0引言

不锈钢结构是以不锈钢为材料进行设计施工的一种结构种类。不锈钢结构继承了钢结构自重较轻、空间跨度大、施工速度快、装配式程度高等优点，还额外具有优秀的抗腐蚀能力，提高了结构的使用寿命。

1不锈钢材料的特点

与普通碳素钢相比，不锈钢材中的合金元素增加了铬、镍、锰等，赋予了不锈钢材料特有的材料属性。不锈钢材料的特点主要有以下几个方面：①不锈钢具有良好的耐腐蚀性，特别适合于处于海边临水等其他易腐蚀环境下的建筑工程。②不锈钢具有耐高温性、低温韧性和加工性能等优秀的力学性能。③不锈钢易于回收利用，重复利用率高，是绿色材料，符合可持续发展的要求。④目前不锈钢的单价较高，大约是普通碳素钢的四倍。虽然单价较高，但综合不锈钢的高性能以及人们对于美好生活的期望，不锈钢的消费需求在近年来逐步攀升[1]，其中包括了建筑用不锈钢需求。

2不锈钢材料在建筑工程中的应用现状

2.1不锈钢围护结构

在建筑工程领域，不锈钢首先被应用于建筑的围护结构中。围护结构处在建筑的，与外界环境直接接触，在围护结构中运用不锈钢材料最能发挥其抗腐蚀的特性。但不锈钢围护结构的优点不止在于抗腐蚀性，可总结为三个方面：①不锈钢材料的美学特性。不锈钢材料的表面可进行高度的抛光处理，金属光泽相当美观。如果是选用不锈钢板材作为建筑外立面的装饰，能达到镜子般的反射效果[2]。镜面不锈钢的运用成为建筑师消隐结构构件、使建筑与周边自然环境融为一体的巧妙手法，也是建筑师模糊空间尺度的视觉手段。②不锈钢具有高强度的特点。不锈钢具有和普通钢材相近的材料强度，这意味着围护结构能更好地承受自重，也意味着围护结构能尽量做得轻薄，从而降低建筑工程整体的自重。穿孔不锈钢板的应用正是利用了不锈钢材料强度高的特性[3]。此外，结构的轻薄也有利于工程的经济性，因为能尽可能地节约材料用量。③不锈钢有抗腐蚀性强的特点，使得建筑更易于维护，降低建筑全寿命周期中的维护成本。另一方面，不易腐蚀的不锈钢的使用寿命相比普通碳素钢材更长，使得建筑的使用寿命更长，更符合低碳建筑的要求[4]。在当前“碳达峰”、“碳中和”被提出的背景下，不锈钢更是面向未来的建筑材料。国内外建筑师运用不锈钢作为建筑装饰的成功案例包括日本的直岛车站[2]和上海的巴士一汽改造项目[3]。

2.2不锈钢主体结构

随着建筑师和业主的要求日益提高，仅仅在围护结构中采用不锈钢已经无法满足建筑设计的需求，以不锈钢材作为主体承重结构的材料开始逐步得到实际应用。国内不锈钢结构主要采用了空间结构的形式。早期的应用主要是较常规的不锈钢螺栓球或焊接球节点网架结构[4]。近年来，越来越多复杂的空间结构开始使用不锈钢材料，以满足建筑师高标准的要求。陈达锋[5]在酒店入口的玻璃屋盖中采用了不锈钢空间桁架结构作为承重结构，构件采用不锈钢钢棒和不锈钢无缝钢管。不锈钢构件采用了美国标准中的不锈钢牌号，并参照普通钢结构规范进行设计。王元清等[6]设计了一种不锈钢球型网壳结构，材料采用奥氏体316不锈钢，屈服强度标准值为205MPa。邬红茹等[7]在一种树状柱的设计中采用了不锈钢材料，不锈钢牌号为S31603，屈服强度标准值为170MPa。

3建筑工程中不锈钢结构设计的要点

3.1不锈钢材料的选用

不锈钢属于多合金材料，不同合金的含量造成了不锈钢材料的多样性。在建筑工程中，常用的不锈钢种类为奥氏体不锈钢和双相体不锈钢，每个种类的不锈钢又可以再细分为不同的牌号。中国的不锈钢结构设计规程包含了六种牌号的不锈钢[8]。不同牌号的不锈钢的耐腐蚀度和强度有所差异，设计时应根据工程的实际情况进行选用[9]。一般而言，耐腐蚀性越好、强度越高的不锈钢材单价越高，因此需要根据建筑工程所处的具体环境来确定工程对于耐腐蚀的需求，以节约资源和控制工程的造价。

3.2不锈钢结构的稳定分析

由于不锈钢材料的高强度和高单价，不锈钢结构多采用细长的构件和轻薄的截面，以充分地利用结构材料和节约工程造价。由细长构件和薄柔截面组成的结构和构件容易在压力作用下发生稳定破坏，因此不锈钢结构的设计应特别重视稳定分析。此外，材料的弹性模量是影响结构稳定的重要因素，弹性模量越低，越不利于稳定。弹性模量的大小可由应力应变（σ-ε）曲线的斜率来表示。由图1所示的不锈钢应力-应变曲线中可看到，在应变小于0.2%的阶段，不锈钢的弹性模量会随着应变增大而不断降低，因此不锈钢结构对于稳定更为敏感。不锈钢结构由一个个不锈钢构件拼装而成，因此稳定分析可以分为结构的整体稳定分析、结构的局部稳定分析、构件的整体稳定分析、构件的局部稳定分析。结构的整体稳定分析的目的是保证不锈钢结构不会发生整体失稳，即保证结构不会在荷载作用下发生过大的变形，甚至整体倒塌。整体稳定分析的关键是在受力分析前正确引入结构的整体初始缺陷。真实世界中的工程由于施工误差的存在，构件安装位置与实际图纸存在偏差，使得真实结构与图纸结构存在形态上的略微差异。整体初始缺陷的引入使得结构分析模型稍微偏离了最理想的状态，是对真实世界结构的一种近似模拟。目前结构的整体稳定分析可以采用一致缺陷法，即用结构屈曲分析得到第一阶模态作为结构整体初始缺陷的形状。结构的局部即为构件，因此结构的局部稳定分析和构件的整体稳定分析实际上是同一件事。构件的整体稳定分析的目的是为了不高估构件的承载力。高估构件的承载力会使得实际工程中构件提前退出工作，造成结构的局部破坏，进而影响结构的整体性能。构件的稳定分析可以采用两种方法：长度系数法和直接分析法。对于复杂工程，应分别使用两种方法进行分析，并进行包络设计，以确保工程的安全。构件的局部稳定分析的目的是在截面层面上保证构件的承载力不被高估。不锈钢构件组成截面的板件厚度较薄，容易在压力下发生屈曲，从而影响整个构件的承载力。不锈钢构件的局部稳定分析可采用有效面积法，对构件的截面面积进行适当折减，得到构件承载力的合理预期。

3.3不锈钢结构的抗震设计

我国是地震多发国家，合理的结构抗震设计是保障人民生命财产安全的重要手段。不锈钢材的延性比普通碳素钢要好，具体表现在不锈钢的断裂应变较大，见图2。因此一般意义下，不锈钢结构在地震作用下耗能能力强于普通钢结构，使用普通钢结构的设计方法是偏于安全的。若想更准确地分析不锈钢结构在地震作用下的结构性能，可采用更高阶的材料非线性时程分析方法。不锈钢结构设计规程提供了描述不锈钢非线性本构关系的方程，见式⑴。对于复杂的不锈钢结构，可采用此高阶方法进行结构的抗震设计，发现结构的薄弱部位，进行针对性的加强，以确保结构的安全。

3.4不锈钢结构的节点设计

不锈钢结构的节点设计是容易被忽视的地方，属于结构设计中的细节。节点是将构件连接起来的方式，使数量众多的构件恰当地组合成一个整体的结构。节点的正确设计对于结构的整体安全性至关重要。一般来说，节点设计的原则是保证节点不先于构件发生破坏，即“强节点弱构件”。目前关于不锈钢结构节点的研究仍较为匮乏，不锈钢结构设计规程中也缺少节点设计相关的章节。由于不锈钢结构节点形式的多样性，众多普通钢结构特定节点的设计方法是否适用于不锈钢结构仍有待研究。因此在设计不锈钢结构的节点时有必要进行更为精细化的节点有限元建模分析，以确保实现“强节点弱构件”的设计目标。

4结语

不锈钢结构既有普通钢结构自重轻、跨度大、施工速度快的优点，又在耐腐蚀性上具有天然的优势，在建筑工程中已经得到了一定的应用。随着经济和生活水平的提高，不锈钢结构将具有更加广阔的应用前景。由于不锈钢材料的特殊性，不锈钢结构具有区别于其他结构的特点，在设计时应注意把握。不锈钢材的种类众多，在设计的前期阶段应根据工程的实际情况正确选择适当的不锈钢牌号，才能进一步开展设计工作。不锈钢的材料非线性是影响不锈钢结构稳定性的重要因素，应特别重视不锈钢结构的稳定分析。通过不同的设计方法来正确处理不锈钢结构的整体和局部稳定问题。对于不锈钢结构的抗震设计和节点设计，目前研究还相当匮乏。因此在设计时应使用更为高阶和精细的设计方法，作为对常规设计方法的补充，以确保结构的安全。

【参考文献】

[1]汪红蕾.携手并进拓展建筑用不锈钢新“蓝海”———2021(第一届)中国建筑用不锈钢创新论坛在福州举行[J].建筑,2021(14):43-45.

[2]非亚.妹岛和世当代建筑的轻与重[J].城市地理,2018(9):68-75.

[3]曾群,丁洁民.时空意义上的创意互动上海国际设计一场规划及巴士一汽停车库改造策略[J].时代建筑,2010(6):72-77.

[4]石彦卿.不锈钢材料在空间结构中的应用[C]//.第九届空间结构学术会议论文集，2000.

[5]陈达锋.高强不锈钢结构技术在屋盖设计中的应用[J].工程质量,2012(S1):47-51.

作者:黄亮思 单位:广州市设计院集团有限公司