不锈钢网架结构试验研究及其在工程中的应用

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1、不锈钢网架结构试验研究及其在工程中的应用张鹏军提要本文选择奥氏体不锈钢作为承重－装饰网架结构材料，研究了该种不锈钢的物理力学性能，并对网架节点型式进行探讨，推荐采用不锈钢焊接空心球节点；又进行了不锈钢焊接空心球节点承载力试验，确定了该种节点的受拉和受压承载能力；再进一步做了不锈钢组合扭网壳模型的破坏性试验研究，并简要介绍了奥氏体不锈钢应用于工程实践的的两个例子。关键词奥氏体不锈钢，不锈钢焊接空心球节点，破坏性试验，工程应用一、不锈钢材料在网架结构中的应用前景及其主要力学性能不锈钢通常是指含铬量在12%-30%的铁基耐蚀合金，它能耐空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀介质的腐蚀，具

2、有化学稳定性。不锈钢通常按其组织结构特点可分为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。奥氏体不锈钢的主要合金元素为铬镍，强度较高，具有极佳的塑性，并有很好的耐蚀性能、抗氧化性能和优良的焊接性能，即使在低温下仍具有良好的塑性和韧性，能够进行复杂的冷热变形而加工成各种形材[1],是最适宜用于结构钢材的不锈钢类型。目前用于网架结构的材料多为普通低碳钢，自重大、易腐蚀，外观笨重，还需经常进行防腐防锈处理，这样就限制了网架作为装饰用途的发展。而不锈钢材料易加工、耐腐蚀，强度又较高，将其作为网架结构材料，既可解决长期困扰人们的网架防腐防锈问题，又可起到豪华装饰

3、作用，取得良好的建筑艺术效果。因此，我们相信这种网架形式必将得到迅速发展。天津大学材料力学试验室进行了确定奥氏体GB0Cr18Ni9不锈钢管基本力学性能的试验。试验用从Φ38.1×1.2和Φ63.5×1.2高频焊不锈钢管上铣出标准板样试件在万能试验机上进行拉伸试验，并记录Ｐ－△曲线图。从试验结果看，此种不锈钢材料没有明显屈服台阶，由线性变形阶段直接进入强化阶段，其平均屈服强度（指残余变形达到0.2%时的强度值，即比例屈服强度）为360MPa，平均抗拉强度为703Mpa，平均伸长率为50%、平均截面收缩率为60%。可见，该种不锈钢材料强度及塑性均优于普通低碳钢；而其平均弹性模量为

4、174×105Mpa，低于低碳钢。试件破坏后并无明显颈缩区，而是在断裂处很大范围内截面逐渐变小，最后断裂[2]。目前不锈钢网架网壳设计中尚无稳定系数方面的资料，为此天津大学进行了不锈钢焊接圆管轴心受压稳定试验，并对试验数据进行了回归分析，确定了不锈钢管实测轴心压杆稳定曲线为：(1)将此次试验的实测曲线与有关国标中轴压构件的稳定曲线进行比较，发现该曲线较接近《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中16Mn钢的薄壁轴压杆稳定系数曲线[2]。二、不锈钢焊接空心球节点承载力试验研究节点是网架结构的一个重要组成部分，不锈钢网架作为一种多功能的新型结构形式，其节点必须做到受力合理、传力明确、安全可靠

5、。不锈钢网架使用焊接空心球节点型式，构造简单，造型美观，连接方便，抛光之后视觉效果较好，其缺点是球体下料要将不锈钢板切割成圆形，材料利用率低，影响经济效益；同时，网架安装中杆件与球体多需现场进行氩弧焊接，且仰焊立焊多，质量要求高，难度也大。螺栓球节点网架可以避免大量的现场焊接工作，安装方便。但它的零部件种类较多、加工精度要求高。并且在不锈钢网架中，钢球、套筒、封板等零件均应选用不锈钢材料，而螺栓、梢钉等则要使用相应的高强钢材，由于不同型号钢材化学成分的差异导致了电位差值，在连接中若不加处理有可能会产生电化腐蚀而危及结构安全。而不同钢种接触表面处理的复杂性又增加了制作费用，在一定

6、程度上也限制了这种节点型式的推广使用。本文推荐以焊接空心球节点型式作为不锈钢网架优先考虑的节点型式。尤其在目前，不锈钢网架的研究推广工作刚刚起步，许多技术条件尚未完全成熟，选用这种较为简便的节点型式无论在技术角度、安全角度、还是经济角度都是合理的。本文还专门进行了这种节点的承载力试验，为进行不锈钢网架的设计提供了必要条件[3]。以下探讨不锈钢的有关焊接性能。奥氏体不锈钢电阻率远大于低碳钢，焊接时焊条焊丝及焊接区的母材都比较容易受热熔化，因此要用较小的焊接电流，并应尽可能使用较快的焊接速度；奥氏体不锈钢的膨胀系数大约是低碳钢的1.35倍，导热系数约为低碳钢的1/3，在焊接过程中受

7、热膨胀，冷却时又产生较大的收缩变形和应力，易引起热裂纹，所以焊接时必须选用合适的焊接工艺。通常不锈钢网架钢管壁厚在1.5～3mm，宜采用钨极氩弧焊。焊接时应注意以下几点：1、一般不对焊件预热，在焊缝中，层间温度应严格控制在≤150℃；2、反面成形的气体保护焊，焊根侧必须用还原气或纯氩保护；3、由于奥氏体不锈钢收缩变形大，故在夹紧装置与定位焊上应加强；4、建议用超低碳不含稳化剂的填充材料，以防止晶界腐蚀；5、为确保焊接接头的耐腐蚀性，其表面应呈光亮状，残渣、焊缝颜色等皆应去除[4]。《网架结构