不銹鋼與普通碳鋼相比投資本錢(qián)較高，使它一直不能用作普通結構件。不過(guò)目前評估結構件總體本錢(qián)的因素越來(lái)越多，例如：耐腐蝕性，特別是在沿海地區，減少維修量和降低維修本錢(qián)都會(huì )對整體壽命周期本錢(qián)產(chǎn)生巨大的影響。
核電產(chǎn)業(yè)就是一個(gè)典型的例子，在核電產(chǎn)業(yè)中，結構件需要有很長(cháng)的使用壽命，因其不便于維修甚至不可 能進(jìn)行維修。
1．核產(chǎn)業(yè)
以Sellafield核回收廠(chǎng)為例，該廠(chǎng)的接收和蘊躲池頂部（跨度為41．5米，長(cháng)100米）的結構框架共用了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
在墻內的潛伏腐蝕環(huán)境中，同樣使用了數千噸不銹鋼作為支撐磚墻的座角鋼。
這一點(diǎn)將在本文后面具體論述。
3．露天運動(dòng)場(chǎng)
意大利新Bari運動(dòng)場(chǎng)的維護是一大困難，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)海上平臺這種特殊應用實(shí)例，NiDI已經(jīng)證實(shí)假如考慮整體壽命本錢(qián)，即：首先是安裝本錢(qián)再加上日后的維護修理或更換部件的用度，采用不銹鋼是一個(gè)節省開(kāi)支的措施。
不銹鋼由于其美觀(guān)和作為結構件的功能可以用作購物中心等場(chǎng)所的扶欄或作為表現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(dòng)接頭外，從地面到各樓層一直到
樓頂的豎框全部是一體的。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中，由于減壓系統的效應，設計中必須答應有空氣壓力差。
預計空氣的流速為5英里/小時(shí)，相當于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。
安裝后答應的撓度為25mm。通過(guò)變形或樓板間的垂直移動(dòng)對框架進(jìn)行補償。
5．BUSH LANE大廈
該大廈充分表明了作為工程材料和結構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，構架位于建筑物外方。網(wǎng)架結構的結構件是用離心鑄造生產(chǎn)的，具有12．5～30mm的不同厚度。節點(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)構架內布滿(mǎn)了水。
結構設計指南
目前能夠提供給設計職員的結構設計指南很有限，使現有的結構型材不能得到更廣泛的應用。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準共有57個(gè)標準鋼種，按冶金結構可分為奧氏體、鐵素體和馬氏體，這么多的鋼種會(huì )使設計中不常使用不銹鋼的設計職員無(wú)從選擇。他們最常提到的題目是"我該用哪個(gè)鋼種？"這些材料的機械性能數據與碳鋼的不同，使設計職員面臨的題目更多。
要幫助設計職員利用不銹鋼，要采取哪些措施呢？
過(guò)往的四年中，在日本、美國和歐洲出版了不銹鋼結構設計指南。
1．美國的研究成果
為了對1974年出版的AISI冷成型結構設計手冊進(jìn)行修訂，NiDI進(jìn)行了為期四年的研究，其研究結果見(jiàn)1991年出版的美國國家標準協(xié)會(huì )（ANSI）和美國土木工程師學(xué)會(huì )（ASCE）標準ANSI／ASCE8-90。
這本1974年出版的手冊是很多年來(lái)結構設計職員唯一的一本關(guān)于不銹鋼應用的資料。
新的ANSI／ASCE標準是利用極限狀態(tài)設計原則制定的。這一標準已經(jīng)被過(guò)往幾年中起草的盡大多數有關(guān)結構的業(yè)務(wù)法規所采用。
不過(guò)許用應力的設計方法仍在使用。由于這兩份文獻都是現行的，采用哪種方法取決于設計職員。
新的設計指南中的附件E只是扼要地介紹了許用應力設計方法，具體內容見(jiàn)本項研究的（進(jìn)展報告（3））。
2．不銹鋼鋼種
ANSI／ASCE標準中包括的材料如下；
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和國際鉻開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì )（現為國際鉻開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì )）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(jìn)行的研究的主要贊助單位，該研究結果將成為制定歐洲結構不銹鋼標準的基礎。
該指南完全是依據極限狀態(tài)原則編寫(xiě)的，它包括冷成型結構件和板材加工而成的結構件。研究過(guò)程中有些試驗是在從未試驗過(guò)的大型不銹鋼型材上進(jìn)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標準中，但未包括在英國設計手冊中。
英國的設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(jiǎn)單，由于目前可使用的碳結鋼總共只有三種。使用L編號是由于這些低碳鋼種能夠焊接，不會(huì )出現與晶間腐蝕有關(guān)的題目。英國的手冊中不包括加工硬化材料。這并不意味著(zhù)不銹鋼的其它鋼種或加工硬化材料的使用不屬于結構鋼的應用范疇。
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(gè)將雙相不銹鋼用作結構件的好例子。
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構框架，并利用網(wǎng)架結構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(huì )（EUROINOX）已經(jīng)出版了不銹鋼結構設計手冊。
歐洲負責制定標準的機構計劃出版一套不銹結構鋼的業(yè)務(wù)規程，而且將編進(jìn)EUROCODE3的1．4節中。
NiDI已經(jīng)將其研究結果提供給了編制EUROCODE的有關(guān)職員，1．4節就是按我們起草的內容編寫(xiě)的。
設計規則
為什么不銹鋼不能沿用碳素結構鋼的設計規則？
碳鋼的設計規則不能用于不銹鋼是由于碳鋼與不銹鋼之間有著(zhù)根本的區別：
1．不銹鋼沒(méi)有屈服點(diǎn)，通常以ó0.2來(lái)表示該屈服應力被以為是當量值。
2．應力／應變曲線(xiàn)外形不同，不銹鋼的彈性極限大約是屈服應力的50％，就標準中所規定的最小值而論，該屈服應力值低于中碳鋼的屈服應力值。
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度，不過(guò)假如與總面積相比彎曲面積較小而忽略不計這種增加時(shí)，強度增高可以在一定程度上進(jìn)步安全系數。
基本設計程序
不銹鋼的設計程序大體上是從現適用于結構工程設計的各個(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格型鋼，所以，它的設計過(guò)程比碳鋼薄規格材料復雜得多。
重要的是確定不銹鋼的終極用途，由于在很多應用中不銹鋼不僅作為結構件而且要起到美觀(guān)的作用。
為了防止構件受力部分出現局部彎曲和變形，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：材料標準規定了ó0.2的最小值，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％，設計職員應將這一強度系數考慮在內。
設計依據
1．不銹鋼和碳結鋼之比較
首先，看一下普通碳結鋼與不銹鋼之間的主要區別。
2．應力／應變曲線(xiàn)圖
碳鋼的應力／應變曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分實(shí)際上是一條直達屈服點(diǎn)的直線(xiàn)，而不銹鋼的線(xiàn)性區大約是ó0.2的50％。
當應力級在非彈性區時(shí)，用于結構設計中的彎曲設計理論和虎克定律，即：應力與應變成比例，不真正適用于不銹鋼。
因此，在應力級較低的情況下，對不銹鋼構件結構進(jìn)行設計比較簡(jiǎn)單，但是在應力級較高的情況下，需要查閱變形和局部彎曲的標準。
3．張力
在現代結構法規中，拉伸應力加上載荷系數與毛斷面的材料的屈服應力聯(lián)系在一起，抗拉極限強度與屈服應力的比值用于校 驗凈截面。
不銹鋼的抗拉極限強度與屈服應力之比為2．4，而碳鋼中該范圍是1．6～2．1。
拉伸構件需要對其強度進(jìn)行兩項檢查：
①毛斷面的屈服應力
②凈有效斷面的拉伸極限強度（最大 1．2）
4．壓力
壓力取決于屈服應力和模數，由于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(lái)增大所能承受的力是很有必要的。由于這表明在細長(cháng)比一定的條件下，不銹鋼構件的縱向彎曲力低于相同的碳鋼結構件。
細長(cháng)比較低時(shí)，兩種材料一樣。
細長(cháng)比較高時(shí)，應力低，強度類(lèi)似，但細長(cháng)比在80～120的中間值范圍內，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，彎曲應力一般與屈服應力有關(guān)。各種規則即使是含有彈性設計的規則，都熟悉到了外形系數的重要性。外形系數把梁的塑性力矩值增加到遠遠高于開(kāi)始屈服時(shí)能力的值。
但是，不銹鋼應變硬化在開(kāi)始屈服后立即開(kāi)始，因此，外纖維增加而內纖維仍在彈性區內變形。所以，由于應變硬化，不銹鋼能夠具有較高的彎曲能力。
不過(guò)在EUROCODE3第1．4節中沒(méi)有提供塑性分析的內容。
6．剪力和壓力
它們與剛度無(wú)關(guān)，而是直接關(guān)系到屈服應力和極限應力。應變硬化可以進(jìn)步安全裕度。
7.縱橫向性能
在英國的研究中，材料檢驗的結果普遍表明縱橫性能差不超過(guò)7．5％。
美國的結構分析和設計
新版ANSI／ASCE標準利用許用載荷和力距替換了許用應力。
因此，安全載荷的計算方法是在為所使用的構件和連接件計算得出的最大強度、縱向彎曲力或屈服力加上一個(gè)安全系數。大多數條款中還使用了無(wú)因次方程，從而可以方便地使用任何單位進(jìn)行設計，同時(shí)還簡(jiǎn)化了載荷和抗力設計格式的轉換。
有關(guān)結構不銹鋼的設計
1．"冷成型結構件技術(shù)規格"，參見(jiàn)ANSI／ASCE8-90，可以向ASCE索取。
2. EUROINOX（歐洲不銹鋼）協(xié)會(huì )的"結構不銹鋼設計手冊"。
不銹鋼的耐高溫性
不銹鋼作為結構件，例如，磚墻的支撐角鋼，很可能會(huì )碰到出現火情時(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
對電纜橋架進(jìn)行直接受熱試驗是最能說(shuō)明題目的。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(shí)的加載量是它們可能承載的50％。
3米長(cháng)的橋架由18個(gè)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，達到了煉油廠(chǎng)的要求，達到的最高溫度是811℃ 。
5分鐘后的撓度為166mm。
不銹鋼橋架持續了45分鐘，當時(shí)不幸的是罐內的氣體被用完了。不過(guò)試驗過(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)試驗過(guò)程中，不銹鋼不僅保持其結構的完整性，而且在試驗結束時(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(cháng)，而且不會(huì )通過(guò)導熱使火情擴大。由于不銹鋼的導熱值較低。
支撐磚砌體的角鋼
這種角鋼廣泛用于磚覆蓋結構的承載件。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、正確地安裝面板。這種角鋼的基本設計很簡(jiǎn)單，由于角鋼被看作是一個(gè)支撐懸臂。為了計算有關(guān)的應力和撓度確定了三個(gè)簡(jiǎn)單的規則。
有關(guān)這些設計規則的小冊子可以向NiDI索取。按噸計算的話(huà)，支撐角鋼每年在英國占有大約7000噸的市場(chǎng)。
本文章由海南康氏力拓空間鋼結構公司小編整理發(fā)表，官網(wǎng)：www.itenniscoach.cn
