不锈钢结构的应用和研究现状.pdf

Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌＣ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ １ ０（２） ，Ｖ ｏ ｌ  ２ ５，Ｎ ｏ  １ ３ ０ 不锈钢结构的应用和研究现状 王元清１ 袁焕鑫１ 石永久１ 高 博２ 戴国欣２ （１ 清华大学土木工程系， 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４； ２ 重庆大学土木工程学院， 重庆 ４ ０ ０ ０ ３ ０） 摘 要 随着碳素钢在建筑结构中的大规模应用， 一些缺陷也逐渐暴露出来， 如抗腐蚀性能差、 耐久性不足、 维护费 用高等。而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， 具有极佳的应用和研究 前景。与碳素钢材料性能的显著区别使不锈钢结构设计需要专门的研究， 但目前国内相关研究工作开展严重滞 后， 阻碍了不锈钢结构的应用， 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；建筑结构；应用；研究；设计方法 ＡＲ Ｅ Ｖ Ｉ ＥＷ Ｏ ＦＣ Ｕ Ｒ Ｒ Ｅ Ｎ ＴＡ Ｐ Ｐ Ｌ Ｉ Ｃ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ ＳＡ Ｎ ＤＲ Ｅ Ｓ Ｅ Ａ Ｒ Ｃ Ｈ Ｏ ＦＳ Ｔ Ａ Ｉ Ｎ Ｌ Ｅ Ｓ ＳＳ Ｔ Ｅ Ｅ ＬＳ Ｔ Ｒ Ｕ Ｃ Ｔ Ｕ Ｒ Ｅ 犠 犪 狀 犵犢 狌 犪 狀 狇 犻 狀 犵 １ 犢 狌 犪 狀犎 狌 犪 狀 狓 犻 狀１ 犛 犺 犻犢 狅 狀 犵 犼 犻 狌１ 犌 犪 狅犅 狅２ 犇 犪 犻犌 狌 狅 狓 犻 狀２ （１ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔｏ ｆＣ ｉ ｖ ｉ ｌＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆＳ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄＶ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａＥ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＭ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ， Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ１ ０ ０ ０ ８ ４，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；２  Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＣ ｉ ｖ ｉ ｌＥ ｎ 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耐腐蚀性好、 易于 维护和全生命周期成本低等优点， 使其在建筑结构 中具有广阔的适用性［ １］。从２ ０世纪初， 不锈钢就已 经开始在建筑结构中采用， 初期主要应用在装饰工 程中， 并开始应用于建筑物的围护结构和屋盖结 构［ ２］。近２ ０年来， 随着欧洲和美国等相关设计规范 的修订， 不锈钢结构的应用逐渐增多。在一些标志 性建筑中， 由于不锈钢在满足结构要求的前提下， 还 能满足建筑美学、 抗腐蚀性能和耐久性等要求， 受到 了建筑结构行业的青睐。 相对于传统的碳素钢而言， 不锈钢结构的初期 成本较高， 相关设计规范不完全成熟， 构件截面没有 规格化， 工程设计人员对不锈钢结构综合效益的理 解不足， 不锈钢大规模应用于建筑结构仍有不少障 碍［ ３］。国内关于不锈钢在建筑结构中的研究开展有 限， 目前还没有制定相关的结构设计规范， 这与我国 不锈钢粗钢产量居世界第一极不相称， 也不利于不 锈钢在土木工程领域的应用。 本文对不锈钢材料及其分类进行了简要的介 绍， 总结了近年来国内外不锈钢结构的应用和研究 现状， 介绍世界上主要设计规范中的相关设计方法， 最后展望了不锈钢结构的应用研究前景。 １ 不锈钢材料 不锈钢材料根据金相组织的不同可以分为５大 类 奥氏体型、 奥氏体铁素体（ 双相） 型、 铁素体型、 马氏体型和沉淀硬化型［ ４］。相对于普通的碳素钢， １ 王元清， 等 不锈钢结构的应用和研究现状 钢结构 ２ ０ １ ０年第２期第２ ５卷总第１ ３ ０期 不锈钢的化学成分主要增加了合金元素铬（Ｃ ｒ） 、 镍 （Ｎ ｉ） 、 锰（Ｍ ｎ） 和钼（Ｍ ｏ） 等， 使二者的材料特性存在 很大的不同。不锈钢的耐腐蚀性能主要取决于Ｃ ｒ 含量，Ｍ ｏ和Ｎ也可以加强其耐腐蚀性能；Ｎ ｉ主要 用来保证不锈钢的微结构和力学性能［ ５］。 在建筑结构中最常用的是奥氏体型和双相型不 锈钢两个系列， 下面分别介绍。 １  １ 奥氏体型不锈钢 奥氏体型不锈钢的基体以面心立方晶体结构的 奥氏体组织（ γ相） 为主， 无磁性， 主要通过冷加工使 其强化。这种不锈钢的应用最广泛， 它具有极佳的 塑性、 良好的耐腐蚀性能、 抗氧化性能和优良的焊接 性能， 相比其他类型的不锈钢， 其在较大的温度范围 内表现出良好的塑性和韧性， 还可以通过复杂冷热 变形而加工成各种型材［ ６］。常见的奥氏体型不锈钢 合金成分和经固溶处理后的力学性能［ ７８］均列于表 １中。 表１ 奥氏体型不锈钢主要合金元素 （Ｇ Ｂ／Ｔ２ ０ ８ ７ ８－２ ０ ０ ７） 不锈钢牌号 化学成分（ 质量分数） ／％ Ｃ ｒＮ ｉＭ ｏＭ ｎ 屈服强度 σ０  ２／ＭＰ ａ 断后伸长 率／％ ０ ６ Ｃ ｒ １ ９ Ｎ ｉ １ ０１ ８～２ ０ ８～１ １－２≥２ ０ ５≥４ ０ ０ ６ Ｃ ｒ １ ７ Ｎ ｉ １ ２Ｍ ｏ ２１ ６～１ ８１ ０～１ ４２～３２≥２ ０ ５≥４ ０ １  ２ 双相型不锈钢 奥氏体铁素体（ 双相） 型不锈钢兼有奥氏体和 铁素 体 两 相 组 织 （ 其 中 较 少 相 的 含 量 一 般 大 于 １ ５％） ， 有磁性， 可以通过冷加工使其强化。由于双 相型不锈钢耐腐蚀性能和奥氏体型不锈钢相当， 却 具有更高的强度和良好的耐磨性能， 近年来在建筑 结构中应用逐渐增多。常用的双相型不锈钢合金成 分和经固溶处理后的力学性能［ ７８］均列于表２中。 表２ 双相型不锈钢主要合金元素（Ｇ Ｂ／Ｔ２ ０ ８ ７ ８－２ ０ ０ ７） 不锈钢牌号 化学成分（ 质量分数） ／％ Ｃ ｒＮ ｉＭ ｏＮ 屈服强度 σ０  ２／ＭＰ ａ 断后伸长 率／％ ０ ２ ２ Ｃ ｒ ２ ２ Ｎ ｉ ５Ｍ ｏ ３ Ｎ２ １～２ ３４  ５～６  ５２  ５～３  ５０  ０ ８～０  ２≥４ ５ ０≥２ ５ ０ ２ ２ Ｃ ｒ ２ ３ Ｎ ｉ ４Ｍ ｏ Ｃ ｕ Ｎ２ １  ５～２ ４  ５３～５  ５０  ０ ５～０  ６０  ０ ５～０  ２≥４ ０ ０≥２ ５ ０ ２ ２ Ｃ ｒ ２ ５ Ｎ ｉ ７Ｍ ｏ ４ Ｎ２ ４～２ ６６～８３～５０  ２ ４～０  ３ ２≥５ ５ ０≥１ ５ １  ３ 不锈钢材料的特点 １） 具有良好的耐腐蚀性和耐久性。不锈钢材料 是克服钢结构锈蚀问题的理想选择， 而且可以延长 结构使用寿命。 ２） 良好的加工性能。不锈钢的塑性和韧性好， 便 于加工成型， 通过冷加工， 其性能还可以得到强化。 ３） 优良的耐高温性能和低温韧性。不锈钢在高 温条件下的残余强度和刚度均优于普通碳素钢， 可 以应用于防火设计［ ９］； 在低温下的冲击韧性也优于 普通碳素钢。 ４） 抗冲击性能好。在受到冲击时， 其良好的延 性可以吸收大量的能量。 ５） 循环利用简单。可循环利用， 便于可持续发展。 ６） 易于符合建筑和美学的要求。可以建造成各 种建筑造型， 将建筑美学融入结构之中。 ７） 初期成本较高。不锈钢结构的初期成本约为 相同普通碳素钢结构的４倍， 但如果考虑材料成本、 维护费用、 防锈处理和防火处理的全寿命周期成本， 不锈钢结构具有较大的优势。 ２ 不锈钢结构应用现状 不锈钢最早在１ ９ １ ２－１ ９ １ ３年由英国Ｂ ｒ ｅ ａ ｒ ｌ ｅ ｙ 和德国Ｍ ａ ｕ ｒ ｅ ｒ、 Ｓ ｔ ｒ ａ ｕ ｓ ｓ等人引入 ［３］。早在１ ９ ２ ５年 伦敦圣保罗大教堂的建造中， 就采用了一条不锈钢 链来稳定教堂的圆屋顶［ ２］。一直来， 关于不锈钢的 研究不断深入以及相关设计规范的修订， 极大地促 进了不锈钢在土木工程领域的应用， 从小而复杂的 装饰性构件到承重的梁柱、 桥梁中的拱结构， 都有不 锈钢的身影。 到目前为止， 不锈钢结构的应用形式主要有以 下几种。 ２  １ 不锈钢建筑物墙面 由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性、 耐久性和容 易保养的特点， 将不锈钢应用于建筑物外表面是非 常合适的， 这样可以达到结构性能与建筑美学的完 美统一。 １ ９ ９ ６年在美国Ｆ ｌ ｏ ｒ ｉ ｄ ａ州的Ｔ ａ ｍ ｐ ａ市建造了 科学工业博物馆， 覆盖面积１ １０ ０ ０ｍ ２， 该博物馆因 形成强烈反差的几何形状和醒目的外表颜色而引人 注目（ 图１） 。博物馆外表的曲线形墙面是把三角形 彩色不锈钢板固定在铝合金辅助支架上， 二者间的 连接采用不锈钢螺栓。在整个墙面系统中大约采用 了２ ９ｔ， １  ６ｍｍ厚的（Ａ Ｉ Ｓ Ｉ３ ０ ４级） 退火不锈钢板。 ２ ０ ０ ０年在英国的Ｓ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｄ建造了一栋综合性的建 ２ 科研开发 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌＣ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ １ ０（２） ，Ｖ ｏ ｌ  ２ ５，Ｎ ｏ  １ ３ ０ 图１ 科学工业博物馆外观（ 美国Ｆ ｌ ｏ ｒ ｉ ｄ ａ州Ｔ ａ ｍ ｐ ａ市） 筑物Ｌ ｏ ｗ ｒ ｙ， 它包括一个１７ ５ ０座的大剧场和一个 ４ ５ ０座的可调庭院剧场， 并附带展馆、 学习中心、 滨水 餐厅等附属设施， 在新世纪为人们提供了一个娱乐和 教育的理想场所（ 图２） 。Ｌ ｏ ｗ ｒ ｙ占地面积２ ４０ ０ ０ｍ ２， 造价６４ ０ ０万英镑。建筑的外表采用了０  ４ｍｍ厚的 不锈钢板（Ａ Ｉ Ｓ Ｉ ３ １ ６级） ， 具有良好的反射效果， 而且 保养维护简单。此外， 在结构中也采用了工字型截面 的不锈钢型钢作为门窗扇中梃。 图２ 英国Ｓ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｄ市的Ｌ ｏ ｗ ｒ ｙ综合性建筑外观 图３ 欧洲人权法院（ 法国Ｓ ｔ ｒ ａ ｓ ｂ ｏ ｕ ｒ ｇ市） 欧洲人权法院于１ ９ ９ ４年建于法国Ｓ ｔ ｒ ａ ｓ ｂ ｏ ｕ ｒ ｇ 市， 该结构的平面形状丰富， 好像带着“ 头” 和“ 尾 巴” ， 在建筑形式中体现了其功能［ １ ０］（ 图３） 。建筑物 端部的两个筒状结构墙面共使用了面积５０ ０ ０ｍ ２ 的不锈钢板（Ｅ Ｎ １ ０ ０ ８ ８１  ４ ４ ０ １级） ， 板厚２ｍｍ。 其他关于不锈钢应用在建筑物立面的实例， 如 马来西亚吉隆坡的石油双塔、 １ ９ ９ ２年西班牙世博会 的Ｂ ｒ ｉ ｔ ｉ ｓ ｈＰ ａ ｖ ｉ ｌ ｉ ｏ ｎ等。 ２  ２ 玻璃幕墙不锈钢支承体系 玻璃幕墙由于具有良好的建筑表现能力， 近年 来在大型公用建筑中获得了广泛的应用。其支承体 系多采用耐腐蚀性能好的不锈钢构件， 在法国的 Ｌ ｏ ｕ ｖ ｒ ｅＰ ｙ ｒ ａ ｍ ｉ ｄ中的应用堪称经典之作 ［１ １］， 为建 筑、 结构、 机械技术绝妙的结合（ 图４） 。 图４ Ｌ ｏ ｕ ｖ ｒ ｅＰ ｙ ｒ ａ ｍ ｉ ｄ的不锈钢支撑体系 清华大学游泳馆门厅采用了三维点支式玻璃幕 墙， 通过不锈钢连接件将三角形玻璃面板固定在不 锈钢拉杆组成的支承结构上（ 图５） 。其他工程， 如 联想融科园、 北京植物园展览温室、 新保利大厦等建 筑的玻璃幕墙中均有应用， 取得了较好的效果。 图５ 清华大学游泳馆 ２  ３ 不锈钢屋盖结构 不锈钢具有能经受环境的侵蚀和容易保养的特 点， 非常适用于作为建筑物的屋盖结构。在对不锈 钢进行表面处理以后， 可以获得很好的建筑效果。 １ ９ ８ ５年建于法国巴黎的Ｌ ａＧ ｅ ｏ ｄ ｅ超现代剧院 就是一个成功应用不锈钢的典范（ 图６） 。它坐落在 水池的中央， 有着镜面外观， 整体呈圆球状。剧院的 顶棚和内部结构都靠一根巨大的钢筋混凝土墩来支 承， 从墩上伸出悬臂以承担横向梁上的荷载。剧院 的外表采用１  ５ｍｍ厚， ２ｍ长的不锈钢板， 充分利 ３ 王元清， 等 不锈钢结构的应用和研究现状 钢结构 ２ ０ １ ０年第２期第２ ５卷总第１ ３ ０期 用其良好的耐腐蚀性和表面磨光后易于保养的特 点。 图６ 法国Ｌ ａＧ ｅ ｏ ｄ ｅ超现代剧院（ 巴黎） 英国伦敦Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ ４ ２于１ ９ ９ ７年建造了一个３层 楼高的入口馆（ 图７） 。该结构是不锈钢骨架和透明 玻璃面板的组合。墙面及屋顶的玻璃直接利用不锈 钢连接件固定在不锈钢檩条上， 整个结构通透性好， 具有建筑美感。 图７ 伦敦Ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ４ ２入口馆外观 图８ 伦敦Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｌ ｏ ｏ国际车站 采用不锈钢作屋面的另一典型是１ ９ ９ ２年在英国 伦敦建造的Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｌ ｏ ｏ国际车站（ 图８） 。这个４ ０ ０ｍ 长的结构顺着轨道建成了曲折的形状， 由一系列不 对称的三铰拱拼接而成。在综合考虑了车站耐久性 要求、 超过１ ２ ５年的设计使用期限以及乘客所带来 的巨大荷载等设计条件以后， 设计者在Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｌ ｏ ｏ国 际车站中广泛地采用了不锈钢材料来满足这些要 求。其中屋面采用０  ９ｍｍ厚的不锈钢板（ Ｅ Ｎ １ ０ ０ ８ ８， １  ４ ４ ０ １级） ， 天沟部分也采用了不锈钢材料， 屋面板 与支承 结 构 间的 连 接 也是采 用 不 锈 钢 铸 件 来 实 现的。 国内不锈钢屋盖结构采用较多的是网架结构形 式。天津港四号卡子门采用不锈钢空间网架结构， 结构新颖， 造型美观， 具有明显的经济效益［ １ ２］。其 他建筑， 如太原理工大学入口、 济宁市政协礼堂、 海 口大会堂门厅和大连理工大学门厅等都成功地采用 了不锈钢网架结构。在广州国际会议展览中心的屋 盖结构中， 不锈钢屋面板得到了成功的应用， 总面积 超过８ ００ ０ ０ｍ ２。 ２  ４ 不锈钢桥梁 在桥梁建设中引入不锈钢材料是考虑到不锈钢 具有良好的耐久性、 造型美观， 建成后不锈钢所需的 维护费用低的优点， 近年来已有不少实例。 ２ ０ ０ ４年４月开工的香港Ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ大桥全长 １５ ９ ６ｍ， 是一座双程三线高架斜拉桥（ 图９） 。大桥 主跨度１０ １ ８ｍ， 航道净宽９ ０ ０ｍ， 大桥于２ ０ ０ ９年年 底竣工后将是世界上最长的斜拉桥之一［ １ ３］。在大 桥桥塔的上部１ ７ ５～２ ９ ０ｍ采用不锈钢外壳， 内浇 混凝土， 每一桥塔不锈钢用量达到８ ０ ０ｔ（Ｅ Ｎ １ ０ ０ ８ ８， １  ４ ４ ６ ２级） 。 图９ 建设中的香港Ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ大桥 其他的桥， 如英国Ｙ ｏ ｒ ｋ市的Ｍ ｉ ｌ ｌ ｅ ｎ ｎ ｉ ｕ ｍ人行 桥（ 图１ ０） 采用了１  ４ ４ ６ ２级（Ｅ Ｎ １ ０ ０ ８ ８） 不锈钢，Ｈ ｏ  ｌ ｙ ｈ ｅ ａ ｄ市的Ｃ ｅ ｌ ｔ ｉ ｃＧ ａ ｔ ｅ ｗ ａ ｙ人行桥（ 图１ １） 采用了 ４ 科研开发 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌＣ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ １ ０（２） ，Ｖ ｏ ｌ  ２ ５，Ｎ ｏ  １ ３ ０ １  ４ ３ ６ ２级不锈钢等， 都取得了良好的效果。 图１ ０ 英国Ｙ ｏ ｒ ｋ市Ｍ ｉ ｌ ｌ ｅ ｎ ｎ ｉ ｕ ｍ人行桥 图１ １ 英国Ｈ ｏ ｌ ｙ ｈ ｅ ａ ｄ市Ｃ ｅ ｌ ｔ ｉ ｃＧ ａ ｔ ｅ ｗ ａ ｙ人行桥 ２  ５ 不锈钢筋混凝土 在现代城市的发展建设中， 钢筋混凝土结构所 起的巨大作用不容忽视。随着结构使用年限的延 长， 钢筋的混凝土保护层的碳化， 钢筋的锈蚀问题逐 渐突出， 限制了整个结构的使用寿命。将耐腐蚀的 不锈钢筋取代普通的碳素钢筋， 可以大大延长钢筋 混凝土在腐蚀环境中的使用寿命， 减少检测和维护 费用。不锈钢筋混凝土已经在公路桥、 停车场、 海岸 设施及其他结构中取得了应用。除了增强耐腐蚀性 能外， 奥氏体型不锈钢筋适用于无磁环境， 可以应用 于军事、 医学和科学研究等特殊领域。 墨西哥Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｏＰ ｉ ｅ ｒ建于２ ０世纪４ ０年代， 使 用了２ ０ ０ｔ不锈钢筋， 至今尚未显示出锈蚀现象， 充 分体现出了良好的耐腐蚀性和耐久性［ ２］。不锈钢筋 在城市的基础设施建设中也有应用， 如美国的新泽 西州的一座过街天桥采用了不锈钢筋混凝土结构， 与普通的碳素钢筋相比， 采用不锈钢筋前期成本较 高， 但综合考虑其使用寿命和生命周期成本， 不锈钢 筋的经济性仍然具有优势［ １ ４］。 ３ 国内外不锈钢相关规范 国外关于不锈钢的研究开展较早， 欧洲、 美国和 日本等国已制订了不锈钢材料和结构设计规范。设 计规范的逐渐完善与相应研究的开展促进了不锈钢 在建筑结构中的应用。 美国第一本关于不锈钢结构构件设计的规范由 Ａ Ｉ Ｓ Ｉ在１ ９ ６ ８年出版 ［１ ５］。Ａ Ｉ Ｓ Ｉ经过广泛的研究， 加 深了对不锈钢结构的理解， 结合新的试验结果［ １ ６］， 在１ ９ ７ ４年对规范进行了修订［ １ ７］。美国土木工程师 协会（Ａ Ｓ Ｃ Ｅ） 于１ ９ ９ １年和２ ０ ０ ２年对规范进行了扩 展和更新［ １ ８］， 取代了 Ａ Ｉ Ｓ Ｉ标准。澳大利亚、 新西兰 和南非基于美国规范制订了大体相同的不锈钢结构 设计规范［ １ ９２ ０］。 １ ９ ９ ５年日本不锈钢建筑协会出版了不锈钢建 筑设计与建造标准［ ２ １］。该标准基于极限状态设计， 即考虑了正常使用极限状态和承载力极限状态， 包 括构件截面设计、 抗震设计和不锈钢构件的加工［ ２ ２］ 等规定。 欧洲钢结构学会（Ｓ Ｃ Ｉ） 在１ ９ ８ ９－１ ９ ９ ２年间对 不锈钢在建筑结构中应用进行了研究， 研究涉及到 材料选择范围、 构件加工和维护保养。研究结果包 括材料力学性能、 构件和节点试验、 数据分析以及设 计建议、 应用范例等， 由欧洲不锈钢协会（Ｅ ｕ ｒ ｏＩ ｎ  ｏ ｘ） 在１ ９ ９ ４年出版为不锈钢结构设计手册， 并分别 于２ ０ ０ ２年和２ ０ ０ ６年修订成第二版和第三版［ ２ ３］。 随后欧洲标准规范草案１  ４节（Ｅ ＮＶ１ ９ ９ ３－１－４） 主要根据这个设计手册提出了不锈钢结构的设计准 则， 并于１ ９ ９ ６年出版［ ２ ４］， 这个部分作为钢结构设计 规范 欧洲规范３的１  ４节（ 包括不锈钢的补充 设计规定） 。在２ ０ ０ ６年， Ｅ Ｎ１ ９ ９ ３ －１－４作为正式的 欧洲规范出版［ ２ ５］， 其主要内容与不锈钢结构设计手 册的修订保持一致， 二者的区别在于Ｅ Ｎ１ ９ ９ ３－１－４ 关于防火设计的规定比设计手册上偏于安全和保守。 国内近年来随着不锈钢产量的增加， 关于不锈 钢材料的规范也在不断地更新和修订， 以满足日益 发展的需要。从２ １世纪初开始， 对以往规范进行了 更新和修订， 发布了一系列关于不锈钢的国家标准， 列于表３中。 表３ 国内不锈钢相关规范 国家标准内容 Ｇ Ｂ／Ｔ２ ０ ８ ７ ８－２ ０ ０ ７ 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分 Ｇ Ｂ／Ｔ４ ２ ３ ７－２ ０ ０ ７ 不锈钢热轧钢板和钢带 Ｇ Ｂ／Ｔ３ ２ ８ ０－２ ０ ０ ７ 不锈钢冷轧钢板和钢带 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ２ ２ ０－２ ０ ０ ７ 不锈钢棒 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ８ ７ ０ ４－２ ０ ０ ８ 结构用不锈钢复合管 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ４ ９ ７ ５－２ ０ ０ ２ 结构用不锈钢无缝钢管 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ２ ７ ７ ０－２ ０ ０ ２ 机械结构用不锈钢焊接钢管 Ｇ Ｂ／Ｔ９ ９ ４ ４－２ ０ ０ ２ 不锈钢丝绳 Ｇ Ｂ／Ｔ３ ０ ９ ８  ６－２ ０ ０ ０紧固件机械性能、 不锈钢螺栓、 螺钉和螺柱 Ｇ Ｂ／Ｔ４ ２ ４ ０－９ ３ 不锈钢丝 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ７ ８ ５ ３－１ ９ ９ ９ 不锈钢药芯焊丝 Ｇ Ｂ／Ｔ１ ７ ８ ５ ４－１ ９ ９ ９ 埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂 Ｇ Ｂ／Ｔ９ ８ ３－１ ９ ９ ５ 不锈钢焊条 ５ 王元清， 等 不锈钢结构的应用和研究现状 钢结构 ２ ０ １ ０年第２期第２ ５卷总第１ ３ ０期 从表３可以看出， 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。这与我国的不锈 钢产量居世界第一是极不相称的， 也非常不利于不 锈钢在建筑结构中的应用， 难以促进不锈钢产业的 发展。对于结构工程师而言， 设计不锈钢结构缺乏 相关的指导， 限制了设计材料的选择。经由中国工 程建设标准化协会批准， 不锈钢结构技术规程 的 编制工作正在进行之中。 ４ 不锈钢结构设计方法 ４  １ 材料本构关系 碳素钢的应力应变曲线上存在明显的屈服 点， 经屈服平台之后是轻微的应变硬化。而不锈钢 材料的应力应变曲线上没有明显的屈服点， 通常 采用的方式是在曲线上取塑性应变为０  ２％时对应 的应力作为材料屈服强度； 具有相当大的应变硬化， 表现出高延展性。对于普通的奥氏体型不锈钢， 断 裂时的应变可以达到４ ０％～６ ０％， 而碳素钢只有 ２ ０％～３ ０％。 不锈钢材料拉伸和压缩时的应力应变曲线不 对称， 存在各向异性［ ２ ６］， 这些特性随着冷加工工序 的进行而更加明显。大多数的结构设计规范同时提 供了不锈钢纵向和横向的力学性能， 这样也使设计 中能够考虑各向异性和非对称的影响。然而数值分 析显示， 普通结构构件（ 如受压板件） 对于材料的各 向异性不敏感［ ２ ７］。因此在复杂的荷载工况下， 出于 保守和简单考虑， 可以采用纵横向材料力学性能参 数中的较小值。 无论是设计还是计算分析， 碳素钢材料可以采 用简单的双线性（ 弹性理想塑性） 模型。然而， 对 于非线性材料不锈钢而言， 如果同样采用双线性模 型， 将导致不锈钢结构在承载力极限状态下的设计 过于保守， 在正常使用极限状态下挠度计算偏小， 设 计偏于不安全。 非线性材料应用最多的连续本构关系模型是 Ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ  Ｏ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ表达式， 最初由Ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ和Ｏ ｓ  ｇ ｏ ｏ ｄ两人提出［ ２ ８］， 由 Ｈ ｉ ｌ ｌ对表达式进行了修正 ［２ ９］， 如式（ １） 所示 ε＝ σ Ｅ０ ＋０  ０ ０ ２ σ σ（）０  ２ ｎ （ １） 式中 Ｅ０为弹性模量；σ０  ２为材料的屈服强度；ｎ为应 变硬化指数（ 材料系数） ， ｎ＝ ｌ ｎ ２ ０／ｌ ｎσ ０  ２ σ０  ０ １， 对于不锈 钢材料， ｎ＝３～１ ０。 Ｒ ａ ｓ ｍ ｕ ｓ ｓ ｅ ｎ将Ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ  Ｏ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ表达式与不锈 钢材料经试验测量的应力应变曲线进行对比发 现， 当应变值较大（ 约０  ５％） 时， 二者的偏差就比较 明显［ ３ ０］。Ｍ ｉ ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｌ ｌ和 Ｒ ｅ ａ ｌ ［３ １］， Ｒ ａ ｓ ｍ ｕ ｓ ｓ ｅ ｎ ［３ ０］提出 对基本Ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ  Ｏ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ表达式进行适当的修正， 用一个两段模型来替代 在应力σ达到屈服强度σ ０  ２ 之前， 可以直接采用式（ １） 中表达式； 当应力超过屈 服强度σ ０  ２， 达 到 极 限 强 度σｕ 之 前， 采 用 第 二 条 Ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｒ ｇ  Ｏ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ曲 线。第 二 条 曲 线 以 屈 服 强 度 σ０  ２为起点， 并保证曲线在这个转折点的斜率连续。 其应力应变曲线可以表示为 ε＝ σ Ｅ０ ＋０  ０ ０ ２ σ σ（）０  ２ ｎ σ≤σ０  ２ （ σ－σ０  ２） Ｅ０  ２ ＋εｕ σ－σ０  ２ σｕ－σ（）０  ２ ｍ ＋ε０  ２ σ＞σ 烅 烄 烆 ０  ２ （ ２） 其中 Ｅ０  ２＝ Ｅ０ １＋０  ０ ０ ２ｎ Ｅ０／σ０  ２ ｍ＝１＋３  ５σ０  ２／σｕ Ｇ ａ ｒ ｄ ｎ ｅ ｒ和Ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｃ ｏ ｔ ［３ ２３ ３］指出上述改进建议 的第二条曲线中由于采用了ε ｕ和σｕ， 无法在材料受 压时使用， 而且如果应变较小时材料力学性能测量 值和模型偏差较大。建议通过引入１％的弹性极限 应力σ １  ０（ 残余应变为０  ０ １时对应的应力） 取代， 这 样就得到了当σ≥σ ０  ２时的表达式， 如式（３） 所示。 式（ １） 适用于σ ＜σ０  ２时的情况。 ε＝ （ σ－σ０  ２） Ｅ０  ２ ＋ ０  ０ ０ ８－σ １  ０－σ０  ２ Ｅ（） ０  ２ σ－σ０  ２ σ１  ０－σ（）０  ２ ｎ ′０  ２， １  ０ ＋εｔ ０  ２ （ ３） 式中ｎ ′ ０  ２，１  ０为应变硬化系数， 代表一条经过σ０  ２和 σ１  ０的曲线；Ｅ０  ２为在０  ２％弹性极限应力（ 屈服强 度） 处的切线模量； εｔ ０  ２为在０  ２％弹性极限应力处 的总应变。 不锈钢材料无论是受拉还是受压， 由式（ ３） 所绘 制的曲线在应变达到约０  １以前与试验应力应变 数据吻合良好， 因此适合用于设计和数值建模。当 应变值更大时，Ｍ ｉ ｒ ａ ｍ ｂ ｅ ｌ ｌ和Ｒ ｅ ａ ｌ的原建议［ ３ １］更加 符合试验的实际情况。 Ｑ ｕ ａ ｃ ｈ、Ｔ ｅ ｎ ｇ和Ｃ ｈ ｕ ｎ ｇ ［３ ４］针对上述的两阶段本 构关系进行了分析， 指出在不锈钢材料大应变条件 下， 随着应变的增大， 试验曲线和数值模拟的曲线偏 差逐渐加大。他们提出了一个三阶段的本构关系模 型， 在式（ ３） 的基础上进行改进 第一段到σ０  ２， 第二 ６ 科研开发 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌＣ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ １ ０（２） ，Ｖ ｏ ｌ  ２ ５，Ｎ ｏ  １ ３ ０ 段从σ ０  ２到σ２  ０， 第三段即为大于σ２  ０。主要增加了 第三段的表达式， 引入了σ ２  ０这个点和其余必要的 参数对曲线进行更为精确的模拟。这个三阶段模型 适用于受拉和受压的全过程， 与试验数据的比较表 明其具有更好的精度。 ４  ２ 截面设计 欧洲规范中不锈钢截面设计沿用钢结构规范 Ｅ Ｎ１ ９ ９ ３－１－１ ［３ ５］对截面进行分类的方法， 为了区 分局部屈曲对截面的抗力和转动能力的影响程度， 根据截面受压时的宽厚比将截面分成四类。 １） 第１类截面 具有形成塑性铰的转动变形能 力， 能够在不降低抗力的前提下进行塑性分析。 ２） 第２类截面 可以承受塑性屈服弯矩， 但由于 局部屈曲限制了转动变形能力。 ３） 第３类截面 最大受压边缘应力可以呈现弹 性分布， 最终达到屈服强度， 但由于局部屈曲， 截面 无法承受极限屈服弯矩。 ４） 第４类截面 局部屈曲会在截面达到屈服强 度之前发生。 考虑到不锈钢应力应变曲线的特性，Ｇ ａ ｒ ｄ ｅ ｎ  ｅ ｒ等人根据相关研究提出了截面连续分类系统（ 取 代目前常用的分离分类系统） ， 以提供更为合理和有 效的截面设计［ ３ ２，３ ６］。截面的变形能力用一个连续 的无量纲数值来衡量， 变形能力取决于板件各自的 宽厚比以及截面各组成板件之间的相互作用。而且 该设计方法采用了上述的较为精确的材料模型， 综 合考虑了各个因素之后的设计， 能在现有的设计方 法基础上将强度提高约２ ０％。 ４  ３ 受弯构件 不锈钢梁的设计公式主要还是参照钢结构中梁 的设计公式， 在局部存在修改。关于不锈钢梁的强 度设计公式在欧洲规范Ｅ Ｎ１ ９ ９ ３－１－４ ［２ ５］中没有 提出更改和替换， 则沿用Ｅ Ｎ１ ９ ９ ３－１－１ ［３ ５］中碳素 钢梁的强度设计公式， 按照截面分类取不同的截面 模量， 如式（ ４）－式（６） 所示 第１、 第２类截面 ＭＥ ｄ≤Ｍｃ，Ｒ ｄ＝Ｍ ｐ ｌ ，Ｒ ｄ＝ Ｗ ｐ ｌ ｆｙ γＭ ０ （ ４） 第３类截面 ＭＥ ｄ≤Ｍｃ，Ｒ ｄ＝Ｍｅ ｌ，Ｒ ｄ＝ Ｗｅ ｌ，ｍ ｉ ｎｆｙ γＭ ０ （ ５） 第４类截面 ＭＥ ｄ≤Ｍｃ，Ｒ ｄ＝ Ｗｅ ｆ ｆ，ｍ ｉ ｎｆｙ γＭ ０ （ ６） 式中ＭＥ ｄ为截面设计弯矩；Ｍｃ， Ｒ ｄ为截面弯矩抗力， 要考 虑 截 面 开 孔 的 影 响；Ｗ ｐ ｌ 为 塑 性 截 面 模 量； Ｗｅ ｌ，ｍ ｉ ｎ为对应于最大弹性应力的弹性截面模量最小 值； Ｗｅ ｆ ｆ，ｍ ｉ ｎ为对应于最大弹性应力的有效截面模量 最小值； γＭ ０为截面局部屈曲的抗力分项系数，γＭ ０＝ １  １。 不锈钢梁在受到绕主轴的弯矩Ｍｘ时， 考虑到 梁的侧向扭转稳定性， 两个侧向约束之间的梁段必 须满足 Ｍｘ≤Ｍｂ／ｍＬ Ｔ且Ｍｘ≤Ｍｃ，Ｒ ｄ （ ７） 式中ｍＬ Ｔ为等价均布弯矩系数；Ｍｂ为截面的屈服 抵抗矩 Ｍｂ＝χＬ ＴβｗＷｘｆｙ≤Ｍｃｘ （ ８） 式中 βｗ 为弯矩作用下的抗力系数； χＬ Ｔ为梁考虑侧 向扭转的折减系数。 折减系数χＬ Ｔ取决于梁截面类型和无量纲长细 比珔 λＬ Ｔ， 可以用式（９） 表示 χＬ Ｔ＝ １ Ｌ Ｔ＋ ２ Ｌ Ｔ－λ ２ 槡 Ｌ Ｔ ≤１ （ ９） 其中 Ｌ Ｔ＝０  ５［１＋αＬ Ｔ（λＬ Ｔ－０  ４）＋λ ２ Ｌ Ｔ］ ≤１ （ １ ０） λＬ Ｔ＝ Ｗｙｆｙ Ｍ槡ｃ ｒ （ １ １） 式中Ｍｃ ｒ为梁的侧向扭转屈曲的弹性极限弯矩； αＬ Ｔ 为缺陷系数， 对于冷加工成型截面和空心截面（ 焊接 的和无缝的） ， αＬ Ｔ＝０  ３ ４， 对于焊接开口截面和其他 缺少试验数据的截面， αＬ Ｔ＝０  ７ ６。 当不锈钢梁存在以下情况时， 可以忽略侧向扭 转屈曲效应 １） 只在绕弱轴方向存在弯矩； ２） 梁截面为环形和方形空心、 方形实心截面的 情况； ３） 在梁的全长受到充分的侧向约束； ４） 侧向长细比系数λＬ Ｔ≤０  ４或 ＭＥ ｄ Ｍｃ ｒ ≤１  ６的 情况。 ４  ４ 轴心受压构件 对于轴心受压构件而言， 截面比较容易出现三 种屈曲模态 绕强轴或弱轴的弯曲屈曲； 绕构件纵轴 的扭转屈曲； 弯扭屈曲。具体某一构件的屈曲模态 取决于截面尺寸、 对称性以及构件在各轴线上的有 效长度。 构件截面承压抗力Ｐｃ可以表示为 Ｐｃ＝χ βｃＡｇｆｙ （ １ ２） ７ 王元清， 等 不锈钢结构的应用和研究现状 钢结构 ２ ０ １ ０年第２期第２ ５卷总第１ ３ ０期 式中 β ｃ为轴心压力作用下的抗力系数；Ａｇ为毛截 面面积； χ为受压构件中考虑屈曲的折减系数。 折减系数χ取决于无量纲长细比λ、截面加工 方式（ 焊接或者冷加工） 、 屈曲模态， 可以由式（ １ ３） 得 到 χ＝ １ ＋ ２ －λ槡 ２ ≤１ （ １ ３） 其中 ＝０  ５［１＋α（λ－λ０）＋λ ２］ ≤１ （ １ ４） 第１－第３类截面 λ＝ Ａｇｆｙ Ｎ槡ｃ ｒ （ １ ５） 第４类截面