談建筑結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能

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摘要：高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的力學(xué)性能，決定了建筑結(jié)構(gòu)的性能，有效使用鋼結(jié)構(gòu)的性能和發(fā)揮作用，能夠促進(jìn)建筑的經(jīng)濟(jì)效益。目前人們對(duì)建筑的性能要求相比以往提出了更高的要求，所以必須要確保鋼材具有足夠的性能，以及通過了解鋼材的性能特征，在設(shè)計(jì)中發(fā)揮鋼材的性能優(yōu)勢(shì)。由于鋼材的生產(chǎn)工藝提高，在要求未變的情況下，對(duì)鋼材的使用有了很大的限制，未能充分發(fā)揮鋼材的性能和作用。對(duì)鋼材的力學(xué)性能研究，分析鋼材的力學(xué)性能與鋼結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，當(dāng)前對(duì)鋼材要求上的限制及優(yōu)化鋼材的使用。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；高強(qiáng)度鋼材；力學(xué)性能；研究；展望

高強(qiáng)度鋼材是在微合金化和熱機(jī)械軋制技術(shù)下生產(chǎn)的具有剛強(qiáng)度的鋼材，這類鋼材的延展性很強(qiáng)、韌性極高，在建筑中有十分重要的作用。隨著目前鋼結(jié)構(gòu)性能的提升，能夠有效提升建筑物的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。不僅能夠保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性，而且能夠保證更大的使用空間，通過充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的全部性能，能夠提升建筑物的工程成本，降低建筑物的能耗，從而降低工程建設(shè)所需要的碳排放。我國(guó)目前在很多工程中都使用了高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，雖然積累了大量的使用經(jīng)驗(yàn)，但是由于鋼材性能得變化，在力學(xué)性能和受力性能上也和過去有了很大的區(qū)別。所以，需要對(duì)鋼材的使用進(jìn)行進(jìn)一步的完善，充分發(fā)揮鋼材的作用。

1高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材加工生產(chǎn)的方法

目前主要有兩種方式來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度，一種是通過香氣中加入碳、錳等元素改善合金成分，雖然能很容易提升剛才的強(qiáng)度，但也會(huì)導(dǎo)致鋼材的加工性能降低，尤其是鋼材的可焊性。其次是熱處理技術(shù)，通過熱處理能夠改善鋼材的微觀機(jī)構(gòu)，比如改變晶粒大小從而改善鋼材的性能，熱處理的有點(diǎn)在于通過將鋼材加工成細(xì)晶粒的結(jié)構(gòu)，能夠讓剛才的強(qiáng)度更高，有更強(qiáng)的韌性，同時(shí)在其他的性能上也沒有太多改變。新型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材主要使用合金和細(xì)化晶粒共同處理的方式。鋼材生產(chǎn)經(jīng)過了正火軋制、淬火回火、熱機(jī)械軋制的三個(gè)主要階段，軋制工藝和熱處理工藝有了很大的轉(zhuǎn)變。

1.1正火軋制。

在軋制的過程中，使用正火進(jìn)行熱處理，就是正火軋制的工藝。使用該方法能轉(zhuǎn)變鐵素體-珠光體的結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)化為奧氏體，之后再控制溫度，進(jìn)行緩慢的冷卻，就能夠變成非常精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。淬火和回火加工主要是用在20世紀(jì)60年代的鋼材生產(chǎn)中，通過先軋制、加熱，然后在水中迅速冷卻，最后在比晶體形成溫度低的情況下進(jìn)行回火，最后獲得鋼材。

1.2淬火和回火。

淬火和回火工藝下，獲得的鋼材能夠具備很大的韌性，而煉鋼的過程中通過加入一定的微量元素，也能夠有效改善鋼材的強(qiáng)度和韌性，保證鋼材的性能。

1.3熱機(jī)械軋制。

熱機(jī)械軋制的過程中，會(huì)將形變溫度控制在一定的溫度范圍內(nèi)，這樣所獲得的機(jī)械性能是單獨(dú)依靠熱處理所不能獲得的，通過是熱機(jī)械軋制，能夠讓剛才的強(qiáng)度和韌性都非常高，微量元素也能合金化，這樣就能夠保證材料的焊接性能。在鋼材的冶煉過程中，使用熱機(jī)械軋制能夠讓鋼材在微觀上能形成精細(xì)的鐵素體和珠光體，這樣的鋼材具有很強(qiáng)的韌性和焊接性能。

2建筑結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能要求

2.1靜力拉伸力學(xué)性能。

根據(jù)目前的研究結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著鋼材的強(qiáng)度和等級(jí)提升，鋼材的屈強(qiáng)比會(huì)不斷增大，在強(qiáng)度高于690MPa后，鋼材的屈強(qiáng)比會(huì)穩(wěn)定在0.9~0.95的范圍內(nèi)。鋼材的延展性會(huì)隨著強(qiáng)度的提高而不斷降低，但是高強(qiáng)度鋼材的韌性卻并不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度的提高而降低。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外各種不同的鋼材標(biāo)準(zhǔn)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)材料力學(xué)性能指標(biāo)的要求規(guī)定，鋼材的屈強(qiáng)比限值一般在0.8~0.85之間，歐洲對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，規(guī)定高強(qiáng)度鋼材的最大屈強(qiáng)比可以達(dá)到0.95，鋼材的斷后伸長(zhǎng)率需要控制在15%~20%之間。國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度干剛才的屈強(qiáng)比一般控制在0.78左右，斷后伸長(zhǎng)率一般控制在25%左右，甚至可能要更高，以滿足相關(guān)規(guī)范限值的要求。但是對(duì)于強(qiáng)度超過了690MPa的高強(qiáng)度鋼材，限值反而會(huì)限制鋼材的應(yīng)用，所以需要進(jìn)一步研究是新材料降低構(gòu)件所受到的力學(xué)性能的影響，并且對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)方法做好規(guī)定。

2.2低溫力學(xué)性能。

根據(jù)對(duì)14毫米厚的鋼材板進(jìn)行研究，獲得了其低溫拉伸性能。結(jié)合在-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃下的實(shí)驗(yàn)，分析了不同溫度先的強(qiáng)度、延性等指標(biāo)，以及斷口的微觀形貌。研究的結(jié)果證明，在溫度不斷下降的情況下，鋼材的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度是和屈強(qiáng)比都在提升，斷后伸長(zhǎng)率和截面收縮率也會(huì)明顯降低，導(dǎo)致延性變差。在-40℃的情況下，試件的斷口處有韌性向脆性過度的情況，而在-60℃，能夠觀察到很明顯的脆性斷裂特征，延長(zhǎng)后的伸長(zhǎng)率可以達(dá)到21.5%，依然能夠滿足規(guī)范的要求。在低溫?cái)嗔秧g性的研究上，研究包括了裂紋尖端張開位移和斷口的圍觀形貌，根據(jù)的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，裂紋尖端張開位移隨著溫度的降低會(huì)明顯減小，其他強(qiáng)度的鋼材實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼材的斷裂是韌性比較差。而在不高于-40℃的條件下，斷口會(huì)呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂情況。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合分析，獲得了變化的規(guī)律，證明在溫度低于-40.7℃是，鋼材很容易從韌性轉(zhuǎn)向脆性斷裂。同時(shí)，根據(jù)使用ANSYS分析的結(jié)果，獲得了尖端張開位移值得特點(diǎn)，對(duì)于板厚比較小得事件，該值沿著厚度方向的變化比較小，對(duì)等效應(yīng)力的分布的研究證明，裂紋尖端在一定范圍內(nèi)都能夠出現(xiàn)危險(xiǎn)截面。

2.3疲勞性能。

國(guó)外針對(duì)高強(qiáng)度鋼材的疲勞性能研究比較多，研究的重點(diǎn)主要集中在裂紋的擴(kuò)展和鋼材強(qiáng)度等級(jí)、板件的厚度、焊接技術(shù)、焊接后的處理方法等因素對(duì)于疲勞的影響。對(duì)于建筑物使用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材，根據(jù)清華大學(xué)對(duì)國(guó)產(chǎn)的Q460C和Q460D的研究，表明Q460鋼材的疲勞性能優(yōu)良，能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)性和的S-N計(jì)算曲線，也能夠指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)工作，表明該剛才能夠滿足我國(guó)對(duì)應(yīng)力的要求。

2.4循環(huán)荷載下的材料力學(xué)性能。

通過對(duì)高強(qiáng)度鋼材在不同循環(huán)加載制度下的力學(xué)性能研究，是發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)Q460鋼材的耗能能力和抗震能力比較高，斷口處全部為延性斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和有限元溫習(xí)數(shù)值計(jì)算，國(guó)產(chǎn)Q460鋼在循環(huán)應(yīng)變曲線下也有乙烯常見現(xiàn)象，比如循環(huán)硬化和軟化等等，尤其是鋼材的循環(huán)櫻花情況是顯著提升的，所以說明Q460鋼材的滯回耗能的能力要比普通的鋼材更高。

3高強(qiáng)度鋼材受壓件的研究

3.1整體穩(wěn)定性研究。

國(guó)外對(duì)高強(qiáng)度鋼材受壓件整體穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)比較少，根據(jù)對(duì)不同研究的總結(jié)，結(jié)合我國(guó)規(guī)范證明高強(qiáng)度鋼材受壓鋼柱的整體穩(wěn)定性系數(shù)明顯提升，而我國(guó)目前的設(shè)計(jì)曲線還相對(duì)保守，并沒有將剛才的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。通過對(duì)端部帶約束的焊接工字型剛截面受壓柱繞強(qiáng)軸試問進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，使用屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為690MPa和960MPa的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)分析表明，構(gòu)件的整體穩(wěn)定性系數(shù)提高，所以相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線也應(yīng)該提高。在國(guó)內(nèi)的研究中，對(duì)高強(qiáng)度軸壓構(gòu)件進(jìn)行了整體穩(wěn)定性的分析，包括工字型截面繞強(qiáng)軸、弱軸和焊接箱型截面這三類。通過對(duì)960MPa的鋼材軸壓構(gòu)件進(jìn)行探索性的研究，以及進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)于工字型和焊接箱型截面軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)，提出了柱子的曲面類型建議。

3.2局部穩(wěn)定性能研究。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)有少量針對(duì)高強(qiáng)度鋼材焊接截面短柱的局部性能研究，研究表明目前的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中心軸受壓構(gòu)件箱型截面構(gòu)件和工字型鋼的寬厚比限值，也適合目前的高強(qiáng)度鋼柱。根據(jù)對(duì)焊接箱型和工字型截面進(jìn)行深入的局部穩(wěn)定分析實(shí)驗(yàn)，表明目前的當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外規(guī)范的局部屈曲應(yīng)力計(jì)算公式和屈曲后極限應(yīng)力計(jì)算公式需要進(jìn)行修正。通過對(duì)高強(qiáng)度熱軋等變焦短鋼柱進(jìn)行軸壓局部穩(wěn)定性研究，以及數(shù)值的分析結(jié)果和規(guī)范的設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行對(duì)比，表明構(gòu)件的兩肢板的鑲固系數(shù)可以取1.0。通過對(duì)鋼材性能的分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)使用的發(fā)展受到了一定的制約，無(wú)論是靜拉伸力學(xué)性能、低溫力學(xué)性能等幾種不同的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國(guó)家對(duì)于建筑高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)使用并沒有充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的性能，對(duì)數(shù)值和曲線還需要進(jìn)行修正。所以，還需要對(duì)鋼材的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析，了解高強(qiáng)度鋼的特點(diǎn)，改善使用方法，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的性能，提升建筑的效益。

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作者：劉蕾 單位：營(yíng)口理工學(xué)院