建筑结构用高强度钢材力学性能分析
2021-02-24吴坤
吴 坤
(中汽研汽车工业工程(天津)有限公司,天津 300300)
随着人们对建筑结构要求的不断升高,越来越多的高层、超高层建筑变得越来越多。在新型的材料应用上面也得到了明显、较大的发展,虽然我们国家对高强度建材在建筑结构方面的使用方面与其他一些发达国家相比,还存在着一定的距离,但是我国技术人员已经逐渐意识到高强度钢材的重要性与意义,与普通强度的钢材相比较,高强度钢材结构在受力方面、经济性和社会效益等等方面都具有超高的优势,工程应用潜力非常的大。
1 高强度钢材的生产、加工方法
想要将钢材的屈服强度进行大幅度的提升,主要的办法有两个,其一:科学、合理的将合金成分融入进去,例如:碳和锰等元素,虽然说运用这种方法将钢材的屈服强度进行提升非常的简单,但还是会有一定的弊病与缺点,就是将钢材在加工性能减小了,特别是可焊性。其二:热处理技术,此技术主要影响的是钢材的微结构和晶粒的大小,能够形成细晶粒结构的钢材,细晶粒结构的钢材与粗晶粒结构钢材相比,强度会变得更高,韧性也会比粗晶粒结构钢材要好。
其次,对于我国目前来说,新型的高强度钢材的结构主要还是以微合金化的细晶粒钢材为主,高强度钢材的冶炼技术有低碳含量和微合金化,即:在原来主核心元素的根本之上,再融入一些微量的碳氮物,或者是融入一些能够提升力学性能的元素,最终实现将钢材强度的提升。
2 分析高强度结构钢材的力学性能
2.1 静电拉伸力学性能
根据有效数据分析,钢材强度的等级和屈强比是呈现出正比例关系的,通俗的说就是:钢材的强度等级越高,屈强也会随之增高,当强度一旦超越了690兆帕的时候,屈强比的范畴就会在0.9—0.95之间;然而钢材的延展性和强度就会形成反比的关系,也就是如果钢材的强度正在慢慢的提高,钢材的延展性就会反其道而行之,慢慢的降低。
其次,国外钢材标准对于力学性能指标的限值的规定,将屈强比限值的范围控制在了0.8—0.85之中,钢材在断后的生长率一般在20%,而我国的高强度钢材的屈身比则在0.78左右,钢材的断后生长率在25%左右。通过这些标准和限值可以看出,它们能够应用于普通的钢结构或强度稍高的钢结构当中,如果钢材的强度一旦超越了690兆帕的时候,这些限制就会在很大程度上妨碍其工程的应用,所以我们要对力学的性能进行充分的分析和仔细的研究,从而明白其对构件受力性能的制约情况。
2.2 低温力学性能
经过了对高强度钢材进行低温拉伸的试验,得出以下的结论:高强度钢材在五个不同温度下的强度状态和延展性指标。实验中选择了我国生产的高强度钢材,并选择了20个圆形横截面,还有五个不同的温度分别是零下60℃、零下40℃、零下20℃、0℃、零上20℃,经过实验人员认真的实验与对比,温度与钢材的屈服强度、抗拉强度也在慢慢的提升当中;即:当温度发生减小时,而钢材的屈身强度却在慢慢的提升,抗拉强度也在逐渐升高。而温度和钢材的断后伸长率、延性呈现正比,即:伴随着温度的慢慢降低,钢材的断后伸长率也在慢慢的减小,延展性也随之变小、变差。
2.3 循环荷载下材料力学性能
经过对高强度钢材在15个不同循环加载制度下的力学性能分析得出,钢材具有抗震滞回性能。在具体的实验过程当中,选择了我们国家所生产的高强度钢材,最后得到的结果是:我国生产的高强度钢材有非常好的耗能能力,同时还有超高的抗震性,所有的断口都出现了延展性断裂,
其次,对于这种实验的结果,运用Ramberg—Osgood公式对于得到的骨架曲线进行了模拟,这样做可以促进有限元数值模拟的计算。
最后,实验还对我国生产的两种不同的钢材进行了循环荷载下力学性能的对比,得出的结果是:我国所生产的两种不同的高强度钢材的循环应变曲线都存在着一些常见的现象,例如:循环硬化和软化等等。
2.4 屈强比
屈强比是由工程应力所得到的,国际上有非常多的学者都对不同强度的钢材材料进行了不同的数据研究,以此得出了屈强比和钢材的曲强强度抗拉强度都呈现出了正比趋势。即:钢材的曲强度正在慢慢的提升时,钢材的屈强度也会随着升高,而当钢材的抗拉强度提升时,屈强强度同样也会随之增加。
3 高强度结构钢材力学性能的特点与优势
3.1 应力—应变曲线
结构钢材的力学性能标准中主要包括:屈服的强度、屈强、断后伸长率等等,在我国的建筑工程当中,大部分运用的都是钢材的静力拉伸曲线(也就是应力—应变曲线)来体现材料的性能。
图1 不同等级钢材的应力-应变曲
从图1可以看出,高强度钢材与传统普通钢材所比较,在力学性能方面所体现出来的优势。普通强度的钢材应力—应变曲线大多都是有非常明显的屈服平台和强化阶段的,而其中屈服阶段大致都是从0.2%到2.52%而发展的,同时屈强有比较低的特点,大致都在0.6左右。但是伴随着钢材强度的逐渐提升,屈服平台的长度也会慢慢的缩小,并且强度伴有抗拉性,同时对应的应变值也在慢慢的变小。当屈服强度继续向上升高时,工程的应力—应变曲线就变得没有明显的屈服平台,抗拉强度所对应的应变值会继续变的减少,屈服强度和抗拉强度之间的距离也在慢慢的缩小当中。
由此可以看出,高强度钢材与普通强度钢材相比较,高强度结构钢材工程应力—应变曲线的屈服平台长度会变短,而屈服的强度超越了690兆帕的时候,大多是没有明显屈服平台的。抗拉强度对应的应变值和屈强比会随着强度的提升而分别缩小与变大。
3.2 钢材的韧性
关于高强度结构钢材韧性的问题,早在1999年德国钢铁协会召开的时候,就关于这个问题进行了仔细的分析和综合的讨论,在会议中人员全部认为,在考虑安全因素时,韧性才是最重要的材料性能标准。 其次,在实际的建筑工程当中,对于工程构建韧性的需求同样也会伴随着强度的提高而增加,因此,运用高强度钢材所建筑出来的工程设计材料应该具有更高的韧性。假如运用传统的增加碳含量或者采用冷拔方式来提升建材强度,那么高强度钢材意味着第一韧性就是正确的。但是新型高强度微合金化刚才的高强化就是经过了科学、合理的控制钢材微合金元素含量和成分、同时在压制过程当中运用的是崭新的技术,进行温度形变、控轧、控冷等现代手段来体现的,由此可以看出,新型高强度钢材并不代表着低韧性,而事实却是其拥有更高的韧性。
4 结语
综上所述,高强度钢材在结构上的发展受到了一定程度的影响,钢材的力学性能主要包括:静力拉伸力学性能、低温力学性能、疲劳性能、循环荷载下材料力学性能几种,虽然我们在建筑结构高强度钢材力学性能分析方面还存在着一些问题和不足,但是作为研究人员还是应该要不断的总结和学习,并且还要进行仔细的分析和综合的讨论。