不锈钢结构的特点和研究状况

曾宪平

摘 要 不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能和耐久性，使建筑结构安全可靠、结实耐久。但目前国内相关研究工作开展严重滞后，不利于可持续发展。通过简要介绍不锈钢材料的类型和特点，对近年来不锈钢结构的应用和研究现状进行总结，阐述国内外不锈钢相关规范以及不锈钢结构的设计方法，最后展望和探讨不锈钢结构的应用研究前景。

关键词 不锈钢结构；建筑；特点；应用；现状

1.不锈钢的特点

根据化学成分和热处理工艺的区别，目前普遍将不锈钢分成五大类：奥氏体型、奥氏体-铁素体（双相）型、铁素型、马氏体型和沉淀硬化型，使用和研究较多的是前两种类型。奥氏体型有很好的耐腐蚀性和奥氏体微观结构。双相型比奥氏体型有更好的耐腐蚀性，并且更高的强度和更好的耐久性，但价格更高。由于材料造价高、相关技术的不成熟，长期以来不锈钢常常仅用来制作结构零件。但随着更深入研究和比较，发现不锈钢有比普通建筑钢更优秀的材料性质和经济指标。

1.1 材料造价高但维护费用低

不锈钢结构造价约为碳素钢的四倍，此外钢材生厂量小和生产标准不成熟，这些成为了制约不锈钢推广的重要原因。但是对近海结构使用周期内总花费的调查显示，综合考虑原材料费用、维修费用、防腐蚀费用、防火费用、结构修复损伤费用和其他潜在费用，铝结构和不锈钢结构能节省很可观的经济指标，不锈钢的经济效益和防火安全是其他材料不可取代的。

1.2 美观且耐久性好

建筑师对结构造型和结构外表的美学需求不锈钢同样可以满足，例如纽约1936年建成的近海结构Chrysler Building虽然空气环境恶劣，但目前材料表面依旧明亮清洁。只需少量维修，不锈钢结构寿命可以超过100年。

1.3 σ-ε曲线和耐火性

不锈钢和碳素钢的σ-ε曲线如图1，由对比可知由于不锈钢是一种合金材料，σ-ε曲线没有明显的屈服点但有很好的延性（不锈钢为40-60%，碳素钢为20-30%），有可观的硬化阶段。目前一般采用0.2%的应变作为不锈钢屈服点的等效值，如图2。

非线性材料一般采用Ramberg-Osgood本构关系，Hill对表达式进行了修正：

式中：为弹性模量；为材料的屈服强度；n为应变硬化指数，，对于不锈钢一般取3~10。

由于合金元素的作用，不锈钢比碳素钢耐火性更好。图3为实验研究得到的两者屈服值随温度变化曲线，图4为两者刚度随温度变化曲线。按照欧洲标准的要求对五种不锈钢等级耐火实验都显示，大于600°C的温度，不锈钢屈服值和材料刚度都比普通碳素钢高，这一实验结构与有限元法数值模拟的结构是相吻合的。

1.4 延性好、冲击性能好、材料可持续利用

良好的延性和冲击性能可以让不锈钢结构在海岸线、碰撞和爆炸作用下得到应用，也可以合适结构抗震的需求。建材的制造过程会产生严重的工业污染和垃圾，但是废弃不锈钢结构经过再熔化形成的构件由于有很好的耐久性可以再次得到使用，从而可以实现材料的可持续利用，减少建材工业废弃物的产生。

2.不锈钢研究的热点

国外不锈钢的研究已经取得了初步的成效，国内研究目前很多领域仍属于空白。不锈钢的应用要从结构零部件领域转变到结构主体领域仍然需要一个很长的过程。对SCI检索得到的200篇论文的高频引用论文进行关键词分析，并结合我国一些学者的研究成果可以得到目前不锈钢研究的主要热点。

2.1 应力应变的确定

Ramberg-Osgood本构关系对未达到等效屈服点的不锈钢材料描述是可行的，但是当应力超过等效屈服点之后，一系列的不锈钢应力应变实验都显示Ramberg-Osgood本构关系与实验结果不符合。实验曲线和Ramberg-Osgood本构关系曲线的对比如图5。Kim J.R. Rasmussen给出了新的应力应变模型：在未达到屈服点阶段采用Ramberg-Osgood本构曲线；超过屈服点采用以σ0.2为起点的Ramberg-Osgood本构曲线，如下：

第一阶段：第二阶段：

Kim J.R. Rasmussen模型和实验结果相接近，图6对欧洲标准的UNS31803牌号合金的本构关系描述。

2.2 不锈钢梁挠度试验

E. Mirambell为了测得不锈钢梁弯矩和挠度曲线，设计了多个不锈钢梁的受弯试验，试验构件的几何尺寸如表1所示，并且用非线性有限单元法对实验进行数值仿真。

通过荷载位移曲线的对比，E. Mirambell指出数值仿真由于没有考虑局部失稳的因素，所以挠度计算偏小；欧洲标准的提供的简便方法使用切线模量理论会使挠度过大。要想得到更加准确的荷载位移关系就应当考虑材料模量的变化和内力重分布引起的结构非线性因素。

2.3 耐火性实验和残余应力分析

Lin Gang等人分析了双相型不锈钢热塑性的影响因素：相界面的结合力、微结构、相比率、铁氏体和奥氏体力学性能的差别。合金热处理和S含量显著影响其热塑性，适当的热处理和分界表面结合力增强均可以改善合金的热塑性。Balbi等人对双相体不锈钢在固溶退火和时效两种温度条件下的微裂纹扩展及抗疲劳性能进行了研究，合金表面损伤和裂纹扩展在微裂纹的密度、成核位置和裂纹扩散速度方面都有显著的区别。

2.4 不锈钢螺栓连接性能

Bouchair等人对不锈钢螺栓连接建立了有限元模型，对盖板连接和T型连接进行分析。当螺栓孔壁承压时，盖板连接必须考虑变形限值；在T型连接中，不锈钢的应变硬化表明，施加荷载的增加会影响失效模态。Bouchair同时也对不锈钢结构中的螺栓连接节点的强度和变形、抗力和延性进行了研究。不锈钢紧固件的抗滑性能研究表明，不锈钢的抗滑性能良好。

2.5 国内研究概述

国内制订的上述标准都只涉及到不锈钢材料和构件，仅对材料的化学成分和构件的加工制作进行了规定，但到目前为止，仍然没有制订相关的不锈钢结构设计规程。《不锈钢结构技术规程》正在编制当中。沈祖炎等对3个牌号的不锈钢做了一系列屈服强度实验，根据数理统计的方法得到了屈服强度的标准值，并结合可靠度理论得到了3个牌号不锈钢的抗力分项系数。刘锡良等则主要关注不锈钢在空间网架结构的研究，主要包括网架焊接球节点不锈钢薄壁管的性能、初始缺陷和残余应力的影响等。

应当指出，在不锈钢研究方面我国所处水平较低，主要还局限于不锈钢节点、紧固件等结构部件上，而没有对不锈钢作为主要承力构件的性能进行研究。

3.结论和展望

作为一种生产、研究、应用都不成熟的“新”型结构材料，不锈钢结构需要更多的的发展。虽然不锈钢结构能够依靠耐腐蚀性和耐久性弥补造价方面的缺陷，但是没有标准生产线的支撑，没有材料性质、力学性质的可靠数据，没有专门技术人员的推广应用，除某些特殊用途之外不锈钢结构的推广依旧很艰难。

参考文献：

[1] E. Mirambell， and E. Real， “On the calculation of deflections in structural stainless steel beams: an experimental and numerical investigation，” Journal of Constructional Steel Research， vol. 54， no. 1， pp. 109-133， Apr， 2000.

[2] K. H. Lo， C. H. Shek， and J. K. L. Lai， “Recent developments in stainless steels，” Materials Science & Engineering R-Reports， vol. 65， no. 4-6， pp. 39-104， May， 2009.

[3] L. Gardner， and N. R. Baddoo， “Fire testing and design of stainless steel structures，” Journal of Constructional Steel Research， vol. 62， no. 6， pp. 532-543， Jun， 2006.

[4] 苏庆田，沈祖炎，张其林，等.“不锈钢强度设计值取值的实验和理论依据”建筑结构学报， vol. 24， no. 1， pp. 80-83， Feb， 2003.