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不銹鋼管的種類

不銹鋼管是一種主要以不銹蝕性和耐腐蝕性為突出特征的材料，其構(gòu)成成分中碳含量不多于1.2%，鉻含量不少于10.5%，以及含有鎳、鉬、錳等合金元素。表1.1給出了不銹鋼管材料的化學(xué)成分。其中鉻是使其不生銹最主要的原因，多種合金元素的添加改變了鋼鈍化膜的化學(xué)成分，增強鈍化作用，使鋼材獲得良好的性能。不銹鋼管可以分為以下五類：奧氏體、奧氏體-鐵素體（雙相）、鐵素體、馬氏體和沉淀硬化，前兩種在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用較為廣泛。而常用的不銹鋼管牌號有S30408、S31608、S30403、S31603、S22053和S22253。

不銹鋼管的本構(gòu)模型

最早對于不銹鋼管本構(gòu)模型的研究是在20世紀(jì)40年代，由Ramberg和Osgood[3]提出了鋁合金材料具有非線性的本構(gòu)關(guān)系模型，對不銹鋼管材料同樣適用，我們將它稱之為Ramberg-Osgood模型。

國內(nèi)對于不銹鋼管材料的研究相對較晚。在2011年鄭寶鋒[8]等對國產(chǎn)304牌號不銹鋼管材料進(jìn)行拉壓試驗，其研究結(jié)果表明：不銹鋼管材料的力學(xué)性能與兩階段的Ramberg-Osgood模型較為相似，而且冷加工方式對不銹鋼管材料的力學(xué)性能影響顯著。

在2012年王元清等對國產(chǎn)奧氏體不銹鋼管S31608板材和焊接不銹鋼管截面分別進(jìn)行了單向拉伸試驗和低周往復(fù)循環(huán)加載試驗，認(rèn)為Ramberg-Osgood模型與不銹鋼管的本構(gòu)關(guān)系較為接近。對比國產(chǎn)S31608不銹鋼管在單調(diào)加載和循環(huán)加載下的本構(gòu)差別明顯，與此同時不銹鋼管材料在循環(huán)荷載下的滯回曲面十分飽滿且在加載后期應(yīng)力得到很大提高。

不銹鋼管的抗震性能以及工程應(yīng)用

從王元清等人對不銹鋼管材料的循環(huán)加載試驗來看，整個加載過程中不銹鋼管的強度逐漸提高，而且越到后期強度提高越明顯，同時試驗得到的滯回曲線飽滿程度高，說明不銹鋼管滯回性能良好。隨后王萌[11]等利用有限元軟件分析平臺建立模型，開發(fā)了奧氏體不銹鋼管在循環(huán)荷載下的分析程序。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相近，進(jìn)一步提高了不銹鋼管結(jié)構(gòu)體系彈塑性時程分析時的可靠性。2013年，Shit J[12]等對不銹鋼管S31603材料在循環(huán)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了試驗研究，同樣表明不銹鋼管有著良好的滯回性能。Zhou[13]等對奧氏體不銹鋼管和雙相型不銹鋼管制作的板在循環(huán)荷載下的試驗結(jié)果表明，不銹鋼管具有良好的延性和變形能力。從圖1.2可知，不銹鋼管和碳素鋼有著明顯不同的應(yīng)力應(yīng)變曲線，碳素鋼有屈服平臺，而不銹鋼管沒有明顯的屈服點，后期應(yīng)變硬化的強度提高較多，說明其有著較好的延展性。

最早關(guān)于不銹鋼管材料的發(fā)現(xiàn)是英國科學(xué)家Brearley，在第一次世界大戰(zhàn)對兵器的改進(jìn)時偶然在垃圾堆中發(fā)現(xiàn)不銹鋼管，此后對不銹鋼管在各個方面都被得到了采用。不銹鋼管在土木領(lǐng)域中，早期是使用在一些裝飾方面，到后來逐漸運用于建筑物的屋蓋結(jié)構(gòu)和維護(hù)結(jié)構(gòu)中，比如墻面、玻璃幕墻支撐體系、屋蓋結(jié)構(gòu)和橋梁等領(lǐng)域中，也促使了不銹鋼管材料生產(chǎn)技術(shù)以及施工工藝的不斷完善，采用不銹鋼管材料的建筑結(jié)構(gòu)不僅具有較長的使用壽命也給人帶來外觀上的視覺享受。

在國內(nèi)外的一些建筑物中也有很多采用了不銹鋼管材料。在美國率先建立了第一座具有不銹鋼管材料的摩天大樓—克萊斯勒大廈，如圖1.3所示。它建于1926年至1931年，大廈頂部采用不銹鋼管金屬裝飾，其細(xì)針狀的尖頂展示出爵士樂時代的風(fēng)格，被視為一個典型的裝飾藝術(shù)建筑。1989年，由貝津銘設(shè)計的法國巴黎盧浮宮金字塔采用了不銹鋼管支撐，如圖1.4，不銹鋼管總耗量達(dá)到95噸。而且支架的負(fù)荷超過了它自身的重量，使得現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)完美的運用到了建筑中。我國現(xiàn)處于全世界不銹鋼管產(chǎn)量第一的位置，同時隨著人們對建筑審美和舒適度要求的提高，我國也在一些公共建筑上采用了不銹鋼管材料。例如，1994-1997年，建立在上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)中心—上海金茂大廈，如圖1.5，它采用316不銹鋼管外立面，在滿足外觀要求的同時也能夠有限延長建筑物的使用壽命。除此之外，2009-2018年我國自主建立的港珠澳大橋，是世界上最長的一座跨海大橋。如圖1.6，總長約55公里，主體工程包含橋、島、隧于一體成就了世界級中國造，被國內(nèi)外媒稱為“新世界七大奇跡”之一。由于港珠澳大橋處在臺風(fēng)大、海水鹽度高的環(huán)境中，海水中的氯離子會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對混凝土結(jié)構(gòu)的安全有很大的威脅。所以選用了強度高、耐腐蝕性強、全周期壽命長的雙相不銹鋼管螺紋鋼筋，成功替代了傳統(tǒng)鋼材，有力地推動了我國跨海大橋的建設(shè)。