编委特刊 | 舒赣平教授团队：不锈钢在建筑钢结构中的研究与应用

研究背景

 Research background 

1  不锈钢材料

不锈钢是指铬元素含量超过 10.5% 且碳元素含量不超过 1.2% 的耐蚀合金钢。我国于 1949 年以后开始生产不锈钢,起初以生产低性能的马氏体不锈钢 Cr13 为主。1980 年之前,我国不锈钢粗钢产量一直在 8 万 t 以下。1991 年,国外先进的冶炼工艺开始引进国内,使得国内不锈钢的产量迅速扩大,品种也逐渐全面。1998 年,我国不锈钢粗钢产量为 20 万 t。到 2005 年,我国不锈钢产量达到 370 万 t,年平均增长超过 30%。从 2006 年开始,我国不锈钢产量超过日本成为不锈钢生产和消费第一大国。根据国际不锈钢协会(ISSF)统计,2018 年,我国不锈钢产量占全球不锈钢产量 52.64%,超过全球一半产量。图 1 为我国从 2000—2023 年不锈钢粗钢的产量。

图1　我国不锈钢粗钢产量

目前不锈钢有几百种,按照其合金含量和材料特性可以分为五类:马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。在五大类不锈钢中,马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢因其焊接及冷加工性能差,在建筑结构中较少应用。铁素体不锈钢的应用主要集中于屋面板、电梯护壁板和轿厢。适用于一般建筑结构用途的是奥氏体不锈钢和双相不锈钢,最常用的不锈钢牌号为 S30408, S31608, S30403, S31603, S22053 和 S22253。

近年来,随着建筑业对不锈钢需求的不断增长,越来越多钢铁企业致力于开发经济、高强型的建筑用不锈钢,如 QN1803(S35657)。这些材料通过降低不锈钢中贵金属镍等的含量,降低造价,同时材料的强度也不同程度提高,在建筑中具有更好的应用前景。此外,将不锈钢与低碳钢或低合金钢轧制形成的不锈钢复合板,具有强度高、价格低等优势,其应用范围也逐渐从化工行业向建筑行业扩张。不锈钢芯板是一种超轻、超强结构材料,由两块钢板、中间密布薄壁芯管组成,采用不锈钢芯板制成的楼板、墙等建筑构件,具备强度高、重量轻、超耐腐、寿命长、可拆卸、可回收再利用等特性,是符合绿色建筑理念的生态设计产品。除不锈钢板材外,不锈钢的型材(棒材、型钢)体系也非常完善,同时不锈钢结构连接用的不锈钢螺栓和焊条也具有较为完善的产品标准。

2  不锈钢在建筑结构中的典型应用

前三十年,不锈钢材料就因其耐腐蚀性和独特美观被尝试用于建筑结构领域。但早期相关的设计方法和生产加工工艺尚未成熟,不锈钢主要被用于装饰性构件、围护结构和屋盖结构等。近十年来,随着国内外研究人员对不锈钢材料的探索,以及不锈钢结构相关设计规范逐步完善,建筑设计师和结构设计师对不锈钢材料的应用愈发得心应手,越来越多以不锈钢为主要承重材料的优秀地标性建筑相继问世。以下主要对不锈钢围护和承重结构展开介绍。

2.1　围护结构

不锈钢表面光洁、耐久性优越,且具有现代科技美感,最早被用于幕墙、屋面等围护结构,发展至今已涌现出许多优秀工程案例:卢浮宫艺术博物馆的玻璃金字塔入口采用了奥氏体 316L 不锈钢幕墙支承体系;日本静冈县的富士游泳馆屋盖外覆一层日铁不锈钢株式会社生产的 220M 级钝化不锈钢。近年来,我国不锈钢在建筑围护系统的应用也逐渐增多,如深圳当代艺术与城市规划馆外表面采用了 3.0 mm 厚的 316L 不锈钢冲孔板(图 2(a));沿海的华润总部大厦幕墙选用了耐蚀性良好的 316L 不锈钢压纹板(图 2(b));青岛胶东国际机场 22.1 万 m² 屋面使用了 0.5 mm 厚超纯铁素体 445J2 新型不锈钢(图 2(c)),实现了防风、耐蚀、易焊和轻质高强等功效;我国首个濒临太平洋、深入南极大陆的常年科考站秦岭站主楼外墙结构选用了高耐蚀、耐低温冲击的 316L 不锈钢(图 2(d))。

图2　不锈钢围护结构典型工程案例

2.2　承重结构

不锈钢材料力学性能优异、全寿命周期的维护成本低,用于承重结构具有安全可靠的优势,我国已有不少成功案例。图 3(a) 所示的是香港昂船洲大桥,其桥塔外表面结构采用了 2000 t 左右的 2205 不锈钢板;图 3(b) 为江苏园博园未来花园,整个花园由 42 个树状结构组成,每个树状结构的直径为21 m,高约 16.5 m,采用奥氏体型 316 不锈钢与有机玻璃屋面结合,达到了完美的建筑效果;我国江门中微子实验中心探测器主体网壳结构消耗了约 900 t 的 316 不锈钢(图 3(c)),是世界最大的全装配式不锈钢肋环型球壳作为核心探测器的支承结构;位于三亚崖州湾科技城的地标建筑——三角梅迎宾塔整体选用了高性能 S32001 双相不锈钢材料(图 3(d));世界里程最长、施工难度最大的跨海大桥——港珠澳大桥建成通车,这项超级工程中约有超过 8000 t 双相不锈钢钢筋替代了传统钢材被运用于桥墩,这一创举既可延长桥梁使用寿命,同时也有力推动了我国跨海大桥建设材料的升级。

图3　不锈钢承重结构典型工程案例

3  不锈钢结构研究进展

3.1　研究现状

我国关于不锈钢结构的研究,起源于 20 世纪末天津大学对不锈钢网架结构的研究,探讨了不锈钢管和焊接球节点的承载性能。鉴于不锈钢材料自身特点以及不锈钢结构的应用前景,近十年国内外相关机构和学者进行了比较深入的研究,研究范围涉及很广,从材料性能、构件、连接节点到结构整体性能和防火设计等,都取得了比较成熟的研究成果。关于不锈钢结构的研究现状可以总结为以下几点:

1) 典型不锈钢材料的静、动力和高温性能趋于完善,新型材料和复合材料涌现,相关性能研究成为热点。

国内外学者开展了大量关于奥氏体、双相不锈钢的单向拉伸试验,揭示了不锈钢材料无屈服点和应变强化特性,并提出了多种模型予以表征。在动力性能方面,混合强化模型可以较为准确地表征材料的循环强化和非线性强化性能。在抗火性能方面,本构模型和关键参数与温度的关系均较为成熟。近年来,出现了一些建筑用高性能不锈钢材料和由不锈钢与碳钢轧制成型的复合板,其力学性能不断完善。

2) 各种受力状态下不锈钢构件设计方法研究趋于完善,组合构件研究正在逐步兴起。

受不锈钢材料应变硬化的影响,不锈钢构件的承载性能与碳钢有一定的区别,主要体现在其截面承载力,即不锈钢构件达到材料屈服强度后强化的状态。针对屈服后应变强化对设计方法的影响,国外学者采用改进的直接强度法和连续强度法予以表征。因为不锈钢管混凝土的耐久性、耐腐蚀性和高承载力等优点,目前对不锈钢管和核心混凝土的界面黏结性能、承载性能的研究不断完善。目前组合和复合不锈钢构件充分发挥了不锈钢耐腐蚀性,并通过混凝土提升构件的耐火性能,是一种非常优秀的组合形式,后续也将逐步成为不锈钢结构研究的热点之一。

3) 不锈钢结构的关键连接性能尚不完善,需深入研究。

在焊接方面,国内外学者采用电弧焊工艺和氩弧焊工艺对奥氏体和双相不锈钢角焊缝的力学性能开展研究。结果表明,不锈钢之间的焊接工艺难度高于碳钢间的焊接,特别对于双相不锈钢等对合金晶相有较高要求的材料。不良焊缝试件导致焊缝的破坏形态和承载力存在较大的波动。如何在施工现场实现高难度的焊接工艺,以及焊接完成后的焊缝质量的检测,目前研究较少。与此同时,碳钢与不锈钢焊接不可避免,但关于这方面的研究几乎空白。在不锈钢螺栓连接层面,对其抗剪性能、摩擦面的抗滑移系数开展了一系列研究。但目前国内还没有不锈钢高强度螺栓的相关标准,国内市场上没有成熟的产品供应,东南大学等科研单位正在编制相关的产品标准。同时在摩擦面处理工艺方面也存在较多的问题,追求高抗滑移系数表面则成本代价高,对工程复杂场景适应度差,目前正在开展相关研究。

4) 不锈钢节点的研究受到高度关注。

目前关于不锈钢管结构相贯节点、梁柱节点的研究越来越多,关于设计理论和方法的讨论逐渐深入。关于不锈钢钢管相贯节点的研究方面,国内外学者已经完成各种节点构型的试验,在节点性能和设计方法方面与碳钢相贯节点具有较大的相似性。关于不锈钢梁柱节点的研究方面,同构型不锈钢节点的性能略优于碳钢节点的性能,骨架曲线和滞回性能均比较接近。但同时,部分节点也暴露出焊接缺陷引起的提前破坏的问题,节点的延性受到焊缝质量的约束。

5) 不锈钢结构体系层面的研究刚刚起步。

近五年来,我国学者开始研究不锈钢框架体系,完成了奥氏体和双相不锈钢平面框架的拟静力加载试验,分析了框架节点的滞回性能、骨架曲线、变形能力,并探讨节点转角各个分量的变形发展规律。但目前针对不锈钢结构体系抗震的研究较少,受到不锈钢材料非线性影响,不锈钢结构的抗震性能与碳钢结构存在显著差异。故建立适用于不锈钢结构体系的抗震设计方法是当前研究热点之一。

3.2　不锈钢结构设计规范体系

3.2.1　材料标准

近年来随着我国不锈钢产量的增加,关于不锈钢材料和型材的产品标准也在不断地更新和修订,对材料的化学成分、构件加工制作及力学性能进行了规定,以满足日益发展的需要。表 1 列出现有不锈钢材料和型材主要的产品标准。

表1　不锈钢材料相关标准

3.2.2　连接产品标准

焊接和栓接是常用的不锈钢结构连接形式,针对不锈钢焊条和焊剂、焊接工艺、紧固件产品、连接技术等方面,我国已有成熟的规范标准体系,如表 2 所示。

表2　不锈钢连接相关规范及标准

3.2.3　结构设计层面

随着我国不锈钢结构的研究突飞猛进,在材料和构件研究方面取得了丰富成果。2015 年我国发布了第一部针对不锈钢结构的设计标准 CECS 410∶2015《不锈钢结构技术规程》。CECS 410∶2015 的颁布打破了国内不锈钢结构发展“无理论可用、无规范可依”的瓶颈,推动了我国不锈钢结构应用的健康发展。

此外,针对不锈钢结构技术层面相关的规范还包括如 T/CECS 952—2021《不锈钢管混凝土结构技术规程》、T/CSUS 14—2021《不锈钢芯板建筑结构技术标准》等,表 3 列出现有不锈钢结构技术规范和规程。规范和标准的编制对我国不锈钢结构工程应用提供有力的依据和指导。

表3　不锈钢结构相关规范和标准

不锈钢结构独特的优势能够将结构安全、耐久性和建筑美学完美结合,应用前景十分广阔。未来不锈钢结构发展及研究应重点考虑以下几方面:

1) 不锈钢材料众多,目前多采用传统奥氏体型不锈钢作为建筑材料。面向建筑结构所需的耐久性,进一步研发经济高强型不锈钢产品,降低不锈钢结构的初期投资,是未来建筑用不锈钢材料的方向。

2) 不锈钢结构的应用领域应向具有强腐蚀环境下的基础设施拓展。海上风电、海洋平台等设施面临严重的腐蚀问题,沿海和工业区的屋面、墙面等围护结构,长期暴露在腐蚀性液态和粉尘环境中,以彩涂板为代表的围护结构耐久性存在明显不足。不锈钢结构可以从根本上满足上述需求,同时也可以用于现有海洋结构的耐久性加固和性能提升。

3) 不锈钢材料除了超强的耐蚀性外,还具有高韧性、耐高温等其他优异的性能,可在结构中应用进一步提升结构性能。例如奥氏体不锈钢具有高延伸率和韧性,是优异的消能减震、抗冲击、抗爆材料,可进一步开发相应的消能减震部件。

4) 目前不锈钢材料、连接产品标准及结构设计规范需进一步完善,引导实际工程更安全、更经济地使用不锈钢结构。