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不锈钢结构的应用和研究现状
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内容提示：随着碳素钢在建筑结构中的大规模应用,一些缺陷也逐渐暴露出来,如抗腐蚀性能差、耐久性不足、维护费用高等。而不锈钢材料具有良好的耐腐蚀性能和耐久性,使建筑结构安全可靠、结实耐久,具有极佳的应用和研究前景。与碳素钢材料性能的显著区别使不锈钢结构设计需要专门的研究,但目前国内相关研究工作开展严重滞后,阻碍了不锈钢结构的应用,不利于可持续发展。通过简要介绍不锈钢材料的类型和特点,对近年来不锈钢结构的应用和研究现状进行总结,阐述国内外不锈钢相关规范以及不锈钢结构的设计方法,最后展望和探讨不锈钢结构的应用研究前景。
由于不锈钢结构的造型美观、耐腐蚀性好、易于维护和全生命周期成本低等优点，使其在建筑结构中具有广阔的适用性［１］。从２０世纪初，不锈钢就已经开始在建筑结构中采用，初期主要应用在装饰工程中，并开始应用于建筑物的围护结构和屋盖结构［２］。近２０年来，随着欧洲和美国等相关设计规范的修订，不锈钢结构的应用逐渐增多。在一些标志性建筑中，由于不锈钢在满足结构要求的前提下，还能满足建筑美学、抗腐蚀性能和耐久性等要求，受到了建筑结构行业的青睐。（参考《建筑中文网》）
相对于传统的碳素钢而言，不锈钢结构的初期成本较高，相关设计规范不完全成熟，构件截面没有规格化，工程设计人员对不锈钢结构综合效益的理解不足，不锈钢大规模应用于建筑结构仍有不少障碍［３］。国内关于不锈钢在建筑结构中的研究开展有限，目前还没有制定相关的结构设计规范，这与我国不锈钢粗钢产量居世界第一极不相称，也不利于不锈钢在土木工程领域的应用。
本文对不锈钢材料及其分类进行了简要的介绍，总结了近年来国内外不锈钢结构的应用和研究现状，介绍世界上主要设计规范中的相关设计方法，最后展望了不锈钢结构的应用研究前景。
１ 不锈钢材料
不锈钢材料根据金相组织的不同可以分为５大类：奥氏体型、奥氏体铁素体（双相）型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型［４］。相对于普通的碳素钢，不锈钢的化学成分主要增加了合金元素铬（Ｃｒ）、镍（Ｎｉ）、锰（Ｍｎ）和钼（Ｍｏ）等，使二者的材料特性存在很大的不同。不锈钢的耐腐蚀性能主要取决于 Ｃｒ含量，Ｍｏ和 Ｎ 也可以加强其耐腐蚀性能；Ｎｉ主要用来保证不锈钢的微结构和力学性能［５］。在建筑结构中最常用的是奥氏体型和双相型不锈钢两个系列，下面分别介绍。
１１ 奥氏体型不锈钢
奥氏体型不锈钢的基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织（γ相）为主，无磁性，主要通过冷加工使其强化。这种不锈钢的应用最广泛，它具有极佳的塑性、良好的耐腐蚀性能、抗氧化性能和优良的焊接性能，相比其他类型的不锈钢，其在较大的温度范围内表现出良好的塑性和韧性，还可以通过复杂冷热变形而加工成各种型材［６］。常见的奥氏体型不锈钢合金成分和经固溶处理后的力学性能［７８］均列于表１中。
表１ 奥氏体型不锈钢主要合金元素（ＧＢ／Ｔ２０８７８－２００７）
１２ 双相型不锈钢
奥氏体铁素体（双相）型不锈钢兼有奥氏体和铁素 体 两 相 组 织 （其 中 较 少 相 的 含 量 一 般 大 于１５％），有磁性，可以通过冷加工使其强化。由于双相型不锈钢耐腐蚀性能和奥氏体型不锈钢相当，却具有更高的强度和良好的耐磨性能，近年来在建筑结构中应用逐渐增多。常用的双相型不锈钢合金成分和经固溶处理后的力学性能［７８］均列于表２中。
表２ 双相型不锈钢主要合金元素（ＧＢ／Ｔ２０８７８－２００７）
１３ 不锈钢材料的特点
１）具有良好的耐腐蚀性和耐久性。不锈钢材料是克服钢结构锈蚀问题的理想选择，而且可以延长结构使用寿命。
２）良好的加工性能。不锈钢的塑性和韧性好，便于加工成型，通过冷加工，其性能还可以得到强化。
３）优良的耐高温性能和低温韧性。不锈钢在高温条件下的残余强度和刚度均优于普通碳素钢，可以应用于防火设计［９］；在低温下的冲击韧性也优于普通碳素钢。
４）抗冲击性能好。在受到冲击时，其良好的延性可以吸收大量的能量。
５）循环利用简单。可循环利用，便于可持续发展。
６）易于符合建筑和美学的要求。可以建造成各种建筑造型，将建筑美学融入结构之中。
７）初期成本较高。不锈钢结构的初期成本约为相同普通碳素钢结构的４倍，但如果考虑材料成本、维护费用、防锈处理和防火处理的全寿命周期成本，不锈钢结构具有较大的优势。
２ 不锈钢结构应用现状
不锈钢最早在１９１２－１９１３年由英国 Ｂｒｅａｒｌｅｙ和德国 Ｍａｕｒｅｒ、Ｓｔｒａｕｓｓ等人引入［３］。早在１９２５年伦敦圣保罗大教堂的建造中，就采用了一条不锈钢链来稳定教堂的圆屋顶［２］。一直来，关于不锈钢的研究不断深入以及相关设计规范的修订，极大地促进了不锈钢在土木工程领域的应用，从小而复杂的装饰性构件到承重的梁柱、桥梁中的拱结构，都有不锈钢的身影。
到目前为止，不锈钢结构的应用形式主要有以下几种。
２１ 不锈钢建筑物墙面
由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性、耐久性和容易保养的特点，将不锈钢应用于建筑物外表面是非常合适的，这样可以达到结构性能与建筑美学的完美统一。
１９９６年在美国Ｆｌｏｒｉｄａ州的 Ｔａｍｐａ市建造了科学工业博物馆，覆盖面积１１０００ｍ２，该博物馆因形成强烈反差的几何形状和醒目的外表颜色而引人注目（图１）。博物馆外表的曲线形墙面是把三角形彩色不锈钢板固定在铝合金辅助支架上，二者间的连接采用不锈钢螺栓。在整个墙面系统中大约采用了２９ｔ，１６ｍｍ 厚的（ＡＩＳＩ３０４级）退火不锈钢板。
２０００年在英国的Ｓａｌｆｏｒｄ建造了一栋综合性的建筑物Ｌｏｗｒｙ，它包括一个１７５０座的大剧场和一个４５０座的可调庭院剧场，并附带展馆、学习中心、滨水餐厅等附属设施，在新世纪为人们提供了一个娱乐和教育的理想场所（图２）。Ｌｏｗｒｙ占地面积２４０００ｍ２，造价６４００万英镑。建筑的外表采用了０４ｍｍ厚的不锈钢板（ＡＩＳＩ３１６级），具有良好的反射效果，而且保养维护简单。此外，在结构中也采用了工字型截面的不锈钢型钢作为门窗扇中梃。
欧洲人权法院于１９９４年建于法国 Ｓｔｒａｓｂｏｕｒｇ市，该结构的平面形状丰富，好像带着“头”和“尾巴”，在建筑形式中体现了其功能［１０］（图３）。建筑物端部的两个筒状结构墙面共使用了面积５０００ｍ２的不锈钢板（ＥＮ１００８８１４４０１级），板厚２ｍｍ。
其他关于不锈钢应用在建筑物立面的实例，如马来西亚吉隆坡的石油双塔、１９９２年西班牙世博会的ＢｒｉｔｉｓｈＰａｖｉｌｉｏｎ等。
２２ 玻璃幕墙不锈钢支承体系
玻璃幕墙由于具有良好的建筑表现能力，近年来在大型公用建筑中获得了广泛的应用。其支承体系多采用耐腐蚀性能好的不锈钢构件，在法国的ＬｏｕｖｒｅＰｙｒａｍｉｄ中的应用堪称经典之作［１１］，为建筑、结构、机械技术绝妙的结合（图４）。
清华大学游泳馆门厅采用了三维点支式玻璃幕墙，通过不锈钢连接件将三角形玻璃面板固定在不锈钢拉杆组成的支承结构上（图５）。其他工程，如联想融科园、北京植物园展览温室、新保利大厦等建筑的玻璃幕墙中均有应用，取得了较好的效果。
２３ 不锈钢屋盖结构
不锈钢具有能经受环境的侵蚀和容易保养的特点，非常适用于作为建筑物的屋盖结构。在对不锈钢进行表面处理以后，可以获得很好的建筑效果。１９８５年建于法国巴黎的ＬａＧｅｏｄｅ超现代剧院就是一个成功应用不锈钢的典范（图６）。它坐落在水池的中央，有着镜面外观，整体呈圆球状。剧院的顶棚和内部结构都靠一根巨大的钢筋混凝土墩来支承，从墩上伸出悬臂以承担横向梁上的荷载。剧院的外表采用１５ｍｍ 厚，２ｍ 长的不锈钢板，充分利用其良好的耐腐蚀性和表面磨光后易于保养的特点。
英国伦敦Ｔｏｗｅｒ４２于１９９７年建造了一个３层楼高的入口馆（图７）。该结构是不锈钢骨架和透明玻璃面板的组合。墙面及屋顶的玻璃直接利用不锈钢连接件固定在不锈钢檩条上，整个结构通透性好，具有建筑美感。
相对于传统的碳素钢而言，不锈钢结构的初期成本较高，相关设计规范不完全成熟，构件截面没有规格化，工程设计人员对不锈钢结构综合效益的理解不足，不锈钢大规模应用于建筑结构仍有不少障碍［３］。国内关于不锈钢在建筑结构中的研究开展有限，目前还没有制定相关的结构设计规范，这与我国不锈钢粗钢产量居世界第一极不相称，也不利于不锈钢在土木工程领域的应用。
本文对不锈钢材料及其分类进行了简要的介绍，总结了近年来国内外不锈钢结构的应用和研究现状，介绍世界上主要设计规范中的相关设计方法，最后展望了不锈钢结构的应用研究前景。
１ 不锈钢材料
不锈钢材料根据金相组织的不同可以分为５大类：奥氏体型、奥氏体铁素体（双相）型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型［４］。相对于普通的碳素钢，不锈钢的化学成分主要增加了合金元素铬（Ｃｒ）、镍（Ｎｉ）、锰（Ｍｎ）和钼（Ｍｏ）等，使二者的材料特性存在很大的不同。不锈钢的耐腐蚀性能主要取决于 Ｃｒ含量，Ｍｏ和 Ｎ 也可以加强其耐腐蚀性能；Ｎｉ主要用来保证不锈钢的微结构和力学性能［５］。在建筑结构中最常用的是奥氏体型和双相型不锈钢两个系列，下面分别介绍。
１１ 奥氏体型不锈钢
奥氏体型不锈钢的基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织（γ相）为主，无磁性，主要通过冷加工使其强化。这种不锈钢的应用最广泛，它具有极佳的塑性、良好的耐腐蚀性能、抗氧化性能和优良的焊接性能，相比其他类型的不锈钢，其在较大的温度范围内表现出良好的塑性和韧性，还可以通过复杂冷热变形而加工成各种型材［６］。常见的奥氏体型不锈钢合金成分和经固溶处理后的力学性能［７８］均列于表１中。
表１ 奥氏体型不锈钢主要合金元素（ＧＢ／Ｔ２０８７８－２００７）
１２ 双相型不锈钢
奥氏体铁素体（双相）型不锈钢兼有奥氏体和铁素 体 两 相 组 织 （其 中 较 少 相 的 含 量 一 般 大 于１５％），有磁性，可以通过冷加工使其强化。由于双相型不锈钢耐腐蚀性能和奥氏体型不锈钢相当，却具有更高的强度和良好的耐磨性能，近年来在建筑结构中应用逐渐增多。常用的双相型不锈钢合金成分和经固溶处理后的力学性能［７８］均列于表２中。
表２ 双相型不锈钢主要合金元素（ＧＢ／Ｔ２０８７８－２００７）
１３ 不锈钢材料的特点
１）具有良好的耐腐蚀性和耐久性。不锈钢材料是克服钢结构锈蚀问题的理想选择，而且可以延长结构使用寿命。
２）良好的加工性能。不锈钢的塑性和韧性好，便于加工成型，通过冷加工，其性能还可以得到强化。
３）优良的耐高温性能和低温韧性。不锈钢在高温条件下的残余强度和刚度均优于普通碳素钢，可以应用于防火设计［９］；在低温下的冲击韧性也优于普通碳素钢。
４）抗冲击性能好。在受到冲击时，其良好的延性可以吸收大量的能量。
５）循环利用简单。可循环利用，便于可持续发展。
６）易于符合建筑和美学的要求。可以建造成各种建筑造型，将建筑美学融入结构之中。
７）初期成本较高。不锈钢结构的初期成本约为相同普通碳素钢结构的４倍，但如果考虑材料成本、维护费用、防锈处理和防火处理的全寿命周期成本，不锈钢结构具有较大的优势。
２ 不锈钢结构应用现状
不锈钢最早在１９１２－１９１３年由英国 Ｂｒｅａｒｌｅｙ和德国 Ｍａｕｒｅｒ、Ｓｔｒａｕｓｓ等人引入［３］。早在１９２５年伦敦圣保罗大教堂的建造中，就采用了一条不锈钢链来稳定教堂的圆屋顶［２］。一直来，关于不锈钢的研究不断深入以及相关设计规范的修订，极大地促进了不锈钢在土木工程领域的应用，从小而复杂的装饰性构件到承重的梁柱、桥梁中的拱结构，都有不锈钢的身影。
到目前为止，不锈钢结构的应用形式主要有以下几种。
２１ 不锈钢建筑物墙面
由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性、耐久性和容易保养的特点，将不锈钢应用于建筑物外表面是非常合适的，这样可以达到结构性能与建筑美学的完美统一。
１９９６年在美国Ｆｌｏｒｉｄａ州的 Ｔａｍｐａ市建造了科学工业博物馆，覆盖面积１１０００ｍ２，该博物馆因形成强烈反差的几何形状和醒目的外表颜色而引人注目（图１）。博物馆外表的曲线形墙面是把三角形彩色不锈钢板固定在铝合金辅助支架上，二者间的连接采用不锈钢螺栓。在整个墙面系统中大约采用了２９ｔ，１６ｍｍ 厚的（ＡＩＳＩ３０４级）退火不锈钢板。
２０００年在英国的Ｓａｌｆｏｒｄ建造了一栋综合性的建筑物Ｌｏｗｒｙ，它包括一个１７５０座的大剧场和一个４５０座的可调庭院剧场，并附带展馆、学习中心、滨水餐厅等附属设施，在新世纪为人们提供了一个娱乐和教育的理想场所（图２）。Ｌｏｗｒｙ占地面积２４０００ｍ２，造价６４００万英镑。建筑的外表采用了０４ｍｍ厚的不锈钢板（ＡＩＳＩ３１６级），具有良好的反射效果，而且保养维护简单。此外，在结构中也采用了工字型截面的不锈钢型钢作为门窗扇中梃。
欧洲人权法院于１９９４年建于法国 Ｓｔｒａｓｂｏｕｒｇ市，该结构的平面形状丰富，好像带着“头”和“尾巴”，在建筑形式中体现了其功能［１０］（图３）。建筑物端部的两个筒状结构墙面共使用了面积５０００ｍ２的不锈钢板（ＥＮ１００８８１４４０１级），板厚２ｍｍ。
其他关于不锈钢应用在建筑物立面的实例，如马来西亚吉隆坡的石油双塔、１９９２年西班牙世博会的ＢｒｉｔｉｓｈＰａｖｉｌｉｏｎ等。
２２ 玻璃幕墙不锈钢支承体系
玻璃幕墙由于具有良好的建筑表现能力，近年来在大型公用建筑中获得了广泛的应用。其支承体系多采用耐腐蚀性能好的不锈钢构件，在法国的ＬｏｕｖｒｅＰｙｒａｍｉｄ中的应用堪称经典之作［１１］，为建筑、结构、机械技术绝妙的结合（图４）。
清华大学游泳馆门厅采用了三维点支式玻璃幕墙，通过不锈钢连接件将三角形玻璃面板固定在不锈钢拉杆组成的支承结构上（图５）。其他工程，如联想融科园、北京植物园展览温室、新保利大厦等建筑的玻璃幕墙中均有应用，取得了较好的效果。
２３ 不锈钢屋盖结构
不锈钢具有能经受环境的侵蚀和容易保养的特点，非常适用于作为建筑物的屋盖结构。在对不锈钢进行表面处理以后，可以获得很好的建筑效果。１９８５年建于法国巴黎的ＬａＧｅｏｄｅ超现代剧院就是一个成功应用不锈钢的典范（图６）。它坐落在水池的中央，有着镜面外观，整体呈圆球状。剧院的顶棚和内部结构都靠一根巨大的钢筋混凝土墩来支承，从墩上伸出悬臂以承担横向梁上的荷载。剧院的外表采用１５ｍｍ 厚，２ｍ 长的不锈钢板，充分利用其良好的耐腐蚀性和表面磨光后易于保养的特点。
英国伦敦Ｔｏｗｅｒ４２于１９９７年建造了一个３层楼高的入口馆（图７）。该结构是不锈钢骨架和透明玻璃面板的组合。墙面及屋顶的玻璃直接利用不锈钢连接件固定在不锈钢檩条上，整个结构通透性好，具有建筑美感。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201103/14814.htm
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