建筑結(jié)構(gòu)用高強度鋼材力學(xué)性能分析

吳 坤

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

隨著人們對建筑結(jié)構(gòu)要求的不斷升高，越來越多的高層、超高層建筑變得越來越多。在新型的材料應(yīng)用上面也得到了明顯、較大的發(fā)展，雖然我們國家對高強度建材在建筑結(jié)構(gòu)方面的使用方面與其他一些發(fā)達國家相比，還存在著一定的距離，但是我國技術(shù)人員已經(jīng)逐漸意識到高強度鋼材的重要性與意義，與普通強度的鋼材相比較，高強度鋼材結(jié)構(gòu)在受力方面、經(jīng)濟性和社會效益等等方面都具有超高的優(yōu)勢，工程應(yīng)用潛力非常的大。

1 高強度鋼材的生產(chǎn)、加工方法

想要將鋼材的屈服強度進行大幅度的提升，主要的辦法有兩個，其一：科學(xué)、合理的將合金成分融入進去，例如：碳和錳等元素，雖然說運用這種方法將鋼材的屈服強度進行提升非常的簡單，但還是會有一定的弊病與缺點，就是將鋼材在加工性能減小了，特別是可焊性。其二：熱處理技術(shù)，此技術(shù)主要影響的是鋼材的微結(jié)構(gòu)和晶粒的大小，能夠形成細晶粒結(jié)構(gòu)的鋼材，細晶粒結(jié)構(gòu)的鋼材與粗晶粒結(jié)構(gòu)鋼材相比，強度會變得更高，韌性也會比粗晶粒結(jié)構(gòu)鋼材要好。

其次，對于我國目前來說，新型的高強度鋼材的結(jié)構(gòu)主要還是以微合金化的細晶粒鋼材為主，高強度鋼材的冶煉技術(shù)有低碳含量和微合金化，即：在原來主核心元素的根本之上，再融入一些微量的碳氮物，或者是融入一些能夠提升力學(xué)性能的元素，最終實現(xiàn)將鋼材強度的提升。

2 分析高強度結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能

2.1 靜電拉伸力學(xué)性能

根據(jù)有效數(shù)據(jù)分析，鋼材強度的等級和屈強比是呈現(xiàn)出正比例關(guān)系的，通俗的說就是：鋼材的強度等級越高，屈強也會隨之增高，當強度一旦超越了690兆帕的時候，屈強比的范疇就會在0.9—0.95之間；然而鋼材的延展性和強度就會形成反比的關(guān)系，也就是如果鋼材的強度正在慢慢的提高，鋼材的延展性就會反其道而行之，慢慢的降低。

其次，國外鋼材標準對于力學(xué)性能指標的限值的規(guī)定，將屈強比限值的范圍控制在了0.8—0.85之中，鋼材在斷后的生長率一般在20%，而我國的高強度鋼材的屈身比則在0.78左右，鋼材的斷后生長率在25%左右。通過這些標準和限值可以看出，它們能夠應(yīng)用于普通的鋼結(jié)構(gòu)或強度稍高的鋼結(jié)構(gòu)當中，如果鋼材的強度一旦超越了690兆帕的時候，這些限制就會在很大程度上妨礙其工程的應(yīng)用，所以我們要對力學(xué)的性能進行充分的分析和仔細的研究，從而明白其對構(gòu)件受力性能的制約情況。

2.2 低溫力學(xué)性能

經(jīng)過了對高強度鋼材進行低溫拉伸的試驗，得出以下的結(jié)論：高強度鋼材在五個不同溫度下的強度狀態(tài)和延展性指標。實驗中選擇了我國生產(chǎn)的高強度鋼材，并選擇了20個圓形橫截面，還有五個不同的溫度分別是零下60℃、零下40℃、零下20℃、0℃、零上20℃，經(jīng)過實驗人員認真的實驗與對比，溫度與鋼材的屈服強度、抗拉強度也在慢慢的提升當中；即：當溫度發(fā)生減小時，而鋼材的屈身強度卻在慢慢的提升，抗拉強度也在逐漸升高。而溫度和鋼材的斷后伸長率、延性呈現(xiàn)正比，即：伴隨著溫度的慢慢降低，鋼材的斷后伸長率也在慢慢的減小，延展性也隨之變小、變差。

2.3 循環(huán)荷載下材料力學(xué)性能

經(jīng)過對高強度鋼材在15個不同循環(huán)加載制度下的力學(xué)性能分析得出，鋼材具有抗震滯回性能。在具體的實驗過程當中，選擇了我們國家所生產(chǎn)的高強度鋼材，最后得到的結(jié)果是：我國生產(chǎn)的高強度鋼材有非常好的耗能能力，同時還有超高的抗震性，所有的斷口都出現(xiàn)了延展性斷裂，

其次，對于這種實驗的結(jié)果，運用Ramberg—Osgood公式對于得到的骨架曲線進行了模擬，這樣做可以促進有限元數(shù)值模擬的計算。

最后，實驗還對我國生產(chǎn)的兩種不同的鋼材進行了循環(huán)荷載下力學(xué)性能的對比，得出的結(jié)果是：我國所生產(chǎn)的兩種不同的高強度鋼材的循環(huán)應(yīng)變曲線都存在著一些常見的現(xiàn)象，例如：循環(huán)硬化和軟化等等。

2.4 屈強比

屈強比是由工程應(yīng)力所得到的，國際上有非常多的學(xué)者都對不同強度的鋼材材料進行了不同的數(shù)據(jù)研究，以此得出了屈強比和鋼材的曲強強度抗拉強度都呈現(xiàn)出了正比趨勢。即：鋼材的曲強度正在慢慢的提升時，鋼材的屈強度也會隨著升高，而當鋼材的抗拉強度提升時，屈強強度同樣也會隨之增加。

3 高強度結(jié)構(gòu)鋼材力學(xué)性能的特點與優(yōu)勢

3.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能標準中主要包括：屈服的強度、屈強、斷后伸長率等等，在我國的建筑工程當中，大部分運用的都是鋼材的靜力拉伸曲線（也就是應(yīng)力—應(yīng)變曲線）來體現(xiàn)材料的性能。

圖1 不同等級鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲

從圖1可以看出，高強度鋼材與傳統(tǒng)普通鋼材所比較，在力學(xué)性能方面所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢。普通強度的鋼材應(yīng)力—應(yīng)變曲線大多都是有非常明顯的屈服平臺和強化階段的，而其中屈服階段大致都是從0.2%到2.52%而發(fā)展的，同時屈強有比較低的特點，大致都在0.6左右。但是伴隨著鋼材強度的逐漸提升，屈服平臺的長度也會慢慢的縮小，并且強度伴有抗拉性，同時對應(yīng)的應(yīng)變值也在慢慢的變小。當屈服強度繼續(xù)向上升高時，工程的應(yīng)力—應(yīng)變曲線就變得沒有明顯的屈服平臺，抗拉強度所對應(yīng)的應(yīng)變值會繼續(xù)變的減少，屈服強度和抗拉強度之間的距離也在慢慢的縮小當中。

由此可以看出，高強度鋼材與普通強度鋼材相比較，高強度結(jié)構(gòu)鋼材工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線的屈服平臺長度會變短，而屈服的強度超越了690兆帕的時候，大多是沒有明顯屈服平臺的。抗拉強度對應(yīng)的應(yīng)變值和屈強比會隨著強度的提升而分別縮小與變大。

3.2 鋼材的韌性

關(guān)于高強度結(jié)構(gòu)鋼材韌性的問題，早在1999年德國鋼鐵協(xié)會召開的時候，就關(guān)于這個問題進行了仔細的分析和綜合的討論，在會議中人員全部認為，在考慮安全因素時，韌性才是最重要的材料性能標準。 其次，在實際的建筑工程當中，對于工程構(gòu)建韌性的需求同樣也會伴隨著強度的提高而增加，因此，運用高強度鋼材所建筑出來的工程設(shè)計材料應(yīng)該具有更高的韌性。假如運用傳統(tǒng)的增加碳含量或者采用冷拔方式來提升建材強度，那么高強度鋼材意味著第一韌性就是正確的。但是新型高強度微合金化剛才的高強化就是經(jīng)過了科學(xué)、合理的控制鋼材微合金元素含量和成分、同時在壓制過程當中運用的是嶄新的技術(shù)，進行溫度形變、控軋、控冷等現(xiàn)代手段來體現(xiàn)的，由此可以看出，新型高強度鋼材并不代表著低韌性，而事實卻是其擁有更高的韌性。

4 結(jié)語

綜上所述，高強度鋼材在結(jié)構(gòu)上的發(fā)展受到了一定程度的影響，鋼材的力學(xué)性能主要包括：靜力拉伸力學(xué)性能、低溫力學(xué)性能、疲勞性能、循環(huán)荷載下材料力學(xué)性能幾種，雖然我們在建筑結(jié)構(gòu)高強度鋼材力學(xué)性能分析方面還存在著一些問題和不足，但是作為研究人員還是應(yīng)該要不斷的總結(jié)和學(xué)習(xí)，并且還要進行仔細的分析和綜合的討論。