談建筑結構高強度鋼材力學性能
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摘要：高強度鋼材鋼結構強度的力學性能，決定了建筑結構的性能，有效使用鋼結構的性能和發(fā)揮作用，能夠促進建筑的經(jīng)濟效益。目前人們對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，在設計中發(fā)揮鋼材的性能優(yōu)勢。由于鋼材的生產(chǎn)工藝提高，在要求未變的情況下，對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。對鋼材的力學性能研究，分析鋼材的力學性能與鋼結構之間的關系，當前對鋼材要求上的限制及優(yōu)化鋼材的使用。
高強度鋼材是在微合金化和熱機械軋制技術下生產(chǎn)的具有剛強度的鋼材，這類鋼材的延展性很強、韌性極高，在建筑中有十分重要的作用。隨著目前鋼結構性能的提升，能夠有效提升建筑物的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。不僅能夠保證鋼結構的安全性，而且能夠保證更大的使用空間，通過充分發(fā)揮鋼結構的全部性能，能夠提升建筑物的工程成本，降低建筑物的能耗，從而降低工程建設所需要的碳排放。我國目前在很多工程中都使用了高強度鋼結構，雖然積累了大量的使用經(jīng)驗，但是由于鋼材性能得變化，在力學性能和受力性能上也和過去有了很大的區(qū)別。所以，需要對鋼材的使用進行進一步的完善，充分發(fā)揮鋼材的作用。
1高強度結構鋼材加工生產(chǎn)的方法
目前主要有兩種方式來提高鋼材的強度，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度，但也會導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，通過熱處理能夠改善鋼材的微觀機構，比如改變晶粒大小從而改善鋼材的性能，熱處理的有點在于通過將鋼材加工成細晶粒的結構，能夠讓剛才的強度更高，有更強的韌性，同時在其他的性能上也沒有太多改變。新型高強度結構鋼材主要使用合金和細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、熱機械軋制的三個主要階段，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-珠光體的結構，使其轉(zhuǎn)化為奧氏體，之后再控制溫度，進行緩慢的冷卻，就能夠變成非常精細的晶粒結構。淬火和回火加工主要是用在20世紀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度和韌性，保證鋼材的性能。
1.3熱機械軋制。
熱機械軋制的過程中，會將形變溫度控制在一定的溫度范圍內(nèi)，這樣所獲得的機械性能是單獨依靠熱處理所不能獲得的，通過是熱機械軋制，能夠讓剛才的強度和韌性都非常高，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，使用熱機械軋制能夠讓鋼材在微觀上能形成精細的鐵素體和珠光體，這樣的鋼材具有很強的韌性和焊接性能。
2建筑結構鋼材的力學性能要求
2.1靜力拉伸力學性能。
根據(jù)目前的研究結果和實驗數(shù)據(jù)，隨著鋼材的強度和等級提升，鋼材的屈強比會不斷增大，在強度高于690MPa后，鋼材的屈強比會穩(wěn)定在0.9~0.95的范圍內(nèi)。鋼材的延展性會隨著強度的提高而不斷降低，但是高強度鋼材的韌性卻并不會因為強度的提高而降低。通過對國內(nèi)外各種不同的鋼材標準和鋼結構設計規(guī)范中對材料力學性能指標的要求規(guī)定，鋼材的屈強比限值一般在0.8~0.85之間，歐洲對鋼結構設計規(guī)范中，規(guī)定高強度鋼材的最大屈強比可以達到0.95，鋼材的斷后伸長率需要控制在15%~20%之間。國產(chǎn)高強度干剛才的屈強比一般控制在0.78左右，斷后伸長率一般控制在25%左右，甚至可能要更高，以滿足相關規(guī)范限值的要求。但是對于強度超過了690MPa的高強度鋼材，限值反而會限制鋼材的應用，所以需要進一步研究是新材料降低構件所受到的力學性能的影響，并且對結構鋼材的結構穩(wěn)定性和設計方法做好規(guī)定。
2.2低溫力學性能。
根據(jù)對14毫米厚的鋼材板進行研究，獲得了其低溫拉伸性能。結合在-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃下的實驗，分析了不同溫度先的強度、延性等指標，以及斷口的微觀形貌。研究的結果證明，在溫度不斷下降的情況下，鋼材的屈服強度、拉伸強度是和屈強比都在提升，斷后伸長率和截面收縮率也會明顯降低，導致延性變差。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，延長后的伸長率可以達到21.5%，依然能夠滿足規(guī)范的要求。在低溫斷裂韌性的研究上，研究包括了裂紋尖端張開位移和斷口的圍觀形貌，根據(jù)的實驗的結果分析，裂紋尖端張開位移隨著溫度的降低會明顯減小，其他強度的鋼材實驗結果表明，鋼材的斷裂是韌性比較差。而在不高于-40℃的條件下，斷口會呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂情況。通過對實驗結果的擬合分析，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，根據(jù)使用ANSYS分析的結果，獲得了尖端張開位移值得特點，對于板厚比較小得事件，該值沿著厚度方向的變化比較小，對等效應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)危險截面。
2.3疲勞性能。
國外針對高強度鋼材的疲勞性能研究比較多，研究的重點主要集中在裂紋的擴展和鋼材強度等級、板件的厚度、焊接技術、焊接后的處理方法等因素對于疲勞的影響。對于建筑物使用的高強度結構鋼材，根據(jù)清華大學對國產(chǎn)的Q460C和Q460D的研究，表明Q460鋼材的疲勞性能優(yōu)良，能夠滿足相關規(guī)范的要求，根據(jù)實驗性和的S-N計算曲線，也能夠指導工程設計工作，表明該剛才能夠滿足我國對應力的要求。
2.4循環(huán)荷載下的材料力學性能。
通過對高強度鋼材在不同循環(huán)加載制度下的力學性能研究，是發(fā)現(xiàn)國產(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)實驗結果分析和有限元溫習數(shù)值計算，國產(chǎn)Q460鋼在循環(huán)應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高強度鋼材受壓件的研究
3.1整體穩(wěn)定性研究。
國外對高強度鋼材受壓件整體穩(wěn)定性的實驗研究相對比較少，根據(jù)對不同研究的總結，結合我國規(guī)范證明高強度鋼材受壓鋼柱的整體穩(wěn)定性系數(shù)明顯提升，而我國目前的設計曲線還相對保守，并沒有將剛才的優(yōu)勢充分發(fā)揮。通過對端部帶約束的焊接工字型剛截面受壓柱繞強軸試問進行了實驗研究，使用屈服強度標準為690MPa和960MPa的高強度結構鋼，實驗研究的數(shù)分析表明，構件的整體穩(wěn)定性系數(shù)提高，所以相應的設計曲線也應該提高。在國內(nèi)的研究中，對高強度軸壓構件進行了整體穩(wěn)定性的分析，包括工字型截面繞強軸、弱軸和焊接箱型截面這三類。通過對960MPa的鋼材軸壓構件進行探索性的研究，以及進行數(shù)值分析，對于工字型和焊接箱型截面軸壓構件的整體穩(wěn)定設計，提出了柱子的曲面類型建議。
3.2局部穩(wěn)定性能研究。
國內(nèi)已經(jīng)有少量針對高強度鋼材焊接截面短柱的局部性能研究，研究表明目前的《鋼結構設計規(guī)范》中心軸受壓構件箱型截面構件和工字型鋼的寬厚比限值，也適合目前的高強度鋼柱。根據(jù)對焊接箱型和工字型截面進行深入的局部穩(wěn)定分析實驗，表明目前的當前的國內(nèi)外規(guī)范的局部屈曲應力計算公式和屈曲后極限應力計算公式需要進行修正。通過對高強度熱軋等變焦短鋼柱進行軸壓局部穩(wěn)定性研究，以及數(shù)值的分析結果和規(guī)范的設計曲線進行對比，表明構件的兩肢板的鑲固系數(shù)可以取1.0。通過對鋼材性能的分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼結構使用的發(fā)展受到了一定的制約，無論是靜拉伸力學性能、低溫力學性能等幾種不同的力學性能進行研究，發(fā)現(xiàn)當前國家對于建筑高強度鋼結構使用并沒有充分發(fā)揮鋼結構的性能，對數(shù)值和曲線還需要進行修正。所以，還需要對鋼材的力學性能和結構性能進行進一步的深入分析，了解高強度鋼的特點，改善使用方法，發(fā)揮鋼結構的性能，提升建筑的效益。
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作者：劉蕾 單位：營口理工學院
