不銹鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能研究進(jìn)展

吳邊

摘 要：作為一種理想的建筑材料，不銹鋼能夠從根本上解決鋼結(jié)構(gòu)工程的防銹和后期維護(hù)等問題，具備巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景，近年來(lái)已經(jīng)成功運(yùn)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域。不銹鋼材料典型的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)冷作硬化效應(yīng)會(huì)對(duì)不銹鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生明顯影響，這也是不銹鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著區(qū)別，有必要加以深入研究。本文圍繞不銹鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能這一主題，一方面介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已有研究的不足之處，例如國(guó)產(chǎn)不銹鋼管、輥彎成型不銹鋼管試驗(yàn)研究較少等;另一方面對(duì)構(gòu)件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法等重要問題的研究進(jìn)展加以詳細(xì)介紹，最后對(duì)增材制造技術(shù)帶來(lái)的新問題新挑戰(zhàn)加以簡(jiǎn)介。

關(guān)鍵詞：研究進(jìn)展;不銹鋼結(jié)構(gòu);冷加工強(qiáng)化;殘余應(yīng)力模型;增材制造

相比于鋼結(jié)構(gòu)工程中廣泛使用的碳素鋼和低合金鋼材料，不銹鋼材料具有優(yōu)秀的耐腐蝕性和耐久性，能夠從根本上解決鋼結(jié)構(gòu)工程的防銹和后期維護(hù)問題;同時(shí)，不銹鋼材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐高溫性能和低溫韌性，近年來(lái)已經(jīng)成功運(yùn)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域。

不銹鋼材料除了具備優(yōu)秀的耐腐蝕性和耐久性外，還具備明顯的塑性和韌性，表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性變形能力。不銹鋼材料在低周循環(huán)荷載下的循環(huán)強(qiáng)化現(xiàn)象明顯，具有比低碳鋼更好的耗能能力，其抗震耗能性能良好。不銹鋼材料在冷加工過程中的強(qiáng)冷作硬化效應(yīng)可以明顯提高材料強(qiáng)度，其對(duì)不銹鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能影響是不銹鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著區(qū)別。作為典型的非線性金屬結(jié)構(gòu)材料，不銹鋼材料的變形模量和構(gòu)件的整體剛度會(huì)逐漸降低，構(gòu)件的屈曲臨界荷載會(huì)隨之減小，催生了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定問題;而且，由于不銹鋼結(jié)構(gòu)的初期成本較高，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性提出了更高的要求，以提高截面的強(qiáng)度利用效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載一般由穩(wěn)定承載力控制，需要深入研究不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能和受力特性，從而得出具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和建議。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼管構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能開展了較多研究，以下將從不銹鋼材料的力學(xué)性能，不銹鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性，增材制造不銹鋼構(gòu)件三個(gè)方面對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀和未來(lái)的研究熱點(diǎn)加以簡(jiǎn)要總結(jié)。

1 不銹鋼材料的力學(xué)性能

結(jié)構(gòu)工程中常用的奧氏體、鐵素體和雙相型不銹鋼材料均表現(xiàn)出明顯的彈塑性特征，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線連續(xù)光滑，不存在直觀的屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，與低碳鋼差異較大。不銹鋼材料大都具有可觀的應(yīng)變硬化能力，按照名義屈服點(diǎn)（）計(jì)算的強(qiáng)屈比大，延性很好。當(dāng)前各國(guó)規(guī)范普遍采用的不銹鋼材料本構(gòu)模型為兩階段模型，第一階段（）采用Hill[1]修正后的Ramberg-Osgood公式（式1），第二階段（）一般采用Mirambell 和 Real提出[2]，Rasmussen[3]簡(jiǎn)化后的公式（式2）。同時(shí)，應(yīng)用較多的還有W.M. Quach等提出的三階段模型[4]，朱浩川等[5]的研究驗(yàn)證了該三段模型的廣泛適用性。

（1）

（2）

兩階段模型需要確定應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n和m和極限抗拉強(qiáng)度，不同的材料種類，不同的生產(chǎn)加工方式上述參數(shù)都會(huì)有所區(qū)別，多數(shù)研究主要集中在準(zhǔn)確給出上述參數(shù)及其變化規(guī)律。由于冷成型工藝對(duì)不銹鋼材料性能的影響，材料的強(qiáng)化效應(yīng)顯著。2013年Afshan、Rossi和Gardner[6]對(duì)冷成型構(gòu)件中不銹鋼材料的性能進(jìn)行了研究，涵蓋了奧氏體型、鐵素體型、雙相型和Lean Duplex不銹鋼。2014年W. M. Quach和P. Qiu采用試驗(yàn)和有限元法研究了折彎成型彎角區(qū)材料的力學(xué)性能，同時(shí)引入初始的缺口缺陷，獲得了彎角區(qū)材料的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線。2019年J. Wang等人研究了雙相型不銹鋼管材料力學(xué)特性。

冷加工不銹鋼板工藝分為折彎（Press-Braked）和輥彎（Cold-Rolling）兩類，兩類冷加工過程是不斷對(duì)材料加載、卸除、硬化的過程，不銹鋼板材從原始退火狀態(tài)不斷演變至最終成型狀態(tài)，存在明顯的材料強(qiáng)化和殘余應(yīng)力，多數(shù)研究采用試驗(yàn)研究+數(shù)據(jù)擬合的方式。針對(duì)材料的冷加工強(qiáng)化效應(yīng)，進(jìn)一步研究材料本構(gòu)關(guān)系中的E， fy， fu， n， m等參數(shù)的變化規(guī)律和計(jì)算方法。針對(duì)輥彎成型圓管開展試驗(yàn)測(cè)定殘余應(yīng)力分布，同時(shí)研究材料強(qiáng)化效應(yīng)，進(jìn)而在試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上研究其材料強(qiáng)化模型;區(qū)別于折彎成型過程可近似認(rèn)為是理想的純彎曲問題，輥彎成型過程中還存在板材擠壓等復(fù)雜的變形過程，一般采用有限元模擬的辦法研究。

2 不銹鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性

近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者針對(duì)不銹鋼軸心受壓構(gòu)件從截面層面、構(gòu)件層面開展了大量的研究，涵蓋了冷加工成型和板材焊接兩大類構(gòu)件制造方式。冷成型構(gòu)件局部穩(wěn)定的研究，需要考慮到不銹鋼材料的非線性特性。對(duì)于厚實(shí)截面，由于其在材料達(dá)到名義屈服后才發(fā)生局部屈曲，為了在計(jì)算中充分利用材料應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，Gardner等提出了連續(xù)強(qiáng)度法（CSM法）并不斷拓展CSM法的使用范圍。在構(gòu)件層面的整體穩(wěn)定性和相關(guān)穩(wěn)定性研究方面已有數(shù)量可觀的試驗(yàn)研究資料，各國(guó)研究者提出的整體穩(wěn)定和相關(guān)穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法主要包括一系列基于Perry公式的修正計(jì)算法，基于CSM的計(jì)算方法，基于直接強(qiáng)度法（DSM）的計(jì)算方法。

當(dāng)前對(duì)構(gòu)件層面上不銹鋼管的結(jié)構(gòu)性能研究重點(diǎn)，主要集中在軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定和相關(guān)穩(wěn)定方面，需要重點(diǎn)研究如何在構(gòu)件承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法中，體現(xiàn)出不銹鋼材料顯著的應(yīng)變強(qiáng)化的影響。從設(shè)計(jì)方法來(lái)看，在DMS法和 CMS法的基礎(chǔ)上開展深入研究，利用現(xiàn)有的大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，提出一套適合不銹鋼軸心受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)前對(duì)不銹鋼受彎曲構(gòu)件的穩(wěn)定性研究很少，有必要在這一方面開展系統(tǒng)研究。

3 增材制造不銹鋼構(gòu)件

隨著金屬增材制造技術(shù)（3D打印）的快速發(fā)展，不銹鋼材料作為一種高成本建筑材料，在增材制造方面有很大的發(fā)展前景。具體到增材制造手段方面，C. Buchanan等學(xué)者指出粉末床融合技術(shù)（PBF）和直接能量沉積技術(shù)（DED）是目前適合構(gòu)件尺度的增材制造技術(shù)，針對(duì)3D打印不銹鋼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能，C. Buchanan等還開展了相關(guān)研究，對(duì)采用PBF制造的不銹鋼短柱的初步研究表明，相比傳統(tǒng)方式，由于PBF制造過程中材料的快速冷卻效應(yīng)，材料強(qiáng)度較高，而彈性模量則有部分降低（約10%），根據(jù)短柱試驗(yàn)結(jié)果，已有的設(shè)計(jì)計(jì)算方法基本適用于這類截面。采用DED技術(shù)特別是電弧增材制造技術(shù)WAAM制造的不銹鋼構(gòu)件，會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件的壁厚不均勻等現(xiàn)象，這也給構(gòu)件受力性能的計(jì)算帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前對(duì)增材制造不銹鋼構(gòu)件的研究還較少，構(gòu)件的殘余應(yīng)力是增材制造中比較復(fù)雜的問題和制造過程中的工藝參數(shù)密切相關(guān)，需要加以關(guān)注。增材制造要求基于整體的設(shè)計(jì)思路，這種從整體出發(fā)，同時(shí)考慮材料非線性、幾何非線性和初始缺陷的結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)方法的研究也是當(dāng)前的熱點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

不銹鋼作為一種理想的建筑材料具有廣泛的應(yīng)用前景，然而，國(guó)內(nèi)對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，當(dāng)前的研究工作開展仍顯不足，相關(guān)試驗(yàn)研究資料和研究積累比較有限，仍然需要大量開展研究工作。特別是對(duì)構(gòu)件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵性問題需要深入開展研究，3D打印等新的制造技術(shù)帶來(lái)的新問題新挑戰(zhàn)也會(huì)成為未來(lái)不銹鋼構(gòu)件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] H.N. Hill， “Determination of Stress–Strain Relations from Offset Yield Strength Values”， Technical Note No. 927， National Advisory Committee for Aeronautics，Washington， D.C.， USA， 1944.

[2] E. Mirambell， E. Real， On the calculation of deflections in structural stainless steel beams： an experimental and numerical investigation， J. Constr. Steel Res. 54 （4） （2000） 109–133.

[3] K.J.R. Rasmussen， Full-range stress–strain curves for stainless steel alloys”， J. Constr. Steel Res. 59 （1） （2003） 47–61.

[4] W.M. Quach， J.G. Teng， K.F. Chung， “Three-stage full-range stress–strain model for stainless steels”， J. Struct. Eng.， ASCE 134 （9） （2008） 1518–1527.

[5] 朱浩川， 姚諫. 不銹鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變模型. 空間結(jié)構(gòu)， 2011， 17（1）： 62-69.

[6] 舒贛平，王元清，袁煥鑫，鄭寶鋒.《不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的編制及內(nèi)容簡(jiǎn)介[J].工業(yè)建筑，2015，45（12）：1-6+12.