引論：我們?yōu)槟砹?篇建筑工程中不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(diǎn)

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(diǎn)主要有以下幾個(gè)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(jià)較高，大約是普通碳素鋼的四倍。雖然單價(jià)較高，但綜合不銹鋼的高性能以及人們對(duì)于美好生活的期望，不銹鋼的消費(fèi)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)中。圍護(hù)結(jié)構(gòu)處在建筑的外圍，與外界環(huán)境直接接觸，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中運(yùn)用不銹鋼材料最能發(fā)揮其抗腐蝕的特性。但不銹鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)不止在于抗腐蝕性，可總結(jié)為三個(gè)方面：①不銹鋼材料的美學(xué)特性。不銹鋼材料的表面可進(jìn)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(dá)到鏡子般的反射效果[2]。鏡面不銹鋼的運(yùn)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(qiáng)度的特點(diǎn)。不銹鋼具有和普通鋼材相近的材料強(qiáng)度，這意味著圍護(hù)結(jié)構(gòu)能更好地承受自重，也意味著圍護(hù)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(qiáng)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(jì)性，因?yàn)槟鼙M可能地節(jié)約材料用量。③不銹鋼有抗腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得建筑更易于維護(hù)，降低建筑全壽命周期中的維護(hù)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(zhǎng)，使得建筑的使用壽命更長(zhǎng)，更符合低碳建筑的要求[4]。在當(dāng)前“碳達(dá)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(guó)內(nèi)外建筑師運(yùn)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(xiàng)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(hù)結(jié)構(gòu)中采用不銹鋼已經(jīng)無(wú)法滿足建筑設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用。國(guó)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(diǎn)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(dá)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(wú)縫鋼管。不銹鋼構(gòu)件采用了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的不銹鋼牌號(hào)，并參照普通鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。王元清等[6]設(shè)計(jì)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為205MPa。鄔紅茹等[7]在一種樹狀柱的設(shè)計(jì)中采用了不銹鋼材料，不銹鋼牌號(hào)為S31603，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為170MPa。

3建筑工程中不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

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(gè)種類的不銹鋼又可以再細(xì)分為不同的牌號(hào)。中國(guó)的不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程包含了六種牌號(hào)的不銹鋼[8]。不同牌號(hào)的不銹鋼的耐腐蝕度和強(qiáng)度有所差異，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行選用[9]。一般而言，耐腐蝕性越好、強(qiáng)度越高的不銹鋼材單價(jià)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(duì)于耐腐蝕的需求，以節(jié)約資源和控制工程的造價(jià)。

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(qiáng)度和高單價(jià)，不銹鋼結(jié)構(gòu)多采用細(xì)長(zhǎng)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(jià)。由細(xì)長(zhǎng)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(jì)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(huì)隨著應(yīng)變?cè)龃蠖粩嘟档停虼瞬讳P鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于穩(wěn)定更為敏感。不銹鋼結(jié)構(gòu)由一個(gè)個(gè)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(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，即保證結(jié)構(gòu)不會(huì)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(shí)世界中的工程由于施工誤差的存在，構(gòu)件安裝位置與實(shí)際圖紙存在偏差，使得真實(shí)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(duì)真實(shí)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(shí)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(huì)使得實(shí)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(jìn)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(zhǎng)度系數(shù)法和直接分析法。對(duì)于復(fù)雜工程，應(yīng)分別使用兩種方法進(jìn)行分析，并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，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(gè)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(duì)構(gòu)件的截面面積進(jìn)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(jì)

我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)家，合理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是保障人民生命財(cái)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(qiáng)于普通鋼結(jié)構(gòu)，使用普通鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(shí)程分析方法。不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于復(fù)雜的不銹鋼結(jié)構(gòu)，可采用此高階方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

3.4不銹鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

不銹鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是容易被忽視的地方，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)。節(jié)點(diǎn)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(gè)整體的結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)的正確設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體安全性至關(guān)重要。一般來說，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則是保證節(jié)點(diǎn)不先于構(gòu)件發(fā)生破壞，即“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”。目前關(guān)于不銹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究仍較為匱乏，不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程中也缺少節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)的章節(jié)。由于不銹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式的多樣性，眾多普通鋼結(jié)構(gòu)特定節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(jì)不銹鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)時(shí)有必要進(jìn)行更為精細(xì)化的節(jié)點(diǎn)有限元建模分析，以確保實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)，又在耐腐蝕性上具有天然的優(yōu)勢(shì)，在建筑工程中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意把握。不銹鋼材的種類眾多，在設(shè)計(jì)的前期階段應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況正確選擇適當(dāng)?shù)牟讳P鋼牌號(hào)，才能進(jìn)一步開展設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)于不銹鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，目前研究還相當(dāng)匱乏。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用更為高階和精細(xì)的設(shè)計(jì)方法，作為對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)方法的補(bǔ)充，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

【參考文獻(xiàn)】

[1]汪紅蕾.攜手并進(jìn)拓展建筑用不銹鋼新“藍(lán)海”———2021(第一屆)中國(guó)建筑用不銹鋼創(chuàng)新論壇在福州舉行[J].建筑,2021(14):43-45.

[2]非亞.妹島和世當(dāng)代建筑的輕與重[J].城市地理,2018(9):68-75.

[3]曾群,丁潔民.時(shí)空意義上的創(chuàng)意互動(dòng)上海國(guó)際設(shè)計(jì)一場(chǎng)規(guī)劃及巴士一汽停車庫(kù)改造策略[J].時(shí)代建筑,2010(6):72-77.

[4]石彥卿.不銹鋼材料在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[C]//.第九屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2000.

[5]陳達(dá)鋒.高強(qiáng)不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在屋蓋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程質(zhì)量,2012(S1):47-51.

作者:黃亮思 單位:廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司