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(huì)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(gè)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(jìn)行維修,。
　　1．核工業(yè)
　　以Sellafield核回收廠為例,，該廠的接收和儲(chǔ)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(diǎn)將在本文后面詳細(xì)論述。
　　3．露天體育場
　　意大利新Bari體育場的維護(hù)是一大難題,，而且是一項(xiàng)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(shí),，使用了20噸棒材和15噸板材,。
　　通過海上平臺(tái)這種特殊應(yīng)用實(shí)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(hù)修理或更換部件的費(fèi)用,，采用不銹鋼是一個(gè)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(dòng)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(jì)中必須允許有空氣壓力差,。
　　預(yù)計(jì)空氣的流速為5英里/小時(shí)，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(dòng)對框架進(jìn)行補(bǔ)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(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(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(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(gòu)架內(nèi)充滿了水。
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南
　　目前能夠提供給設(shè)計(jì)人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)共有57個(gè)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(huì)使設(shè)計(jì)中不常使用不銹鋼的設(shè)計(jì)人員無從選擇,。他們最常提到的問題是"我該用哪個(gè)鋼種？"這些材料的機(jī)械性能數(shù)據(jù)與碳鋼的不同,，使設(shè)計(jì)人員面臨的問題更多,。
　　要幫助設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)手冊進(jìn)行修訂,，NiDI進(jìn)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(huì)（ANSI）和美國土木工程師學(xué)會(huì)（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(jì)人員唯一的一本關(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(jì)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(jì)方法仍在使用,。因?yàn)檫@兩份文獻(xiàn)都是現(xiàn)行的，采用哪種方法取決于設(shè)計(jì)人員,。
新的設(shè)計(jì)指南中的附件E只是簡要地介紹了許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法,，詳細(xì)內(nèi)容見本項(xiàng)研究的（進(jìn)展報(bào)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(shí)會(huì)產(chǎn)生加工硬化。
　　NiDI和國際鉻開發(fā)協(xié)會(huì)（現(xiàn)為國際鉻開發(fā)協(xié)會(huì)）是該項(xiàng)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(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(yàn)是在從未試驗(yàn)過的大型不銹鋼型材上進(jìn)行的。
　?、黉摲N--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(jì)手冊中。
　　英國的設(shè)計(jì)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?yàn)槟壳翱墒褂玫奶冀Y(jié)鋼總共只有三種。使用L編號(hào)是因?yàn)檫@些低碳鋼種能夠焊接,，不會(huì)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(qiáng)度高,，其強(qiáng)度高于高強(qiáng)度碳鋼，這種材料已成功地用于北海的海上石油平臺(tái),。
　?、贐USH LANE大廈
　　該大廈是一個(gè)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(cuò)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,，最大的鑄管管壁厚度為12．5～30mm,。
　　節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度為380N／mm2,，抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊。
　　歐洲負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)計(jì)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(jì)規(guī)則
　　為什么不銹鋼不能沿用碳素結(jié)構(gòu)鋼的設(shè)計(jì)規(guī)則,？
　　碳鋼的設(shè)計(jì)規(guī)則不能用于不銹鋼是因?yàn)樘间撆c不銹鋼之間有著根本的區(qū)別：
　　1．不銹鋼沒有屈服點(diǎn)，通常以ó0.2來表示該屈服應(yīng)力被認(rèn)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)定的最小值而論,，該屈服應(yīng)力值低于中碳鋼的屈服應(yīng)力值,。
　　3．冷加工時(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(qiáng)度,，不過如果與總面積相比彎曲面積較小而忽略不計(jì)這種增加時(shí),，強(qiáng)度增高可以在一定程度上提高安全系數(shù)。
　　基本設(shè)計(jì)程序
　　不銹鋼的設(shè)計(jì)程序大體上是從現(xiàn)適用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的各個(gè)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(jì)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最終用途,，因?yàn)樵谠S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(diǎn)也很重要，值得一提,，即：材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(qiáng)度一般要比該值高出15％,，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將這一強(qiáng)度系數(shù)考慮在內(nèi)。
　　設(shè)計(jì)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(shí)際上是一條直達(dá)屈服點(diǎn)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(shí),，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的彎曲設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(qiáng)度與屈服應(yīng)力的比值用于校 驗(yàn)凈截面,。
　　不銹鋼的抗拉極限強(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)行兩項(xiàng)檢查：
　　 ①毛斷面的屈服應(yīng)力
　　 ②凈有效斷面的拉伸極限強(qiáng)度（最大 1．2）
　　4．壓力
　　壓力取決于屈服應(yīng)力和模數(shù),，因?yàn)槭軌簵U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?yàn)檫@表明在細(xì)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(xì)長比較低時(shí)，兩種材料一樣,。
　　細(xì)長比較高時(shí),，應(yīng)力低，強(qiáng)度類似,，但細(xì)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(jì)的規(guī)則，都認(rèn)識(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于開始屈服時(shí)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)變硬化可以提高安全裕度。
7.縱橫向性能
在英國的研究中,，材料檢驗(yàn)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(jì)
　　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,，安全載荷的計(jì)算方法是在為所使用的構(gòu)件和連接件計(jì)算得出的最大強(qiáng)度,、縱向彎曲力或屈服力加上一個(gè)安全系數(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(jìn)行設(shè)計(jì),，同時(shí)還簡化了載荷和抗力設(shè)計(jì)格式的轉(zhuǎn)換。
　　有關(guān)結(jié)構(gòu)不銹鋼的設(shè)計(jì)
　　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(huì)的"結(jié)構(gòu)不銹鋼設(shè)計(jì)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(huì)遇到出現(xiàn)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(yàn)已經(jīng)充分說明這一點(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(yàn)是最能說明問題的。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(yàn)時(shí)的加載量是它們可能承載的50％。
　　3米長的橋架由18個(gè)煤氣燒嘴加熱,，產(chǎn)生的溫度高達(dá)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(diǎn)燃就毀壞了。
　　碳鋼橋架經(jīng)歷了5分鐘的試驗(yàn),，達(dá)到了煉油廠的要求,，達(dá)到的最高溫度是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(shí)不幸的是罐內(nèi)的氣體被用完了。不過試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)過程中,，不銹鋼不僅保持其結(jié)構(gòu)的完整性,，而且在試驗(yàn)結(jié)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,，而且不會(huì)通過導(dǎo)熱使火情擴(kuò)大。因?yàn)椴讳P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,、準(zhǔn)確地安裝面板,。這種角鋼的基本設(shè)計(jì)很簡單，因?yàn)榻卿摫豢醋魇且粋€(gè)支撐懸臂,。為了計(jì)算有關(guān)的應(yīng)力和撓度確定了三個(gè)簡單的規(guī)則,。
　　有關(guān)這些設(shè)計(jì)規(guī)則的小冊子可以向NiDI索取。按噸計(jì)算的話,，支撐角鋼每年在英國占有大約7000噸的市場,。

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