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技術(shù)文章

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西安結(jié)構(gòu)不銹鋼的各種性能

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。不過目前評估結(jié)構(gòu)件總體成本的因素越來越多，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對整體壽命周期成本產(chǎn)生巨大的影響。
核電工業(yè)就是一個典型的例子，在核電工業(yè)中，結(jié)構(gòu)件需要有很長的使用壽命，因其不便于維修甚至不可能進行維修。
1．核工業(yè)
以Sellafield核回收廠為例，該廠的接收和儲藏池頂部（跨度為41．5米，長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。
這一點將在本文后面詳細論述。
3．露天體育場
意大利新Bari體育場的維護是一大難題，而且是一項耗資巨大的工程，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，使用了20噸棒材和15噸板材。
通過海上平臺這種特殊應(yīng)用實例，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修理或更換部件的費用，采用不銹鋼是一個節(jié)省開支的措施。
不銹鋼由于其美觀和作為結(jié)構(gòu)件的功能可以用作購物中心等場所的扶欄或作為表現(xiàn)建筑特征的玻璃支架。
4．BOND街購物中心
防火玻璃幕墻全部由不銹鋼框架支撐。
除活動接頭外，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)計中必須允許有空氣壓力差。
預(yù)計空氣的流速為5英里/小時，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。通過變形或樓板間的垂直移動對框架進行補償。
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。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)點為砂型鑄造，為向倫敦市中心的一個建筑物提供必要時的防火，整個構(gòu)架內(nèi)充滿了水。
結(jié)構(gòu)設(shè)計指南
目前能夠提供給設(shè)計人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計指南很有限，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，這么多的鋼種會使設(shè)計中不常使用不銹鋼的設(shè)計人員無從選擇。他們常提到的問題是"我該用哪個鋼種？"這些材料的機械性能數(shù)據(jù)與碳鋼的不同，使設(shè)計人員面臨的問題更多。
要幫助設(shè)計人員利用不銹鋼，要采取哪些措施呢？
過去的四年中，在日本、美國和歐洲出版了不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指南。
1．美國的研究成果
為了對1974年出版的AISI冷成型結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊進行修訂，NiDI進行了為期四年的研究，其研究結(jié)果見1991年出版的美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）和美國土木工程師學(xué)會（ASCE）標(biāo)準(zhǔn)ANSI／ASCE8-90。
這本1974年出版的手冊是許多年來結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的一本關(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)計原則制定的。這一標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被過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。
不過許用應(yīng)力的設(shè)計方法仍在使用。因為這兩份文獻都是現(xiàn)行的，采用哪種方法取決于設(shè)計人員。
新的設(shè)計指南中的附件E只是簡要地介紹了許用應(yīng)力設(shè)計方法，詳細內(nèi)容見本項研究的（進展報告（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，這些鋼種冷加工時會產(chǎn)生加工硬化。
NiDI和國際鉻開發(fā)協(xié)會（現(xiàn)為國際鉻開發(fā)協(xié)會）是該項目的贊助單位。
3．英國的研究成果
它們也是在英國所進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。研究過程中有些試驗是在從未試驗過的大型不銹鋼型材上進行的。
①鋼種--英國研究成果
盡管不銹鋼的鐵素體鋼種包括在美國的ANSI／ASCE標(biāo)準(zhǔn)中，但未包括在英國設(shè)計手冊中。
英國的設(shè)計手冊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單，因為目前可使用的碳結(jié)鋼總共只有三種。使用L編號是因為這些低碳鋼種能夠焊接，不會出現(xiàn)與晶間腐蝕有關(guān)的問題。英國的手冊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度高，其強度高于高強度碳鋼，這種材料已成功地用于北海的海上石油平臺。
②BUSH LANE大廈
該大廈是一個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，大的鑄管管壁厚度為12．5～30mm。
節(jié)點是砂鑄的。
采用的表面是經(jīng)過玻璃球噴丸，表面加工相當(dāng)于63CLA。材料的屈服強度為380N／mm2，抗拉強度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（EUROINOX）已經(jīng)出版了不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊。
歐洲負責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)的機構(gòu)計劃出版一套不銹結(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)容編寫的。
設(shè)計規(guī)則
為什么不銹鋼不能沿用碳素結(jié)構(gòu)鋼的設(shè)計規(guī)則？
碳鋼的設(shè)計規(guī)則不能用于不銹鋼是因為碳鋼與不銹鋼之間有著根本的區(qū)別：
1．不銹鋼沒有屈服點，通常以ó0.2來表示該屈服應(yīng)力被認為是當(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．冷加工時不銹鋼產(chǎn)生加工硬化，例如，彎曲時具有各向異性，即：橫向和縱向性能不同。
可以利用由冷加工而增高的強度，不過如果與總面積相比彎曲面積較小而忽略不計這種增加時，強度增高可以在一定程度上提高**系數(shù)。
基本設(shè)計程序
不銹鋼的設(shè)計程序大體上是從現(xiàn)適用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的各個方面的原則派生出來的。
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)計過程比碳鋼薄規(guī)格材料復(fù)雜得多。
重要的是確定不銹鋼的終用途，因為在許多應(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。
還有一點也很重要，值得一提，即：材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ó0.2的小值，對于建筑物所用的奧氏體不銹鋼，該值大約是240N／mm2，但是，材料的特征強度一般要比該值高出15％，設(shè)計人員應(yīng)將這一強度系數(shù)考慮在內(nèi)。
設(shè)計依據(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際上是一條直達屈服點的直線，而不銹鋼的線性區(qū)大約是ó0.2的50％。
當(dāng)應(yīng)力級在非彈性區(qū)時，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的彎曲設(shè)計理論和虎克定律，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)力級較低的情況下，對不銹鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計比較簡單，但是在應(yīng)力級較高的情況下，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，抗拉極限強度與屈服應(yīng)力的比值用于校驗凈截面。
不銹鋼的抗拉極限強度與屈服應(yīng)力之比為2．4，而碳鋼中該范圍是1．6～2．1。
拉伸構(gòu)件需要對其強度進行兩項檢查：
①毛斷面的屈服應(yīng)力
②凈有效斷面的拉伸極限強度（大 1．2）
4．壓力
壓力取決于屈服應(yīng)力和模數(shù)，因為受壓桿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值來增大所能承受的力是很有必要的。因為這表明在細長比一定的條件下，不銹鋼構(gòu)件的縱向彎曲力低于相同的碳鋼結(jié)構(gòu)件。
細長比較低時，兩種材料一樣。
細長比較高時，應(yīng)力低，強度類似，但細長比在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)計的規(guī)則，都認識到了形狀系數(shù)的重要性。形狀系數(shù)把梁的塑性力矩值增加到遠遠高于開始屈服時能力的值。
但是，不銹鋼應(yīng)變硬化在開始屈服后立即開始，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。
不過在EUROCODE3第1．4節(jié)中沒有提供塑性分析的內(nèi)容。
6．剪力和壓力
它們與剛度無關(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**裕度。
7.縱橫向性能
在英國的研究中，材料檢驗的結(jié)果普遍表明縱橫性能差不超過7．5％。
美國的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計
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，**載荷的計算方法是在為所使用的構(gòu)件和連接件計算得出的大強度、縱向彎曲力或屈服力加上一個**系數(shù)。大多數(shù)條款中還使用了無因次方程，從而可以方便地使用任何單位進行設(shè)計，同時還簡化了載荷和抗力設(shè)計格式的轉(zhuǎn)換。
有關(guān)結(jié)構(gòu)不銹鋼的設(shè)計
1．"冷成型結(jié)構(gòu)件技術(shù)規(guī)格"，參見ANSI／ASCE8-90，可以向ASCE索取。
2. EUROINOX（歐洲不銹鋼）協(xié)會的"結(jié)構(gòu)不銹鋼設(shè)計手冊"。
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，很可能會遇到出現(xiàn)火情時的高溫。
不銹鋼的性能優(yōu)于碳鋼性能，NiDI在電纜橋架上進行的試驗已經(jīng)充分說明這一點，并在錄像片"有效的解決方法"中作了介紹。
1.直接受熱
對電纜橋架進行直接受熱試驗是能說明問題的。電纜橋架的承載能力相同。為了模擬典型的工作環(huán)境，試驗時的加載量是它們可能承載的50％。
3米長的橋架由18個煤氣燒嘴加熱，產(chǎn)生的溫度高達1000℃ 以上。
鋁質(zhì)橋架在26秒內(nèi)完全毀壞。
玻璃鋼橋架沒等燒嘴全部點燃就毀壞了。
碳鋼橋架經(jīng)歷了5分鐘的試驗，達到了煉油廠的要求，達到的高溫度是811℃ 。
5分鐘后的撓度為166mm。
不銹鋼橋架持續(xù)了45分鐘，當(dāng)時不幸的是罐內(nèi)的氣體被用完了。不過試驗過程中，有14分鐘溫度在1000℃以上，有30分鐘溫度在900℃以上。
在整個試驗過程中，不銹鋼不僅保持其結(jié)構(gòu)的完整性，而且在試驗結(jié)束時撓度只有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間比碳鋼長，而且不會通過導(dǎo)熱使火情擴大。因為不銹鋼的導(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、地安裝面板。這種角鋼的基本設(shè)計很簡單，因為角鋼被看作是一個支撐懸臂。為了計算有關(guān)的應(yīng)力和撓度確定了三個簡單的規(guī)則。
有關(guān)這些設(shè)計規(guī)則的小冊子可以向NiDI索取。按噸計算的話，支撐角鋼每年在英國占有大約7000噸的市場。

西安結(jié)構(gòu)不銹鋼的各種性能
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