不锈钢构件的结构性能研究进展

吴边

摘 要：作为一种理想的建筑材料，不锈钢能够从根本上解决钢结构工程的防锈和后期维护等问题，具备巨大的发展潜力和广泛的应用前景，近年来已经成功运用于结构工程领域。不锈钢材料典型的非线性应力-应变关系和强冷作硬化效应会对不锈钢构件的结构性能产生明显影响，这也是不锈钢结构与普通钢结构的一个显著区别，有必要加以深入研究。本文围绕不锈钢构件的结构性能这一主题，一方面介绍了当前国内外已有研究的不足之处，例如国产不锈钢管、辊弯成型不锈钢管试验研究较少等;另一方面对构件稳定性设计方法等重要问题的研究进展加以详细介绍，最后对增材制造技术带来的新问题新挑战加以简介。

关键词：研究进展;不锈钢结构;冷加工强化;残余应力模型;增材制造

相比于钢结构工程中广泛使用的碳素钢和低合金钢材料，不锈钢材料具有优秀的耐腐蚀性和耐久性，能够从根本上解决钢结构工程的防锈和后期维护问题;同时，不锈钢材料具有优良的力学性能、耐高温性能和低温韧性，近年来已经成功运用于结构工程领域。

不锈钢材料除了具备优秀的耐腐蚀性和耐久性外，还具备明显的塑性和韧性，表现出优异的塑性变形能力。不锈钢材料在低周循环荷载下的循环强化现象明显，具有比低碳钢更好的耗能能力，其抗震耗能性能良好。不锈钢材料在冷加工过程中的强冷作硬化效应可以明显提高材料强度，其对不锈钢构件的结构性能影响是不锈钢结构与普通钢结构的一个显著区别。作为典型的非线性金属结构材料，不锈钢材料的变形模量和构件的整体刚度会逐渐降低，构件的屈曲临界荷载会随之减小，催生了结构构件的稳定问题;而且，由于不锈钢结构的初期成本较高，对结构设计的经济合理性提出了更高的要求，以提高截面的强度利用效率，结构设计荷载一般由稳定承载力控制，需要深入研究不锈钢结构构件的稳定性能和受力特性，从而得出具体的设计计算方法和建议。当前国内外学者对不锈钢管构件的结构性能开展了较多研究，以下将从不锈钢材料的力学性能，不锈钢构件的稳定性，增材制造不锈钢构件三个方面对当前研究现状和未来的研究热点加以简要总结。

1 不锈钢材料的力学性能

结构工程中常用的奥氏体、铁素体和双相型不锈钢材料均表现出明显的弹塑性特征，其应力-应变曲线连续光滑，不存在直观的屈服点和屈服平台，与低碳钢差异较大。不锈钢材料大都具有可观的应变硬化能力，按照名义屈服点（）计算的强屈比大，延性很好。当前各国规范普遍采用的不锈钢材料本构模型为两阶段模型，第一阶段（）采用Hill[1]修正后的Ramberg-Osgood公式（式1），第二阶段（）一般采用Mirambell 和 Real提出[2]，Rasmussen[3]简化后的公式（式2）。同时，应用较多的还有W.M. Quach等提出的三阶段模型[4]，朱浩川等[5]的研究验证了该三段模型的广泛适用性。

（1）

（2）

兩阶段模型需要确定应变强化指数n和m和极限抗拉强度，不同的材料种类，不同的生产加工方式上述参数都会有所区别，多数研究主要集中在准确给出上述参数及其变化规律。由于冷成型工艺对不锈钢材料性能的影响，材料的强化效应显著。2013年Afshan、Rossi和Gardner[6]对冷成型构件中不锈钢材料的性能进行了研究，涵盖了奥氏体型、铁素体型、双相型和Lean Duplex不锈钢。2014年W. M. Quach和P. Qiu采用试验和有限元法研究了折弯成型弯角区材料的力学性能，同时引入初始的缺口缺陷，获得了弯角区材料的应力-应变全过程曲线。2019年J. Wang等人研究了双相型不锈钢管材料力学特性。

冷加工不锈钢板工艺分为折弯（Press-Braked）和辊弯（Cold-Rolling）两类，两类冷加工过程是不断对材料加载、卸除、硬化的过程，不锈钢板材从原始退火状态不断演变至最终成型状态，存在明显的材料强化和残余应力，多数研究采用试验研究+数据拟合的方式。针对材料的冷加工强化效应，进一步研究材料本构关系中的E， fy， fu， n， m等参数的变化规律和计算方法。针对辊弯成型圆管开展试验测定残余应力分布，同时研究材料强化效应，进而在试验资料的基础上研究其材料强化模型;区别于折弯成型过程可近似认为是理想的纯弯曲问题，辊弯成型过程中还存在板材挤压等复杂的变形过程，一般采用有限元模拟的办法研究。

2 不锈钢构件的稳定性

近年来，各国学者针对不锈钢轴心受压构件从截面层面、构件层面开展了大量的研究，涵盖了冷加工成型和板材焊接两大类构件制造方式。冷成型构件局部稳定的研究，需要考虑到不锈钢材料的非线性特性。对于厚实截面，由于其在材料达到名义屈服后才发生局部屈曲，为了在计算中充分利用材料应变强化效应，Gardner等提出了连续强度法（CSM法）并不断拓展CSM法的使用范围。在构件层面的整体稳定性和相关稳定性研究方面已有数量可观的试验研究资料，各国研究者提出的整体稳定和相关稳定承载力的计算方法主要包括一系列基于Perry公式的修正计算法，基于CSM的计算方法，基于直接强度法（DSM）的计算方法。

当前对构件层面上不锈钢管的结构性能研究重点，主要集中在轴心受压构件的局部稳定、整体稳定和相关稳定方面，需要重点研究如何在构件承载力的设计计算方法中，体现出不锈钢材料显著的应变强化的影响。从设计方法来看，在DMS法和 CMS法的基础上开展深入研究，利用现有的大量的试验数据和数值模拟数据加以验证，提出一套适合不锈钢轴心受压构件的设计方法。当前对不锈钢受弯曲构件的稳定性研究很少，有必要在这一方面开展系统研究。

3 增材制造不锈钢构件

随着金属增材制造技术（3D打印）的快速发展，不锈钢材料作为一种高成本建筑材料，在增材制造方面有很大的发展前景。具体到增材制造手段方面，C. Buchanan等学者指出粉末床融合技术（PBF）和直接能量沉积技术（DED）是目前适合构件尺度的增材制造技术，针对3D打印不锈钢构件的结构性能，C. Buchanan等还开展了相关研究，对采用PBF制造的不锈钢短柱的初步研究表明，相比传统方式，由于PBF制造过程中材料的快速冷却效应，材料强度较高，而弹性模量则有部分降低（约10%），根据短柱试验结果，已有的设计计算方法基本适用于这类截面。采用DED技术特别是电弧增材制造技术WAAM制造的不锈钢构件，会出现构件的壁厚不均匀等现象，这也给构件受力性能的计算带来了新的挑战。

当前对增材制造不锈钢构件的研究还较少，构件的残余应力是增材制造中比较复杂的问题和制造过程中的工艺参数密切相关，需要加以关注。增材制造要求基于整体的设计思路，这种从整体出发，同时考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷的结构分析、计算、设计方法的研究也是当前的热点。

4 结语

不锈钢作为一种理想的建筑材料具有广泛的应用前景，然而，国内对不锈钢结构的研究起步较晚，当前的研究工作开展仍显不足，相关试验研究资料和研究积累比较有限，仍然需要大量开展研究工作。特别是对构件稳定性设计方法等关键性问题需要深入开展研究，3D打印等新的制造技术带来的新问题新挑战也会成为未来不锈钢构件领域的研究热点。

参考文献：

[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. 不锈钢材料的应力-应变模型. 空间结构， 2011， 17（1）： 62-69.

[6] 舒赣平，王元清，袁焕鑫，郑宝锋.《不锈钢结构技术规程》的编制及内容简介[J].工业建筑，2015，45（12）：1-6+12.