建筑結構用高強度鋼材力學性能分析

吳 坤

（中汽研汽車工業工程（天津）有限公司，天津 300300）

隨著人們對建筑結構要求的不斷升高，越來越多的高層、超高層建筑變得越來越多。在新型的材料應用上面也得到了明顯、較大的發展，雖然我們國家對高強度建材在建筑結構方面的使用方面與其他一些發達國家相比，還存在著一定的距離，但是我國技術人員已經逐漸意識到高強度鋼材的重要性與意義，與普通強度的鋼材相比較，高強度鋼材結構在受力方面、經濟性和社會效益等等方面都具有超高的優勢，工程應用潛力非常的大。

1 高強度鋼材的生產、加工方法

想要將鋼材的屈服強度進行大幅度的提升，主要的辦法有兩個，其一：科學、合理的將合金成分融入進去，例如：碳和錳等元素，雖然說運用這種方法將鋼材的屈服強度進行提升非常的簡單，但還是會有一定的弊病與缺點，就是將鋼材在加工性能減小了，特別是可焊性。其二：熱處理技術，此技術主要影響的是鋼材的微結構和晶粒的大小，能夠形成細晶粒結構的鋼材，細晶粒結構的鋼材與粗晶粒結構鋼材相比，強度會變得更高，韌性也會比粗晶粒結構鋼材要好。

其次，對于我國目前來說，新型的高強度鋼材的結構主要還是以微合金化的細晶粒鋼材為主，高強度鋼材的冶煉技術有低碳含量和微合金化，即：在原來主核心元素的根本之上，再融入一些微量的碳氮物，或者是融入一些能夠提升力學性能的元素，最終實現將鋼材強度的提升。

2 分析高強度結構鋼材的力學性能

2.1 靜電拉伸力學性能

根據有效數據分析，鋼材強度的等級和屈強比是呈現出正比例關系的，通俗的說就是：鋼材的強度等級越高，屈強也會隨之增高，當強度一旦超越了690兆帕的時候，屈強比的范疇就會在0.9—0.95之間；然而鋼材的延展性和強度就會形成反比的關系，也就是如果鋼材的強度正在慢慢的提高，鋼材的延展性就會反其道而行之，慢慢的降低。

其次，國外鋼材標準對于力學性能指標的限值的規定，將屈強比限值的范圍控制在了0.8—0.85之中，鋼材在斷后的生長率一般在20%，而我國的高強度鋼材的屈身比則在0.78左右，鋼材的斷后生長率在25%左右。通過這些標準和限值可以看出，它們能夠應用于普通的鋼結構或強度稍高的鋼結構當中，如果鋼材的強度一旦超越了690兆帕的時候，這些限制就會在很大程度上妨礙其工程的應用，所以我們要對力學的性能進行充分的分析和仔細的研究，從而明白其對構件受力性能的制約情況。

2.2 低溫力學性能

經過了對高強度鋼材進行低溫拉伸的試驗，得出以下的結論：高強度鋼材在五個不同溫度下的強度狀態和延展性指標。實驗中選擇了我國生產的高強度鋼材，并選擇了20個圓形橫截面，還有五個不同的溫度分別是零下60℃、零下40℃、零下20℃、0℃、零上20℃，經過實驗人員認真的實驗與對比，溫度與鋼材的屈服強度、抗拉強度也在慢慢的提升當中；即：當溫度發生減小時，而鋼材的屈身強度卻在慢慢的提升，抗拉強度也在逐漸升高。而溫度和鋼材的斷后伸長率、延性呈現正比，即：伴隨著溫度的慢慢降低，鋼材的斷后伸長率也在慢慢的減小，延展性也隨之變小、變差。

2.3 循環荷載下材料力學性能

經過對高強度鋼材在15個不同循環加載制度下的力學性能分析得出，鋼材具有抗震滯回性能。在具體的實驗過程當中，選擇了我們國家所生產的高強度鋼材，最后得到的結果是：我國生產的高強度鋼材有非常好的耗能能力，同時還有超高的抗震性，所有的斷口都出現了延展性斷裂，

其次，對于這種實驗的結果，運用Ramberg—Osgood公式對于得到的骨架曲線進行了模擬，這樣做可以促進有限元數值模擬的計算。

最后，實驗還對我國生產的兩種不同的鋼材進行了循環荷載下力學性能的對比，得出的結果是：我國所生產的兩種不同的高強度鋼材的循環應變曲線都存在著一些常見的現象，例如：循環硬化和軟化等等。

2.4 屈強比

屈強比是由工程應力所得到的，國際上有非常多的學者都對不同強度的鋼材材料進行了不同的數據研究，以此得出了屈強比和鋼材的曲強強度抗拉強度都呈現出了正比趨勢。即：鋼材的曲強度正在慢慢的提升時，鋼材的屈強度也會隨著升高，而當鋼材的抗拉強度提升時，屈強強度同樣也會隨之增加。

3 高強度結構鋼材力學性能的特點與優勢

3.1 應力—應變曲線

結構鋼材的力學性能標準中主要包括：屈服的強度、屈強、斷后伸長率等等，在我國的建筑工程當中，大部分運用的都是鋼材的靜力拉伸曲線（也就是應力—應變曲線）來體現材料的性能。

圖1 不同等級鋼材的應力-應變曲

從圖1可以看出，高強度鋼材與傳統普通鋼材所比較，在力學性能方面所體現出來的優勢。普通強度的鋼材應力—應變曲線大多都是有非常明顯的屈服平臺和強化階段的，而其中屈服階段大致都是從0.2%到2.52%而發展的，同時屈強有比較低的特點，大致都在0.6左右。但是伴隨著鋼材強度的逐漸提升，屈服平臺的長度也會慢慢的縮小，并且強度伴有抗拉性，同時對應的應變值也在慢慢的變小。當屈服強度繼續向上升高時，工程的應力—應變曲線就變得沒有明顯的屈服平臺，抗拉強度所對應的應變值會繼續變的減少，屈服強度和抗拉強度之間的距離也在慢慢的縮小當中。

由此可以看出，高強度鋼材與普通強度鋼材相比較，高強度結構鋼材工程應力—應變曲線的屈服平臺長度會變短，而屈服的強度超越了690兆帕的時候，大多是沒有明顯屈服平臺的。抗拉強度對應的應變值和屈強比會隨著強度的提升而分別縮小與變大。

3.2 鋼材的韌性

關于高強度結構鋼材韌性的問題，早在1999年德國鋼鐵協會召開的時候，就關于這個問題進行了仔細的分析和綜合的討論，在會議中人員全部認為，在考慮安全因素時，韌性才是最重要的材料性能標準。 其次，在實際的建筑工程當中，對于工程構建韌性的需求同樣也會伴隨著強度的提高而增加，因此，運用高強度鋼材所建筑出來的工程設計材料應該具有更高的韌性。假如運用傳統的增加碳含量或者采用冷拔方式來提升建材強度，那么高強度鋼材意味著第一韌性就是正確的。但是新型高強度微合金化剛才的高強化就是經過了科學、合理的控制鋼材微合金元素含量和成分、同時在壓制過程當中運用的是嶄新的技術，進行溫度形變、控軋、控冷等現代手段來體現的，由此可以看出，新型高強度鋼材并不代表著低韌性，而事實卻是其擁有更高的韌性。

4 結語

綜上所述，高強度鋼材在結構上的發展受到了一定程度的影響，鋼材的力學性能主要包括：靜力拉伸力學性能、低溫力學性能、疲勞性能、循環荷載下材料力學性能幾種，雖然我們在建筑結構高強度鋼材力學性能分析方面還存在著一些問題和不足，但是作為研究人員還是應該要不斷的總結和學習，并且還要進行仔細的分析和綜合的討論。