建筑结构用高强度钢材力学性能研究

李洪舟

摘要：高强度钢材被广泛应用在建筑行业，其钢结构强度的力学性能，是可以影响建筑结构的性能的，因此想要提高建筑的经济效益，一定要合理使用高消毒钢材，使其可以发挥出钢结构的性能。现阶段人们对建筑性能的要求是逐年递增，想要钢材具备良好的性能，首先就是要了解钢材的性能特征，才能选择好钢材，使其发挥出应有的优势。随着钢材的生产工艺的提升，许多地方对钢材的要求却未改变，导致钢材不能发挥出应有的性能和作用。本文主要是研究钢材的力学性能，详细分析了钢结构和力学性能之间的关系，希望可以优化钢材的使用。

关键词：高强度钢材;力学性能;研究

高强度钢材是通过热机械轧制技术融入微合金化，生产出的钢材延展性好，且韧性极强，在建筑行业可以广发应用。近几年建筑物的经济效益和環保效益都有了显著提高，主要是因为钢结构的性能大幅度提高。高强度钢材不仅能使安全性提高，还能极大的节约成本，既可以减少工程建设的碳排放，还能使建筑物能耗下降。现阶段我国大部分工程都需要使用高强度钢结构，经验已经积累了许多，但对钢材的特性了解还是不够，无法真正发挥出钢材的作用，需要弄明白影响钢材性能的几大关键因素，例如力学性能和受力性能。

1高强度结构钢材生产方法

主流的提升钢材强度的方式是两种，第一种方式是在钢材内加入猛、碳等元素，通过这种方式可以改变钢材内合金组成成分，但缺点也很明显，由于强度提升过大，加工性能会下降，可焊性极低。第二种方式是通过热处理，热处理可以逐渐改变钢材内部结构，主流的是改变品粒大小，热处理后钢材的品粒结构发生改变，使得强度变大，最关键是韧性也得到增强，加工性能却没有变化。因此现阶段我国的新型高强度钢材是混合的处理方式合成的，主要是在合金基础上融入细化晶粒。

2建筑结构钢材的力学性能要求

2.1低温力学性能

研究是通过对14mm厚钢材进行拉伸实验，得出该钢材的不同温度下的拉伸性能。实验需要在-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃下分别进行测试，测试出强度、延性的变化，还要记录断口的形貌加以对比，通过实验的结果分析出，在温度上升过程中，钢材的拉伸强度和屈服强度都在下降，断口面积也在增加，得出延性变好。在-40℃下进行实验过程中发现，钢材断口处出现了脆性增加，应该是由韧性转化而来，但在-60℃下进行实验过程中发现，脆性几乎为零，伸长率明显增加，能够达到34.6%，还在合理的范围内。因此需要在实验过程中注意低温韧性断裂的问题，仔细记录好裂纹尖端发生的位移，还要观察断口周围的形状特征，经过详细的分析对比后，裂纹尖端的位移跟温度成正比的，温度上升位移会增加，表明钢材发生断裂一定是韧性变差的结果。断口的脆性断裂多出现在温度为-40℃以下，实验的结果也证明了这点，根据这一规律，总结出韧性开始向脆性转变时的温度，为小于-40.7℃时。使用ANSYS分析后，得出结论为尖端位移变化时有规律的，尤其在板厚不达标时，厚度方向变化不大，配合等效应力分布可惜得出最终结论，危险截面的出现一定是还在裂纹尖端的合理范围内。

2.2静力拉伸力学性能

经过大量的实验后，发现钢材的屈强比会跟钢材的强度和等级成正比，特别是当强度大于720MPa时，屈强比是在0.88-0.96范围内变化。但钢材的延展性和屈强比刚好相反，延展性和强度成反比，当强度下降时延展性会一直增加，可高强度钢材的特性是，不会在强度变大时韧性下降。国内外对钢材标准制定时是不一样的，现有钢材标准和钢结构设计规范中，对材料力学性能有明显规定，我国设定的屈强比范围是0.79-0.86，欧洲的设计规范中规定，高强度钢材屈强比最大值为0.96，钢材的断后伸长率一定不能超过20%，也不能低于15%。我国的钢材设计规范中规定高强度钢材屈强比在0.75-0.8之间，断后伸长率最好不超过30%，可以在特定条件下达到更高，但必须满足规范的其他要求。特别应该注意的是一旦高强度钢材的强度高于690MPa时，钢材自身特性就会制约其发展，因此需要加强对新材料构件特性的研究，降低其力学性能对其产生的影响，使钢结构的不但能符合设计规定，还具备良好的稳定性。

3高强度钢材受压件的研究

3.1局部性能研究

近几年随着科学技术的发展，不少学者也在针对高强度钢材特性进行研究，主要是研究了高强度钢材焊接截面长短柱性能，根据现有《钢结构设计规范》的规定，当中心轴受压构件的宽度超过工字型钢的宽度时，高强度钢材可以承受更大的压力。特别是在对焊接箱型和工字型截面进行稳定性比较时，会发现现有的国内外规范对局部屈曲应力计算公式和屈曲后极限应力计算公式都还不够完善，应该加以修改。然后在进行高强度热轧等变焦短钢柱稳定性比较时，会发现数值对应不同的分析结果，这些结果可以组成对应曲线，曲线跟规范内的曲线进行比较，表明构件的两肢板的镶固系数可以取1.0。

3.2整体稳定性研究

现阶段国外很少进行高强度钢材受压件稳定性实验，所以也没有经验可以总结，想要研究高强度受压钢柱的整体稳定性，需要借鉴我国的高强度钢材规范，但规范里的设计曲线由于过于保守，没能发挥出高强度钢材的全部优势，已经无法匹配现代社会的需求。端部约束的焊接工字型刚截面受压柱实验已经通过国家验证，构件的整体稳定性想要提高，就要使用屈服强度超过690MPa的高强度结构钢。

结语：

综上所诉，钢结构使用和发展受到一定的制约，无论是静拉伸力学性能、低温力学性能等几种不同的力学性能进行研究，发现当前国家对于建筑高强度钢结构使用并没有充分发挥钢结构的性能，对数值和曲线还需要进行修正。所以，还需要对钢材的力学性能和结构性能进行进一步的深入分析，了解高强度钢的特点，改善使用方法，发挥钢结构的性能，提升建筑的效益。

参考文献：

[1]周国浩. 复合型高性能钢材轴压柱常温及火灾下整体稳定性能研究[D].清华大学，2020.

[2]荣成骁. 结构钢材高温过火后性能研究[D].清华大学，2018.