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结构用钢的新发展

发布时间:2023-08-23浏览次数:0

国内外在高性能钢材的应用方面取得不少新进展,其中包括高强度高性能钢、低屈服点钢和耐火钢的开发和应用等。

  我国新修订的钢结构设计规范中增列了性能优良的Q420钢,该钢材(15MnVN)已成功地应用在九江长江大桥的建设中。另外我国冶金部门制订了行业标准《高层建筑结构用钢板》(YB4104),该钢板是专门供高层建筑和其他重要建(构)筑物用来生产厚板焊接截面构件的。其性能与日本建筑结构用钢材相近,而且质量上还有所改进。我国有些企业正在试生产屈服点达到100N/mm2的低屈服点钢材,相当于日本的LY100钢,可用于抗震结构的耗能部件。有的企业正在开发耐火钢,该钢即使加热到600℃也能保持常温2/3以上的强度。

  日本在1994年制定了新的建筑结构专用钢材规格《建筑结构用轧制钢材(JIS G3136):SN标准》。该种钢材的质量等级已不再按夏比(Charpy)冲击试验分类,而是按使用部位、提示有关需要分类。如SN400A(相当于我国的Q235A)只能使用在次要构件处于弹性范围的、原则上非焊接的构件或部位;SN400B及SN490B(接近于我国Q345强度等级)是能保证塑性变形和焊接性能的钢材。使用在抗震结构构件和部位中;SN400C及SN490C具有非常好的抗层状撕裂性能,主要使用在如箱型柱的外部板材等需要板厚方向性能(Z向性能)的构件和部位中。SN B、C类钢材均对屈服点的上限值做出了规定,以防构件需塑性变形耗能的部位不能进入塑性屈服;并对碳当量及磷、硫的上限予以严格限制。SN C类钢材对硫的含量提出了更严格的限制,并规定生产厂家有义务进行超声探伤试验,以确保板厚方向的性能。目前日本国内建筑用厚钢板的70%为SN钢材。日本已开发出LY225钢、LY100钢等低屈服点钢和耐火钢(FR钢)。美国和欧洲等国家也在高强度高性能钢材的研制和应用等方面做出了不少贡献。如美国生产的经调质处理的合金钢板A514,其屈服点高达690 N/mm2,并可用于焊接生产。

  相对来说,我国钢材的种类和质量均不及工业发达国家的。如何研制开发新型高效钢材是摆在我国冶金战线科技工作者面前的一项重要任务。

            新型结构体系的应用和发展
  
  近年来,在全国各地修建了大量的大跨空间结构,网架和网壳结构形式已在全国普及,张弦桁架、悬挂结构也有很多应用实例;直接焊接钢管结构、变截面轻钢门式刚架、金属拱型波纹屋盖等轻钢结构也已遍地开花;钢结构的高层建筑也在不少城市拔地而起;适合我国国情的钢-混凝土组合结构和混合结构也有了广泛应用;目前好多地方都在建造索膜结构的罩棚和建筑小品;……。可以毫不夸张地说,我国已成了各种钢结构体系的展览馆和试验场。

  各种不同的结构体系各有所长,但生命力较强的结构体系均具有如下特点:
  (1) 必须是几何不可变的(除悬索、薄膜等张拉结构)空间整体,在各类作用的效应之下能保持稳定性、必要的承载力和刚度;
  (2) 应使结构材料的强度得到充分地利用,使自重趋于****;
  (3) 能利用材料的长处,避免克服其短处;
  (4) 能使结构空间和建筑空间互相协调、统一;
  (5) 能适合本国情况,制作、安装简便,综合效益好。
  
  目前我国正在进行大规模的基本建设,许多大型复杂的钢结构工程,包括2008年奥运场馆工程的建设都正在进行中。选择****合理的结构体系,既能满足建筑艺术需要,又能做到技术****、经济合理、安全适用、确保质量就显得非常重要。目前有一种为追求建筑造型新奇、怪异,而不惜浪费钢材采用较笨重的结构形式的倾向是值得警惕的。

               设计方法的新发展
  
  目前我国采用的概率极限状态设计法的特点是用根据各种不定性分析所得到的失效概率(或可靠指标)去度量结构的可靠性,并使所计算的结构构件的可靠度达到预期的一致性和可比性。但是该方法还有待发展,因为用它计算的可靠度还只是构件或某一截面的可靠度而不是结构体系的可靠度,该方法也不适用于构件或连接的疲劳验算。
  
  目前大多数国家(当然包括我国)采用计算长度法计算钢结构的稳定问题。该方法的步骤是:采用一阶分析求解结构内力,按各种荷载组合求出各杆件的较不利内力,按****类弹性稳定问题建立结构达临界状态时的特征方程,确定各压杆的计算长度;将各杆件隔离出来,按单独的压弯构件进行稳定承载力验算,验算中考虑了弹塑性、残余应力和几何缺陷等的影响。该方法的****特点是采用计算长度系数来考虑结构体系对被隔离出来的构件的影响,计算比较简单,对比较规则的结构也可给出较好的结果。

  规范GB50017在5.3.3条中列入了有支撑框架柱计算长度系数的有关条款,并给出了强、弱支撑框架的概念。认为弱支撑不足以阻止框架的侧移,其框架压杆的稳定系数可利用规范中查得的相应于有、无侧移框架柱的稳定系数经插值求得。该法计算比较简单,概念也较清楚,完善了有支撑框架的稳定计算方法。

  计算长度法存在以下缺陷(以框架结构为例):①不考虑节间荷载的影响,按理想框架分枝失稳求特征值的方法求解稳定问题,得不到失稳时框架的准确位移,无法精确考虑二阶效应的影响;②不能考虑结构体系中内力的塑性重分布,因此对大型结构体系常常给出保守的设计,使结构体系的可靠度高于构件的可靠度;③不能精确地考虑结构体系与它的构件之间的相互影响,无法在给定荷载下预测结构体系的破坏模式;④需要花费大量时间进行各构件的承载力验算,包括计算长度的计算;⑤不便于基于计算机的分析和设计。

  要克服上述问题,必须开展以整个框架结构体系为对象的二阶非弹性分析,即所谓高等分析和设计。此时,可求得在特定荷载作用下框架体系的极限承载力和失效模态,而无需对各个构件进行验算。目前欧洲钢结构试行规范(EC3)和澳大利亚钢结构标准都列有二阶弹塑性分析或高等分析的条款。我国新规范则列入了无支撑纯框架可采用二阶弹性分析的条款。上述的方法主要是用来计算内力的,然后还要验算构件的承载力,只是计算长度或取构件的实际长度,或者按无侧移框架确定计算长度。

  应当指出,同时考虑几何非线性和材料非线性的全过程分析(高等分析)给出的结构承载能力,将同时满足整个体系和它的组成构件的强度和稳定性的要求,可完全抛弃计算长度和单个构件验算的概念,对结构进行直接的分析和设计。但目前仅平面框架的高等分析和设计法研究的比较成熟,空间框架的高等分析距实用还有很大的一段距离有待跨越。
高等分析和设计方法的缺陷是:①由于考虑了非线性的影响,对荷载的不同组合都需要单独进行分析,叠加原理不再适用;②高等分析依赖于精确的计算模型,如果初选截面不合理,将耗费较多的时间调整截面;③构件的局部稳定和出平面空间稳定必须确保,目前的高等分析还不包括这些方面的验算内容;④该法是基于计算机的设计方法,无法进行手算,因此计算程序的优劣将直接影响设计效率。

  高等分析和设计是一个正在发展和完善的新设计方法,而且是一种较精确的方法,我们可以用其来评价计算长度法的精度和问题,提出有关计算长度法的改进建议。可以预期,在近期内这两种方法将并存,并获得共同的发展。今后,随着计算机技术的发展,高等分析和设计法将逐渐成为主要的设计方法。对于这一点,我们必须有清醒的认识,应加紧开展相应的研究,以便在下一次钢结构规范修订时能达到国际相同的水平。

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