谈建筑结构高强度钢材力学性能
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摘要：高强度钢材钢结构强度的力学性能，决定了建筑结构的性能，有效使用钢结构的性能和发挥作用，能够促进建筑的经济效益。目前人们对建筑的性能要求相比以往提出了更高的要求，所以必须要确保钢材具有足够的性能，以及通过了解钢材的性能特征，在设计中发挥钢材的性能优势。由于钢材的生产工艺提高，在要求未变的情况下，对钢材的使用有了很大的限制，未能充分发挥钢材的性能和作用。对钢材的力学性能研究，分析钢材的力学性能与钢结构之间的关系，当前对钢材要求上的限制及优化钢材的使用。
高强度钢材是在微合金化和热机械轧制技术下生产的具有刚强度的钢材，这类钢材的延展性很强、韧性极高，在建筑中有十分重要的作用。随着目前钢结构性能的提升，能够有效提升建筑物的经济效益和环保效益。不仅能够保证钢结构的安全性，而且能够保证更大的使用空间，通过充分发挥钢结构的全部性能，能够提升建筑物的工程成本，降低建筑物的能耗，从而降低工程建设所需要的碳排放。我国目前在很多工程中都使用了高强度钢结构，虽然积累了大量的使用经验，但是由于钢材性能得变化，在力学性能和受力性能上也和过去有了很大的区别。所以，需要对钢材的使用进行进一步的完善，充分发挥钢材的作用。
1高强度结构钢材加工生产的方法
目前主要有两种方式来提高钢材的强度，一种是通过香气中加入碳、锰等元素改善合金成分，虽然能很容易提升刚才的强度，但也会导致钢材的加工性能降低，尤其是钢材的可焊性。其次是热处理技术，通过热处理能够改善钢材的微观机构，比如改变晶粒大小从而改善钢材的性能，热处理的有点在于通过将钢材加工成细晶粒的结构，能够让刚才的强度更高，有更强的韧性，同时在其他的性能上也没有太多改变。新型高强度结构钢材主要使用合金和细化晶粒共同处理的方式。钢材生产经过了正火轧制、淬火回火、热机械轧制的三个主要阶段，轧制工艺和热处理工艺有了很大的转变。
1.1正火轧制。
在轧制的过程中，使用正火进行热处理，就是正火轧制的工艺。使用该方法能转变铁素体-珠光体的结构，使其转化为奥氏体，之后再控制温度，进行缓慢的冷却，就能够变成非常精细的晶粒结构。淬火和回火加工主要是用在20世纪60年代的钢材生产中，通过先轧制、加热，然后在水中迅速冷却，最后在比晶体形成温度低的情况下进行回火，最后获得钢材。
1.2淬火和回火。
淬火和回火工艺下，获得的钢材能够具备很大的韧性，而炼钢的过程中通过加入一定的微量元素，也能够有效改善钢材的强度和韧性，保证钢材的性能。
1.3热机械轧制。
热机械轧制的过程中，会将形变温度控制在一定的温度范围内，这样所获得的机械性能是单独依靠热处理所不能获得的，通过是热机械轧制，能够让刚才的强度和韧性都非常高，微量元素也能合金化，这样就能够保证材料的焊接性能。在钢材的冶炼过程中，使用热机械轧制能够让钢材在微观上能形成精细的铁素体和珠光体，这样的钢材具有很强的韧性和焊接性能。
2建筑结构钢材的力学性能要求
2.1静力拉伸力学性能。
根据目前的研究结果和实验数据，随着钢材的强度和等级提升，钢材的屈强比会不断增大，在强度高于690MPa后，钢材的屈强比会稳定在0.9~0.95的范围内。钢材的延展性会随着强度的提高而不断降低，但是高强度钢材的韧性却并不会因为强度的提高而降低。通过对国内外各种不同的钢材标准和钢结构设计规范中对材料力学性能指标的要求规定，钢材的屈强比限值一般在0.8~0.85之间，欧洲对钢结构设计规范中，规定高强度钢材的最大屈强比可以达到0.95，钢材的断后伸长率需要控制在15%~20%之间。国产高强度干刚才的屈强比一般控制在0.78左右，断后伸长率一般控制在25%左右，甚至可能要更高，以满足相关规范限值的要求。但是对于强度超过了690MPa的高强度钢材，限值反而会限制钢材的应用，所以需要进一步研究是新材料降低构件所受到的力学性能的影响，并且对结构钢材的结构稳定性和设计方法做好规定。
2.2低温力学性能。
根据对14毫米厚的钢材板进行研究，获得了其低温拉伸性能。结合在-60℃、-40℃、-20℃、0℃、20℃下的实验，分析了不同温度先的强度、延性等指标，以及断口的微观形貌。研究的结果证明，在温度不断下降的情况下，钢材的屈服强度、拉伸强度是和屈强比都在提升，断后伸长率和截面收缩率也会明显降低，导致延性变差。在-40℃的情况下，试件的断口处有韧性向脆性过度的情况，而在-60℃，能够观察到很明显的脆性断裂特征，延长后的伸长率可以达到21.5%，依然能够满足规范的要求。在低温断裂韧性的研究上，研究包括了裂纹尖端张开位移和断口的围观形貌，根据的实验的结果分析，裂纹尖端张开位移随着温度的降低会明显减小，其他强度的钢材实验结果表明，钢材的断裂是韧性比较差。而在不高于-40℃的条件下，断口会呈现明显的脆性断裂情况。通过对实验结果的拟合分析，获得了变化的规律，证明在温度低于-40.7℃是，钢材很容易从韧性转向脆性断裂。同时，根据使用ANSYS分析的结果，获得了尖端张开位移值得特点，对于板厚比较小得事件，该值沿着厚度方向的变化比较小，对等效应力的分布的研究证明，裂纹尖端在一定范围内都能够出现危险截面。
2.3疲劳性能。
国外针对高强度钢材的疲劳性能研究比较多，研究的重点主要集中在裂纹的扩展和钢材强度等级、板件的厚度、焊接技术、焊接后的处理方法等因素对于疲劳的影响。对于建筑物使用的高强度结构钢材，根据清华大学对国产的Q460C和Q460D的研究，表明Q460钢材的疲劳性能优良，能够满足相关规范的要求，根据实验性和的S-N计算曲线，也能够指导工程设计工作，表明该刚才能够满足我国对应力的要求。
2.4循环荷载下的材料力学性能。
通过对高强度钢材在不同循环加载制度下的力学性能研究，是发现国产Q460钢材的耗能能力和抗震能力比较高，断口处全部为延性断裂。根据实验结果分析和有限元温习数值计算，国产Q460钢在循环应变曲线下也有乙烯常见现象，比如循环硬化和软化等等，尤其是钢材的循环樱花情况是显著提升的，所以说明Q460钢材的滞回耗能的能力要比普通的钢材更高。
3高强度钢材受压件的研究
3.1整体稳定性研究。
国外对高强度钢材受压件整体稳定性的实验研究相对比较少，根据对不同研究的总结，结合我国规范证明高强度钢材受压钢柱的整体稳定性系数明显提升，而我国目前的设计曲线还相对保守，并没有将刚才的优势充分发挥。通过对端部带约束的焊接工字型刚截面受压柱绕强轴试问进行了实验研究，使用屈服强度标准为690MPa和960MPa的高强度结构钢，实验研究的数分析表明，构件的整体稳定性系数提高，所以相应的设计曲线也应该提高。在国内的研究中，对高强度轴压构件进行了整体稳定性的分析，包括工字型截面绕强轴、弱轴和焊接箱型截面这三类。通过对960MPa的钢材轴压构件进行探索性的研究，以及进行数值分析，对于工字型和焊接箱型截面轴压构件的整体稳定设计，提出了柱子的曲面类型建议。
3.2局部稳定性能研究。
国内已经有少量针对高强度钢材焊接截面短柱的局部性能研究，研究表明目前的《钢结构设计规范》中心轴受压构件箱型截面构件和工字型钢的宽厚比限值，也适合目前的高强度钢柱。根据对焊接箱型和工字型截面进行深入的局部稳定分析实验，表明目前的当前的国内外规范的局部屈曲应力计算公式和屈曲后极限应力计算公式需要进行修正。通过对高强度热轧等变焦短钢柱进行轴压局部稳定性研究，以及数值的分析结果和规范的设计曲线进行对比，表明构件的两肢板的镶固系数可以取1.0。通过对钢材性能的分析，可以发现钢结构使用的发展受到了一定的制约，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
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作者：刘蕾 单位：营口理工学院
