结构不锈钢
作者:佚名 来源:本站原创

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

    核电产业就是一个典型的例子,在核电产业中,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.核产业

    以Sellafield核回收厂为例,该厂的接收和蕴躲池顶部(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

    在墙内的潜伏腐蚀环境中,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具体论述。

    3.露天运动场

    意大利新Bari运动场的维护是一大困难,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已经证实假如考虑整体寿命本钱,即:首先是安装本钱再加上日后的维护修理或更换部件的用度,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,设计中必须答应有空气压力差。

    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。

    安装后答应的挠度为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,整个构架内布满了水。

    结构设计指南

    目前能够提供给设计职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职员无从选择。他们最常提到的题目是"我该用哪个钢种?"这些材料的机械性能数据与碳钢的不同,使设计职员面临的题目更多。

    要帮助设计职员利用不锈钢,要采取哪些措施呢?

    过往的四年中,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年出版的手册是很多年来结构设计职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。这一标准已经被过往几年中起草的尽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。由于这两份文献都是现行的,采用哪种方法取决于设计职员。

    新的设计指南中的附件E只是扼要地介绍了许用应力设计方法,具体内容见本项研究的(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,由于目前可使用的碳结钢总共只有三种。使用L编号是由于这些低碳钢种能够焊接,不会出现与晶间腐蚀有关的题目。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,而且将编进EUROCODE3的1.4节中。

    NiDI已经将其研究结果提供给了编制EUROCODE的有关职员,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由于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以为是当量值。

    2.应力/应变曲线外形不同,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,不过假如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进步安全系数。

    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终极用途,由于在很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%,设计职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,由于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。由于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,都熟悉到了外形系数的重要性。外形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。应变硬化可以进步安全裕度。

    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换了许用应力。

    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,很可能会碰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题目的。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。由于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、正确地安装面板。这种角钢的基本设计很简单,由于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。

    有关这些设计规则的小册子可以向NiDI索取。按吨计算的话,支撑角钢每年在英国占有大约7000吨的市场。
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