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0引言
不銹鋼結構是以不銹鋼為材料進行設計施工的一種結構種類。不銹鋼結構繼承了鋼結構自重較輕、空間跨度大、施工速度快、裝配式程度高等優點，還額外具有優秀的抗腐蝕能力，提高了結構的使用壽命。
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秀的力學性能。③不銹鋼易于回收利用，重復利用率高，是綠色材料，符合可持續發展的要求。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用現狀
2.1不銹鋼圍護結構
在建筑工程領域，不銹鋼首先被應用于建筑的圍護結構中。圍護結構處在建筑的外圍，與外界環境直接接觸，在圍護結構中運用不銹鋼材料最能發揮其抗腐蝕的特性。但不銹鋼圍護結構的優點不止在于抗腐蝕性，可總結為三個方面：①不銹鋼材料的美學特性。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構構件、使建筑與周邊自然環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，這意味著圍護結構能更好地承受自重，也意味著圍護結構能盡量做得輕薄，從而降低建筑工程整體的自重。穿孔不銹鋼板的應用正是利用了不銹鋼材料強度高的特性[3]。此外，結構的輕薄也有利于工程的經濟性，因為能盡可能地節約材料用量。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不銹鋼主體結構
隨著建筑師和業主的要求日益提高，僅僅在圍護結構中采用不銹鋼已經無法滿足建筑設計的需求，以不銹鋼材作為主體承重結構的材料開始逐步得到實際應用。國內不銹鋼結構主要采用了空間結構的形式。早期的應用主要是較常規的不銹鋼螺栓球或焊接球節點網架結構[4]。近年來，越來越多復雜的空間結構開始使用不銹鋼材料，以滿足建筑師高標準的要求。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構作為承重結構，構件采用不銹鋼鋼棒和不銹鋼無縫鋼管。不銹鋼構件采用了美國標準中的不銹鋼牌號，并參照普通鋼結構規范進行設計。王元清等[6]設計了一種不銹鋼球型網殼結構，材料采用奧氏體316不銹鋼，屈服強度標準值為205MPa。鄔紅茹等[7]在一種樹狀柱的設計中采用了不銹鋼材料，不銹鋼牌號為S31603，屈服強度標準值為170MPa。
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分為不同的牌號。中國的不銹鋼結構設計規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，設計時應根據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，因此需要根據建筑工程所處的具體環境來確定工程對于耐腐蝕的需求，以節約資源和控制工程的造價。
3.2不銹鋼結構的穩定分析
由于不銹鋼材料的高強度和高單價，不銹鋼結構多采用細長的構件和輕薄的截面，以充分地利用結構材料和節約工程造價。由細長構件和薄柔截面組成的結構和構件容易在壓力作用下發生穩定破壞，因此不銹鋼結構的設計應特別重視穩定分析。此外，材料的彈性模量是影響結構穩定的重要因素，彈性模量越低，越不利于穩定。彈性模量的大小可由應力應變（σ-ε）曲線的斜率來表示。由圖1所示的不銹鋼應力-應變曲線中可看到，在應變小于0.2%的階段，不銹鋼的彈性模量會隨著應變增大而不斷降低，因此不銹鋼結構對于穩定更為敏感。不銹鋼結構由一個個不銹鋼構件拼裝而成，因此穩定分析可以分為結構的整體穩定分析、結構的局部穩定分析、構件的整體穩定分析、構件的局部穩定分析。結構的整體穩定分析的目的是保證不銹鋼結構不會發生整體失穩，即保證結構不會在荷載作用下發生過大的變形，甚至整體倒塌。整體穩定分析的關鍵是在受力分析前正確引入結構的整體初始缺陷。真實世界中的工程由于施工誤差的存在，構件安裝位置與實際圖紙存在偏差，使得真實結構與圖紙結構存在形態上的略微差異。整體初始缺陷的引入使得結構分析模型稍微偏離了最理想的狀態，是對真實世界結構的一種近似模擬。目前結構的整體穩定分析可以采用一致缺陷法，即用結構屈曲分析得到第一階模態作為結構整體初始缺陷的形狀。結構的局部即為構件，因此結構的局部穩定分析和構件的整體穩定分析實際上是同一件事。構件的整體穩定分析的目的是為了不高估構件的承載力。高估構件的承載力會使得實際工程中構件提前退出工作，造成結構的局部破壞，進而影響結構的整體性能。構件的穩定分析可以采用兩種方法：長度系數法和直接分析法。對于復雜工程，應分別使用兩種方法進行分析，并進行包絡設計，以確保工程的安全。構件的局部穩定分析的目的是在截面層面上保證構件的承載力不被高估。不銹鋼構件組成截面的板件厚度較薄，容易在壓力下發生屈曲，從而影響整個構件的承載力。不銹鋼構件的局部穩定分析可采用有效面積法，對構件的截面面積進行適當折減，得到構件承載力的合理預期。
3.3不銹鋼結構的抗震設計
我國是地震多發國家，合理的結構抗震設計是保障人民生命財產安全的重要手段。不銹鋼材的延性比普通碳素鋼要好，具體表現在不銹鋼的斷裂應變較大，見圖2。因此一般意義下，不銹鋼結構在地震作用下耗能能力強于普通鋼結構，使用普通鋼結構的設計方法是偏于安全的。若想更準確地分析不銹鋼結構在地震作用下的結構性能，可采用更高階的材料非線性時程分析方法。不銹鋼結構設計規程提供了描述不銹鋼非線性本構關系的方程，見式⑴。對于復雜的不銹鋼結構，可采用此高階方法進行結構的抗震設計，發現結構的薄弱部位，進行針對性的加強，以確保結構的安全。
3.4不銹鋼結構的節點設計
不銹鋼結構的節點設計是容易被忽視的地方，屬于結構設計中的細節。節點是將構件連接起來的方式，使數量眾多的構件恰當地組合成一個整體的結構。節點的正確設計對于結構的整體安全性至關重要。一般來說，節點設計的原則是保證節點不先于構件發生破壞，即“強節點弱構件”。目前關于不銹鋼結構節點的研究仍較為匱乏，不銹鋼結構設計規程中也缺少節點設計相關的章節。由于不銹鋼結構節點形式的多樣性，眾多普通鋼結構特定節點的設計方法是否適用于不銹鋼結構仍有待研究。因此在設計不銹鋼結構的節點時有必要進行更為精細化的節點有限元建模分析，以確保實現“強節點弱構件”的設計目標。
4結語
不銹鋼結構既有普通鋼結構自重輕、跨度大、施工速度快的優點，又在耐腐蝕性上具有天然的優勢，在建筑工程中已經得到了一定的應用。隨著經濟和生活水平的提高，不銹鋼結構將具有更加廣闊的應用前景。由于不銹鋼材料的特殊性，不銹鋼結構具有區別于其他結構的特點，在設計時應注意把握。不銹鋼材的種類眾多，在設計的前期階段應根據工程的實際情況正確選擇適當的不銹鋼牌號，才能進一步開展設計工作。不銹鋼的材料非線性是影響不銹鋼結構穩定性的重要因素，應特別重視不銹鋼結構的穩定分析。通過不同的設計方法來正確處理不銹鋼結構的整體和局部穩定問題。對于不銹鋼結構的抗震設計和節點設計，目前研究還相當匱乏。因此在設計時應使用更為高階和精細的設計方法，作為對常規設計方法的補充，以確保結構的安全。
【參考文獻】
[1]汪紅蕾.攜手并進拓展建筑用不銹鋼新“藍海”———2021(第一屆)中國建筑用不銹鋼創新論壇在福州舉行[J].建筑,2021(14):43-45.
[2]非亞.妹島和世當代建筑的輕與重[J].城市地理,2018(9):68-75.
[3]曾群,丁潔民.時空意義上的創意互動上海國際設計一場規劃及巴士一汽停車庫改造策略[J].時代建筑,2010(6):72-77.
[4]石彥卿.不銹鋼材料在空間結構中的應用[C]//.第九屆空間結構學術會議論文集，2000.
[5]陳達鋒.高強不銹鋼結構技術在屋蓋設計中的應用[J].工程質量,2012(S1):47-51.
作者:黃亮思 單位:廣州市設計院集團有限公司