【同濟大學】《鋼結構基本原理》（全79講）趙憲忠 P13 - 13. 2.8 結構鋼材新發展

這一節我們介紹一下結構鋼材的新發展。 前面我們所介紹的內容是目前爲止我們在工程結構當中常用的鋼材。 近些年來,隨着需求的發展,也隨着科學技術的發展,新型的結構用鋼材料也在開發。 今天,我主要給大家介紹這些材料,它們是耐火鋼、耐厚鋼、高強度鋼、極低曲阻點的鋼,以及結構用的鑄鋼。 我們前面已經看了一張圖,說在高溫底下大概到600度左右,鋼材的強度只有原來初始時候強度的三分之一左右。 但是我們在工程設計當中,儘管考慮了各種各樣的安全係數,實際上材料的複合能力仍然要達到它的初始強度的一半,甚至三分之二。 所以,如果在高溫下材料的強度降低到原有強度的三分之一,甚至更低了,那麼這個材料在抗火情況底下是不安全的。 怎麼解決這個問題呢?一個辦法,我們是施加抗火的塗料,或者對鋼構件做防火的維護。 這個在施工上需要有比較大的成本。 另外一個方面,我們可以採用的措施就是我們使得鋼材能夠抵抗比較高的溫度。 那麼現實,我們已經生產出了能夠耐火達到六百度左右時候的鋼材。 它的性能指標是在溫度達到六百度並有一定遲時的時候,鋼材的強度能夠保持在它原有強度的三分之二。 這種情況底下,大多數的結構能夠保持在這種溫度底下的結構承載。 鋼材的另外一個問題就是鏽實的問題。 特別是當環境當中腐蝕性較大的時候,鋼材的鏽實會變得嚴重。 鋼材鏽實的結果是原來的材料變成了氧化鐵,然後從母體當中脫落。 那麼,構件的有效面積就會減小,這就降低了材料所形成的構件所期望的剛度和承載力。 鋼材的腐蝕情況,我們也有兩種基本的策略來解決。 第一種策略就是進行防腐的塗裝,俗稱就是刷漆。 但是,如果我們在有一定腐蝕條件的情況下使用鋼結構,那麼就要經常性地進行結構的維護。 刷漆這樣一種維護,它的成本也是比較高的,但是目前是我們常用的一種做法。 另外一種做法就是我們在鋼材當中加入一些特別的元素,比方說鋁、銅、錳以及錫組,這樣以後就能提高鋼材的耐厚性,也就是說降低它的腐蝕速率。 比方說,我們中國寶鋼,它現在所能生產的耐厚鋼,耐厚性能就是普通鋼的兩到三倍。 當然,這樣一類鋼材完全能夠應用到結構當中,還要經過一系列的實驗研究。 比方說,它有一些特點,屈服臺階不夠明顯,對不鏽鋼來說,屈強比雖然比較低,生產率也比較好,但是能不能大規模地使用還取決於經濟性的考量。 另外,隨着結構規模做得越來越大,高度做得越來越高,我們所使用的鋼板也會越來越厚。 以往我們使用鋼板,主要考慮它沿着鋼板長度和寬度方向的性能,但是當鋼板變厚以後,它沿着厚度方向的力學性能就要引起我們的關注。 比如我們看到這樣的節點,對豎着的這塊板,它在水平力、拉力作用底下可能會發生開裂,因此我們就希望厚板在厚度方向的力學性能也達到比較優異的、能夠滿足結構性能的這個程度。 這就是所謂叫誰向鋼,也就是在傳統的X、Y方向之外,我們要考慮誰向的力學性能。 這類鋼材現在也已經可以投入使用了。 前面我們說一般我們在使用鋼材的時候,我們希望強度高,這樣能夠獲得比較好的經濟效益,但是有些情況底下,我們也希望這個鋼材的強度會比較低。 比方,我們有極低屈服鋼這樣一種品種,它的屈服強度只有100到120或者160兆帕。 這種鋼材會用在什麼地方呢?它主要用在結構抗震設計的時候,需要先與結構主體發生屈服,從而消耗能量的部位。 這類鋼材的應用開發正在進行當中。 近些年來,結構用鑄鋼也在一定程度上推廣應用。 我們國家新通過的鋼結構設計標準,也就應用了這種可以焊接用的鑄鋼。 它主要用在各類形狀比較複雜的節點當中,將來也可以用在標準化的節點當中。 我們介紹這些新鋼種的目的,是希望大家在將來的工程實踐當中,能夠在合適的情況底下選用更加合適的鋼材。 這部分內容就介紹到這裏,謝謝大家!