不锈钢结构设计的研究进展

目前的结构设计过程中，能够提供给设计人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人员无从选择。他们最常提到的问题是”我该用哪个钢种？”这些材料的机械性能数据与碳钢的不同，使设计人员面临的问题更多。要帮助设计人员利用不锈钢，要采取哪些措施呢？

从近年来不锈钢结构设计NiDI指南中，在欧美的一些研究成果罗列如下：

一、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年出版的手册是许多年来结构设计人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。这一标准已经被过去几年中起草的绝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。因为这两份文献都是现行的，采用哪种方法取决于设计人员。新的设计指南中的附件E只是简要地介绍了许用应力设计方法。
这些结构设计涉及到的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。

二、英国的研究成果

NiDI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。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，因为目前可使用的碳结钢总共只有三种。使用L编号是因为这些低碳钢种能够焊接，不会出现与晶间腐蚀有关的问题。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。

其中，位于伦敦的CONNON街的BUSH LANE大厦是一个将双相不锈钢用作结构件的好例子。该大厦，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％。

那么问题来了。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因为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认为是当量值。

2.应力／应变曲线形状不同，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，不过如果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提高安全系数。

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最终用途，因为在许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％，设计人员应将这一强度系数考虑在内。