不锈钢与碳素结构钢的设计规则的差异

不锈钢与碳素结构钢的设计规则的差异
碳钢的设计规则不能用于不锈钢是因为碳钢与不锈钢之间有着根本的区别：
1．不锈钢没有屈服点，通常以ó0.2来表示该屈服应力被认为是当量值。

2．应力／应变曲线形状不同，不锈钢的弹性极限大约是屈服应力的50％，就标准中所规定的最小值而论，该屈服应力值低于中碳钢的屈服应力值。

3．冷加工时不锈钢产生加工硬化，例如，弯曲时具有各向异性，即：横向和纵向性能不同。

可以利用由冷加工而增高的强度，不过如果与总面积相比弯曲面积较小而忽略不计这种增加时，强度增高可以在一定程度上提高安全系数。

基本设计程序
不锈钢的设计程序大体上是从现适用于结构工程设计的各个方面的原则派生出来的。

但是由于通常使用的不锈钢是薄规格型钢，所以，它的设计过程比碳钢薄规格材料复杂得多。

重要的是确定不锈钢的最终用途，因为在许多应用中不锈钢不仅作为结构件而且要起到美观的作用。

为了防止构件受力部分出现局部弯曲和变形，关键的因素是材料的宽度和厚度之比的极限值。

还有一点也很重要，值得一提，即：材料标准规定了ó0.2的最小值，对于建筑物所用的奥氏体不锈钢，该值大约是240N／mm2，但是，材料的特征强度一般要比该值高出15％，设计人员应将这一强度系数考虑在内。

设计依据
1．不锈钢和碳结钢之比较
首先，看一下普通碳结钢与不锈钢之间的主要区别。

2．应力／应变曲线图
碳钢的应力／应变曲线的线性部分实际上是一条直达屈服点的直线，而不锈钢的线性区大约是ó0.2的50％。

当应力级在非弹性区时，用于结构设计中的弯曲设计理论和虎克定律，即：应力与应变成比例，不真正适用于不锈钢。

因此，在应力级较低的情况下，对不锈钢构件结构进行设计比较简单，但是在应力级较高的情况下，需要查阅变形和局部弯曲的标准。

3．张力
在现代结构法规中，拉伸应力加上载荷系数与毛断面的材料的屈服应力联系在一起，抗拉极限强度与屈服应力的比值用于校验净截面。

不锈钢的抗拉极限强度与屈服应力之比为2．4，而碳钢中该范围是1．6～2．1。

拉伸构件需要对其强度进行两项检查：
①毛断面的屈服应力
②净有效断面的拉伸极限强度（最大 1．2）
4．压力
压力取决于屈服应力和模数，因为受压杆件的破坏通常是由于挠曲引起的，而挠曲本身又与刚度有关。

因此，用减小E值来增大所能承受的力是很有必要的。

因为这表明在细长比一定的条件下，不锈钢构件的纵向弯曲力低于相同的碳钢结构件。

细长比较低时，两种材料一样。

细长比较高时，应力低，强度类似，但细长比在80～120的中间值范围内，不锈钢的纵向弯曲力较低。

5．弯曲
在没有纵向弯曲情况下，弯曲应力一般与屈服应力有关。

各种规则即使是含有弹性设计的规则，都认识到了形状系数的重要性。

形状系数把梁的塑性力矩值增加到远远高于开始屈服时能力的值。

但是，不锈钢应变硬化在开始屈服后立即开始，因此，外纤维增加而内纤维仍在弹性区内变形。

所以，由于应变硬化，不锈钢能够具有较高的弯曲能力。

不过在EUROCODE3第1．4节中没有提供塑性分析的内容。

6．剪力和压力
它们与刚度无关，而是直接关系到屈服应力和极限应力。

应变硬化可以提高安全裕度。

7.纵横向性能
在英国的研究中，材料检验的结果普遍表明纵横性能差不超过7．5％。

美国的结构分析和设计
新版ANSI／ASCE标准利用许用载荷和力距替代了许用应力。

因此，安全载荷的计算方法是在为所使用的构件和连接件计算得出的最大强度、纵向弯曲力或屈服力加上一个安全系数。

大多数条款中还使用了无因次方程，从而可以方便地使用任何单位进行设计，同时还简化了载荷和抗力设计格式的转换。

有关结构不锈钢的设计
1．"冷成型结构件技术规格"，参见ANSI／ASCE8-90，可以向ASCE索取。

2. EUROINOX（欧洲不锈钢）协会的"结构不锈钢设计手册"。

不锈钢的耐高温性
不锈钢作为结构件，例如，砖墙的支撑角钢，很可能会遇到出现火情时的高温。

不锈钢的性能优于碳钢性能，NiDI在电缆桥架上进行的试验已经充分说明这一点，并在录像片"最有效的解决方法"中作了介绍。

1.直接受热
对电缆桥架进行直接受热试验是最能说明问题的。

电缆桥架的承载能力相同。

为了模拟典型的工作环境，试验时的加载量是它们可能承载的50％。

3米长的桥架由18个煤气烧嘴加热，产生的温度高达1000℃ 以上。

铝质桥架在26秒内完全毁坏。

玻璃钢桥架没等烧嘴全部点燃就毁坏了。

碳钢桥架经历了5分钟的试验，达到了炼油厂的要求，达到的最高温度是811℃ 。

5分钟后的挠度为166mm。

不锈钢桥架持续了45分钟，当时不幸的是罐内的气体被用完了。

不过试验过程中，有14分钟温度在1000℃ 以上，有30分钟温度在900℃以上。

在整个试验过程中，不锈钢不仅保持其结构的完整性，而且在试验结束时挠度只有80mm--不到碳钢的一半。

这一性能是在厚度仅为2mm的试样上得出的。

不锈钢不仅承受载荷能力的时间比碳钢长，而且不会通过导热使火情扩大。

因为不锈钢的导热值较低。

支撑砖砌体的角钢
这种角钢广泛用于砖覆盖结构的承载件。

不锈钢角钢连接在两层楼之间的混凝土或钢质框架上。

这样可以快速、准确地安装面板。

这种角钢的基本设计很简单，因为角钢被看作是一个
支撑悬臂。

为了计算有关的应力和挠度确定了三个简单的规则。