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系與實驗結(jié)果不符合。實驗曲線和Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系曲線的對比如圖5。Kim J.R. Rasmussen給出了新的應(yīng)力應(yīng)變模型:在未達(dá)到屈服點(diǎn)階段采用Ramberg-Osgood本構(gòu)曲線;超過屈服點(diǎn)采用以σ0.2為起點(diǎn)的Ramberg-Osgood本構(gòu)曲線,如下:
第一階段:第二階段:
Kim J.R. Rasmussen模型和實驗結(jié)果相接近,圖6對歐洲標(biāo)準(zhǔn)的UNS31803牌號合金的本構(gòu)關(guān)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(shè)計了多個不銹鋼梁的受彎試驗,試驗構(gòu)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(jìn)行數(shù)值仿真。
通過荷載位移曲線的對比,E. Mirambell指出數(shù)值仿真由于沒有考慮局部失穩(wěn)的因素,所以撓度計算偏;歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確的荷載位移關(guān)系就應(yīng)當(dāng)考慮材料模量的變化和內(nèi)力重分布引起的結(jié)構(gòu)非線性因素。
2.3 耐火性實驗和殘余應(yīng)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(jié)合力、微結(jié)構(gòu)、相比率、鐵氏體和奧氏體力學(xué)性能的差別。合金熱處理和S含量顯著影響其熱塑性,適當(dāng)?shù)臒崽幚砗头纸绫砻娼Y(jié)合力增強(qiáng)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(kuò)展及抗疲勞性能進(jìn)行了研究,合金表面損傷和裂紋擴(kuò)展在微裂紋的密度、成核位置和裂紋擴(kuò)散速度方面都有顯著的區(qū)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(jìn)行分析。當(dāng)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(yīng)變硬化表明,施加荷載的增加會影響失效模態(tài)。Bouchair同時也對不銹鋼結(jié)構(gòu)中的螺栓連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和變形、抗力和延性進(jìn)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(nèi)研究概述
國內(nèi)制訂的上述標(biāo)準(zhǔn)都只涉及到不銹鋼材料和構(gòu)件,僅對材料的化學(xué)成分和構(gòu)件的加工制作進(jìn)行了規(guī)定,但到目前為止,仍然沒有制訂相關(guān)的不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程!恫讳P鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》正在編制當(dāng)中。沈祖炎等對3個牌號的不銹鋼做了一系列屈服強(qiáng)度實驗,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的方法得到了屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值,并結(jié)合可靠度理論得到了3個牌號不銹鋼的抗力分項系數(shù)。劉錫良等則主要關(guān)注不銹鋼在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究,主要包括網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)不銹鋼薄壁管的性能、初始缺陷和殘余應(yīng)力的影響等。
應(yīng)當(dāng)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(jié)點(diǎn)、緊固件等結(jié)構(gòu)部件上,而沒有對不銹鋼作為主要承力構(gòu)件的性能進(jìn)行研究。
3.結(jié)論和展望
作為一種生產(chǎn)、研究、應(yīng)用都不成熟的“新”型結(jié)構(gòu)材料,不銹鋼結(jié)構(gòu)需要更多的的發(fā)展。雖然不銹鋼結(jié)構(gòu)能夠依靠耐腐蝕性和耐久性彌補(bǔ)造價方面的缺陷,但是沒有標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線的支撐,沒有材料性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)的可靠數(shù)據(jù),沒有專門技術(shù)人員的推廣應(yīng)用,除某些特殊用途之外不銹鋼結(jié)構(gòu)的推廣依舊很艱難。
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