结构不锈钢

结构不锈钢

简介

不锈钢与普通碳钢相比投资成本较高，使它一直不能用作普通结构件。不过目前评估结构件总体成本的因素越来越多，例如：耐腐蚀性，特别是在沿海地区，减少维修量和降低维修成本都会对整体寿命周期成本产生巨大的影响。

核电工业就是一个典型的例子，在核电工业中，结构件需要有很长的使用寿命，因其不便于维修甚至不可能进行维修。

1．核工业

以Sellafield核回收厂为例，该厂的接收和储藏池顶部（跨度为41．5米，长100米）的结构框架共用了350吨左右的321S12不锈钢。

4米深的桁梁是用钢板压成角钢制作而成的，规格从200×200×1600mm到100×100×10mm。作为顶部檩子的矩形空心型材（300×200×8mm）是由圆形空心型材（直径324mm，厚度10mm）支撑的。

2．砖墙支撑角钢

在墙内的潜在腐蚀环境中，同样使用了数千吨不锈钢作为支撑砖墙的座角钢。

这一点将在本文后面详细论述。

3．露天体育场

意大利新Bari体育场的维护是一大难题，而且是一项耗资巨大的工程，为此选用了不锈钢。

涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维漆布屋顶是由不锈钢构件和拉杆组成的框架支撑，把漆布绷紧。

在使用直径为193．7mm，厚度为4～10mm的管材的同时，使用了20吨棒材和15吨板材。

通过海上平台这种特殊应用实例，NiDI已经证明如果考虑整体寿命成本，即：首先是安装成本再加上日后的维护修理或更换部件的费用，采用不锈钢是一个节省开支的措施。

不锈钢由于其美观和作为结构件的功能可以用作购物中心等场所的扶栏或作为表现建筑特征的玻璃支架。

4．BOND街购物中心

防火玻璃幕墙全部由不锈钢框架支撑。

除活动接头外，从地面到各楼层一直到

楼顶的竖框全部是一体的。竖框所用型钢为60X30X3mm的矩型空心型钢。

在下面介绍的地铁系统中，由于减压系统的效应，设计中必须允许有空气压力差。

预计空气的流速为5英里/小时，相当于0．25千牛顿／平方米的载荷。扶栏由竖框支撑，能承受的水平载荷为0．74千牛顿／平方米。

安装后允许的挠度为25mm。通过变形或楼板间的垂直移动对框架进行补偿。

5．BUSH LANE大厦

该大厦充分表明了作为工程材料和结构用途的不锈钢的所有特点。由于位置的限制和由于下面是地铁网架桩深度的限制，构架位于建筑物外方。网架结构的结构件是用离心铸造生产的，具有12．5～30mm的不同厚度。节点为砂型铸造，为向伦敦市中心的一个建筑物提供必要时的防火，整个构架内充满了水。

结构设计指南

目前能够提供给设计人员的结构设计指南很有限，使现有的结构型材不能得到更广泛的应用。这种情况在最近几年发生了很大的变化。就材料本身而言，目前广泛出版的不锈钢标准共有57个标准钢种，按冶金结构可分为奥氏体、铁素体和马氏体，这么多的钢种会使设计中不常使用不锈钢的设计人员无从选择。他们最常提到的问题是"我该用哪个钢种？"这些材料的机械性能数据与碳钢的不同，使设计人员面临的问题更多。

要帮助设计人员利用不锈钢，要采取哪些措施呢？

过去的四年中，在日本、美国和欧洲出版了不锈钢结构设计指南。

1．美国的研究成果

为了对1974年出版的AISI冷成型结构设计手册进行修订，NiDI进行了为期四年的研究，其研究结果见1991年出版的美国国家标准协会（ANSI）和美国土木工程师学会（ASCE）标准ANSI／ASCE8-90。

这本1974年出版的手册是许多年来结构设计人员唯一的一本关于不锈钢应用的资料。

新的ANSI／ASCE标准是利用极限状态设计原则制定的。这一标准已经被过去几年中起草的绝大多数有关结构的业务法规所采用。

不过许用应力的设计方法仍在使用。因为这两份文献都是现行的，采用哪种方法取决于设计人员。

新的设计指南中的附件E只是简要地介绍了许用应力设计方法，详细内容见本项研究的（进展报告（3））。

2．不锈钢钢种

ANSI／ASCE标准中包括的材料如下；

铁素体钢种：409、430和439

奥氏体钢种：201、301、304和316

经过退火的1／16、1／4和半硬材料都属于奥氏体钢，这些钢种冷加工时会产生加工硬化。

NiDI和国际铬开发协会（现为国际铬开发协会）是该项目的赞助单位。

3．英国的研究成果

它们也是在英国所进行的研究的主要赞助单位，该研究结果将成为制定欧洲结构不锈钢标准的基础。

该指南完全是依据极限状态原则编写的，它包括冷成型结构件和板材加工而成的结构件。研究过程中有些试验是在从未试验过的大型不锈钢型材上进行的。

①钢种--英国研究成果

尽管不锈钢的铁素体钢种包括在美国的ANSI／ASCE标准中，但未包括在英国设计手册中。

英国的设计手册中只包括了三种奥氏体不锈钢钢种，即：

奥氏体钢种：304L、316L和铁索体／奥氏体双相2205。

选择少量钢种的原因很简单，因为目前可使用的碳结钢总共只有三种。使用L编号是因为这些低碳钢种能够焊接，不会出现与晶间腐蚀有关的问题。英国的手册中不包括加工硬化材料。这并不意味着不锈钢的其它钢种或加工硬化材料的使用不属于结构钢的应用范畴。

双向不锈钢因两相兼有而强度高，其强度高于高强度碳钢，这种材料已成功地用于北海的海上石油平台。

②BUSH LANE大厦

该大厦是一个将双相不锈钢用作结构件的好例子。

该大厦位于伦敦的CONNON街，地铁站上面纵横交错的地铁隧道限制了地桩的深度和位置。

为此在建筑物的外边使用了结构框架，并利用网架结构将载荷传到支撑柱上。

使用的离心铸管的直径分别为194mm、324mm和512mm，前两种铸管的壁厚9．5mm，最大的铸管管壁厚度为12．5～30mm。

节点是砂铸的。

采用的表面是经过玻璃球喷丸，表面加工相当于63CLA。材料的屈服强度为380N／mm2，抗拉强度650～780N／mm2，延伸率30％。该材料含碳0．08％，铬21％，镍5．5％，钼2％。

NiDI和欧洲不锈钢协会（EUROINOX）已经出版了不锈钢结构设计手册。

欧洲负责制定标准的机构计划出版一套不锈结构钢的业务规程，而且将编入EUROCODE3的1．4节中。

NiDI已经将其研究结果提供给了编制EUROCODE的有关人员，1．4节就是按我们起草的内容编写的。

设计规则

为什么不锈钢不能沿用碳素结构钢的设计规则？

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