引論：我們?yōu)槟砹?篇建筑工程中不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。

0引言

不銹鋼結(jié)構(gòu)是以不銹鋼為材料進行設(shè)計施工的一種結(jié)構(gòu)種類。不銹鋼結(jié)構(gòu)繼承了鋼結(jié)構(gòu)自重較輕、空間跨度大、施工速度快、裝配式程度高等優(yōu)點，還額外具有優(yōu)秀的抗腐蝕能力，提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1不銹鋼材料的特點

與普通碳素鋼相比，不銹鋼材中的合金元素增加了鉻、鎳、錳等，賦予了不銹鋼材料特有的材料屬性。不銹鋼材料的特點主要有以下幾個方面：①不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，特別適合于處于海邊臨水等其他易腐蝕環(huán)境下的建筑工程。②不銹鋼具有耐高溫性、低溫韌性和加工性能等優(yōu)秀的力學(xué)性能。③不銹鋼易于回收利用，重復(fù)利用率高，是綠色材料，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。④目前不銹鋼的單價較高，大約是普通碳素鋼的四倍。雖然單價較高，但綜合不銹鋼的高性能以及人們對于美好生活的期望，不銹鋼的消費需求在近年來逐步攀升[1]，其中包括了建筑用不銹鋼需求。

2不銹鋼材料在建筑工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1不銹鋼圍護結(jié)構(gòu)

在建筑工程領(lǐng)域，不銹鋼首先被應(yīng)用于建筑的圍護結(jié)構(gòu)中。圍護結(jié)構(gòu)處在建筑的外圍，與外界環(huán)境直接接觸，在圍護結(jié)構(gòu)中運用不銹鋼材料最能發(fā)揮其抗腐蝕的特性。但不銹鋼圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)點不止在于抗腐蝕性，可總結(jié)為三個方面：①不銹鋼材料的美學(xué)特性。不銹鋼材料的表面可進行高度的拋光處理，金屬光澤相當(dāng)美觀。如果是選用不銹鋼板材作為建筑外立面的裝飾，能達到鏡子般的反射效果[2]。鏡面不銹鋼的運用成為建筑師消隱結(jié)構(gòu)構(gòu)件、使建筑與周邊自然環(huán)境融為一體的巧妙手法，也是建筑師模糊空間尺度的視覺手段。②不銹鋼具有高強度的特點。不銹鋼具有和普通鋼材相近的材料強度，這意味著圍護結(jié)構(gòu)能更好地承受自重，也意味著圍護結(jié)構(gòu)能盡量做得輕薄，從而降低建筑工程整體的自重。穿孔不銹鋼板的應(yīng)用正是利用了不銹鋼材料強度高的特性[3]。此外，結(jié)構(gòu)的輕薄也有利于工程的經(jīng)濟性，因為能盡可能地節(jié)約材料用量。③不銹鋼有抗腐蝕性強的特點，使得建筑更易于維護，降低建筑全壽命周期中的維護成本。另一方面，不易腐蝕的不銹鋼的使用壽命相比普通碳素鋼材更長，使得建筑的使用壽命更長，更符合低碳建筑的要求[4]。在當(dāng)前“碳達峰”、“碳中和”被提出的背景下，不銹鋼更是面向未來的建筑材料。國內(nèi)外建筑師運用不銹鋼作為建筑外圍裝飾的成功案例包括日本的直島車站[2]和上海的巴士一汽改造項目[3]。

2.2不銹鋼主體結(jié)構(gòu)

隨著建筑師和業(yè)主的要求日益提高，僅僅在圍護結(jié)構(gòu)中采用不銹鋼已經(jīng)無法滿足建筑設(shè)計的需求，以不銹鋼材作為主體承重結(jié)構(gòu)的材料開始逐步得到實際應(yīng)用。國內(nèi)不銹鋼結(jié)構(gòu)主要采用了空間結(jié)構(gòu)的形式。早期的應(yīng)用主要是較常規(guī)的不銹鋼螺栓球或焊接球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[4]。近年來，越來越多復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)開始使用不銹鋼材料，以滿足建筑師高標(biāo)準(zhǔn)的要求。陳達鋒[5]在酒店入口的玻璃屋蓋中采用了不銹鋼空間桁架結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)，構(gòu)件采用不銹鋼鋼棒和不銹鋼無縫鋼管。不銹鋼構(gòu)件采用了美國標(biāo)準(zhǔn)中的不銹鋼牌號，并參照普通鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進行設(shè)計。王元清等[6]設(shè)計了一種不銹鋼球型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，材料采用奧氏體316不銹鋼，屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值為205MPa。鄔紅茹等[7]在一種樹狀柱的設(shè)計中采用了不銹鋼材料，不銹鋼牌號為S31603，屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值為170MPa。

3建筑工程中不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

3.1不銹鋼材料的選用

不銹鋼屬于多合金材料，不同合金的含量造成了不銹鋼材料的多樣性。在建筑工程中，常用的不銹鋼種類為奧氏體不銹鋼和雙相體不銹鋼，每個種類的不銹鋼又可以再細(xì)分為不同的牌號。中國的不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程包含了六種牌號的不銹鋼[8]。不同牌號的不銹鋼的耐腐蝕度和強度有所差異，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工程的實際情況進行選用[9]。一般而言，耐腐蝕性越好、強度越高的不銹鋼材單價越高，因此需要根據(jù)建筑工程所處的具體環(huán)境來確定工程對于耐腐蝕的需求，以節(jié)約資源和控制工程的造價。

3.2不銹鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析

由于不銹鋼材料的高強度和高單價，不銹鋼結(jié)構(gòu)多采用細(xì)長的構(gòu)件和輕薄的截面，以充分地利用結(jié)構(gòu)材料和節(jié)約工程造價。由細(xì)長構(gòu)件和薄柔截面組成的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件容易在壓力作用下發(fā)生穩(wěn)定破壞，因此不銹鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)特別重視穩(wěn)定分析。此外，材料的彈性模量是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素，彈性模量越低，越不利于穩(wěn)定。彈性模量的大小可由應(yīng)力應(yīng)變（σ-ε）曲線的斜率來表示。由圖1所示的不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可看到，在應(yīng)變小于0.2%的階段，不銹鋼的彈性模量會隨著應(yīng)變增大而不斷降低，因此不銹鋼結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)定更為敏感。不銹鋼結(jié)構(gòu)由一個個不銹鋼構(gòu)件拼裝而成，因此穩(wěn)定分析可以分為結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析、結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定分析、構(gòu)件的整體穩(wěn)定分析、構(gòu)件的局部穩(wěn)定分析。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析的目的是保證不銹鋼結(jié)構(gòu)不會發(fā)生整體失穩(wěn)，即保證結(jié)構(gòu)不會在荷載作用下發(fā)生過大的變形，甚至整體倒塌。整體穩(wěn)定分析的關(guān)鍵是在受力分析前正確引入結(jié)構(gòu)的整體初始缺陷。真實世界中的工程由于施工誤差的存在，構(gòu)件安裝位置與實際圖紙存在偏差，使得真實結(jié)構(gòu)與圖紙結(jié)構(gòu)存在形態(tài)上的略微差異。整體初始缺陷的引入使得結(jié)構(gòu)分析模型稍微偏離了最理想的狀態(tài)，是對真實世界結(jié)構(gòu)的一種近似模擬。目前結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析可以采用一致缺陷法，即用結(jié)構(gòu)屈曲分析得到第一階模態(tài)作為結(jié)構(gòu)整體初始缺陷的形狀。結(jié)構(gòu)的局部即為構(gòu)件，因此結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定分析和構(gòu)件的整體穩(wěn)定分析實際上是同一件事。構(gòu)件的整體穩(wěn)定分析的目的是為了不高估構(gòu)件的承載力。高估構(gòu)件的承載力會使得實際工程中構(gòu)件提前退出工作，造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，進而影響結(jié)構(gòu)的整體性能。構(gòu)件的穩(wěn)定分析可以采用兩種方法：長度系數(shù)法和直接分析法。對于復(fù)雜工程，應(yīng)分別使用兩種方法進行分析，并進行包絡(luò)設(shè)計，以確保工程的安全。構(gòu)件的局部穩(wěn)定分析的目的是在截面層面上保證構(gòu)件的承載力不被高估。不銹鋼構(gòu)件組成截面的板件厚度較薄，容易在壓力下發(fā)生屈曲，從而影響整個構(gòu)件的承載力。不銹鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定分析可采用有效面積法，對構(gòu)件的截面面積進行適當(dāng)折減，得到構(gòu)件承載力的合理預(yù)期。

3.3不銹鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

我國是地震多發(fā)國家，合理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是保障人民生命財產(chǎn)安全的重要手段。不銹鋼材的延性比普通碳素鋼要好，具體表現(xiàn)在不銹鋼的斷裂應(yīng)變較大，見圖2。因此一般意義下，不銹鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能能力強于普通鋼結(jié)構(gòu)，使用普通鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法是偏于安全的。若想更準(zhǔn)確地分析不銹鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)性能，可采用更高階的材料非線性時程分析方法。不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程提供了描述不銹鋼非線性本構(gòu)關(guān)系的方程，見式⑴。對于復(fù)雜的不銹鋼結(jié)構(gòu)，可采用此高階方法進行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，進行針對性的加強，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

3.4不銹鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計

不銹鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計是容易被忽視的地方，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的細(xì)節(jié)。節(jié)點是將構(gòu)件連接起來的方式，使數(shù)量眾多的構(gòu)件恰當(dāng)?shù)亟M合成一個整體的結(jié)構(gòu)。節(jié)點的正確設(shè)計對于結(jié)構(gòu)的整體安全性至關(guān)重要。一般來說，節(jié)點設(shè)計的原則是保證節(jié)點不先于構(gòu)件發(fā)生破壞，即“強節(jié)點弱構(gòu)件”。目前關(guān)于不銹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的研究仍較為匱乏，不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程中也缺少節(jié)點設(shè)計相關(guān)的章節(jié)。由于不銹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點形式的多樣性，眾多普通鋼結(jié)構(gòu)特定節(jié)點的設(shè)計方法是否適用于不銹鋼結(jié)構(gòu)仍有待研究。因此在設(shè)計不銹鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點時有必要進行更為精細(xì)化的節(jié)點有限元建模分析，以確保實現(xiàn)“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計目標(biāo)。

4結(jié)語

不銹鋼結(jié)構(gòu)既有普通鋼結(jié)構(gòu)自重輕、跨度大、施工速度快的優(yōu)點，又在耐腐蝕性上具有天然的優(yōu)勢，在建筑工程中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟和生活水平的提高，不銹鋼結(jié)構(gòu)將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。由于不銹鋼材料的特殊性，不銹鋼結(jié)構(gòu)具有區(qū)別于其他結(jié)構(gòu)的特點，在設(shè)計時應(yīng)注意把握。不銹鋼材的種類眾多，在設(shè)計的前期階段應(yīng)根據(jù)工程的實際情況正確選擇適當(dāng)?shù)牟讳P鋼牌號，才能進一步開展設(shè)計工作。不銹鋼的材料非線性是影響不銹鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，應(yīng)特別重視不銹鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析。通過不同的設(shè)計方法來正確處理不銹鋼結(jié)構(gòu)的整體和局部穩(wěn)定問題。對于不銹鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和節(jié)點設(shè)計，目前研究還相當(dāng)匱乏。因此在設(shè)計時應(yīng)使用更為高階和精細(xì)的設(shè)計方法，作為對常規(guī)設(shè)計方法的補充，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

【參考文獻】

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作者:黃亮思 單位:廣州市設(shè)計院集團有限公司