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不锈钢——闪亮在建筑中

文章出处:http://www.daoluqingsaoche.com 人气:发表时间:2020-01-01
 
在iStructure的“结构材料”系列文章中,我们先后介绍了钢铁、混凝土、木材、铝合金、玻璃、FRP、清水混凝土、竹子、耐候钢(文末有传送链接)。本期我们再介绍一下 "不锈钢"。
 
芝加哥云门 Cloud Gate
 
不锈钢,顾名思义不生锈、耐腐蚀,长久保持金属光泽。也许我们见多了小区里粗制滥造的不锈钢门窗,觉得它有点Low。其实,小到螺钉、刀叉,大到飞机、火箭,不锈钢应用非常广泛,也可以很惊艳。
 
刀叉:304不锈钢为食品级金属材料
 
生活中的不锈钢,不惧风吹雨淋。
前苏联 米格-25
 
米格-25 是苏联在1960年代研制部署的一种高空高速截击机,由米高扬设计局负责开发,机身70%的部件是不锈钢,空速极限3.2马赫,曾跑赢导弹的传奇战斗机。
 
闪亮的不锈钢火箭:Space X
 
不锈钢在高温下强度劣化小,在低温下仍具有较高的韧性和强度,且铬、镍会增加了不锈钢的强度和延展性。即使在零下330华氏度,仍有12%到18%的延展性。
 
金属质感分割线
 
 1  材料  
在展开讲不锈钢的建筑结构应用之前,我们先简单了解一下它的特性。
 
不锈钢,指加入铬、镍等特定元素而表现出良好耐腐蚀性的合金钢。金属元素铬(Cr) 使钢材表面形成一层不易溶解的氧化薄膜,而与外界隔离,能够长久保持金属光泽。一般铬含量越高,钢的抗腐蚀性越好。
不锈钢可分为奥氏体、铁素体、马氏体、双相型、沉淀硬化型五大类。我们最常见的304、316系列是奥氏体,而高强度的2205系列是双相不锈钢。
 
不锈钢的分类谱系
 
美国钢铁学会用三位数字标示各种不锈钢:
1奥氏体型不锈钢为200和300系列,如304、316;
2铁素体以430和446为标记;
3马氏体型不锈钢以410、420以及440C为标记;
4双相型、沉淀硬化不锈钢等采用专利名称命名。
 
除了耐腐蚀以外,不锈钢还表现出比普通钢材更好的耐高温性、低温韧性和强度、可焊性、加工性(冲压和弯曲),无热处理硬化现象(使用温度-196℃~800℃)。奥氏体不锈钢还表现出弱/无磁性特点。
在建筑领域,由于不锈钢突出的耐腐蚀性和光亮的外观,多用于临海建筑、游泳馆、室外雨棚、建筑屋面墙面、景观雕塑、室外承重结构等对钢材防锈要求高情况。
 
金属质感分割线
 
 2  建筑表皮  
不锈钢的表面处理,常有镜面(抛光)、拉丝、网纹、蚀刻、电解或涂层着色等,也可轧制、冲孔成各种凹凸花纹、穿孔板,加工成各种波形断面板,与石材、木材、玻璃等材料有良好的搭配性。不仅发挥不锈钢的优点,也带来丰富的表皮机理变化。
 
拉丝不锈钢纹理 Brush Polished Stainless Steel
 
荷兰阿尔梅勒Gnome停车场 冲压压花
 
加拿大多伦多大学中的健康中心 波纹板
 
新西兰Govett-Brewster美术馆 镜面不锈钢
 
新西兰Govett-Brewster美术馆,20块整体14m高的预制混凝土Z字型板,外覆抛光度达8K的镜面不锈钢板。在常规锯齿形式上的少许变化,让反射成像更加复杂多变。不同的天气、不同的角度能够产生不同的镜像效果,这种不确定性也正是建筑的魅力之处。
 
用于建筑表皮的不锈钢薄板,多为奥氏体304和纯铁体系不锈钢。纯铁体系含有20%~30%的铬和少量钼,因不含镍而价格更低,且热膨胀系数相对较低,适用于大跨度屋面的材料。
 
弗兰克.盖里设计 迪士尼音乐厅
 
美国建筑师弗兰克.盖里的作品中,常以多种异形体块组合为特色,平咬接的金属薄皮适宜于拟合各种复杂形体,镜面不锈钢薄皮(如0.6厚)也是他的选择之一。
 
金属质感分割线
 
 3  结构  
 
不锈钢成本约为普通钢材的4倍,但考虑材料成本、维护费用、防锈处理和防火处理的全寿命周期成本,不锈钢结构具有较大的优势。
 
我国发布的《不锈钢结构技术规范》CECS 410:2015,规定了几种常见的结构用不锈钢力学指标,其塑性变形能力以及强度与普通钢材相当,适用于抗震承重结构体系。
 
不锈钢没有普通钢材那样明确的屈服平台,因此一般用0.1%或0.2%(旧标)残余应变对应的强度作为名义屈服强度。
 
铸造不锈钢件组成的屋架结构
 
最常用的牌号是304,为了达到耐腐蚀性要求,304不锈钢必须含有18%以上的铬,8%以上的镍含量。
不过,304不锈钢不耐氯化物腐蚀,在含大量盐分的海雾中很快会锈蚀。因此,在侵蚀性严重的工业或海洋大气中,应采用耐腐蚀性更好的316。
而双相型不锈钢2205,把良好的耐大气腐蚀性能和高抗拉强度及弹性强度融为一体,其强度甚至略高于高强钢Q420。
 
1986年自由女神像的骨架修复
 
自1886年以来,自由女神像已经成为世界上最著名的雕塑之一。这座46米高的雕像最初的结构是一个钢铁框架,约1500个U形铜鞍座将铁架与外部铜片连接起来。
 
设计师巴托尔迪和埃菲尔预见到了电化学腐蚀的问题,并试图采用电隔离材料。不幸的是,围护结构设计和随后的修改使得含有海盐和酸雨的水渗透到铜后面。
 
 
电化学作用在1981年导致了严重的腐蚀,造成了铜皮的损伤。1986年自由女神像进行了一次大修,使用316L型和双相型不锈钢更换了雕像内部的铁架。由于铜和不锈钢之间不存在电偶腐蚀问题,并且两者热膨胀系数相同。高强度、高耐腐蚀的不锈钢让自由女神像重新焕发了光彩。
 
伦敦千禧桥The Millennium Bridge,2001
 
除了海边的自由女神像以外,临河临海的桥梁也是受腐蚀侵害严重的对象。第一座获得国际关注的不锈钢桥是伦敦千禧桥。它外形扁薄,总长325米、宽4米,桥身两侧各4条钢缆,悬挂在两个Y形支架上,被人们夸赞为泰晤士河上的Blade of light。结构上使用了双相型不锈钢Duplex 2205。
 
目前,世界上最长的双层不锈钢人行桥是新加坡滨海湾的螺旋人行桥 Helix Bridge (280米)和加州圣地亚哥的港湾大道人行桥(168米)。两者都使用UNS S32205双相不锈钢作为主要的结构材料。
 
新加坡螺旋人行桥 Helix Bridge
 
2010年竣工的双螺旋桥,也被称为双螺旋或DNA桥,是连接新加坡滨海中心和滨海南区的新地标。两个精致的双螺旋不锈钢结构环绕在人行道周围,作为管状桁架来承受设计荷载。
 
桥梁共用了1700多吨双相型高强不锈钢,一方面提供必要的耐腐蚀性和精美的外观,另一方面也减轻了桥梁重量。有分析表明,考虑上维修油漆和其他成本,100年的设计使用期内本项目用不锈钢比普通碳钢的成本更低。
 
Harbor Drive Bridge
 
圣地亚哥港道步行桥于2011年通车,设计使用年限100年,这个简单优雅的水平曲线结构模仿了邻近港口的帆船的外观。设计师选择了高强度、耐腐蚀的双相2205不锈钢作为主索,以满足抗盐雾腐蚀和结构强度的需求。吊索和安全网采用316型不锈钢。
 
Harbor Drive Bridge
 
流线型的设计不同于传统的悬索桥,它将主力索密封在一个直径203毫米不锈钢管中,悬吊在40米高斜塔的顶部。34根吊索单边吊住弯曲的桥板。第二根纵向后张钢索,巧妙地隐藏在内侧栏杆上方的203毫米不锈钢管内,提供水平力以稳定桥梁。
 
日本不动明王殿
 
日本山梨县的不动明王殿,殿内8m高木雕祭堂,为保证其耐久性(使用年数500年),支承大屋顶的主体结构采用了不锈钢结构。殿堂平面尺寸约14.7x20.0m,中间墙壁为钢筋混凝土结构,外围由不锈钢斜柱(D216~267)支承,屋面挑棚和檩条也是不锈钢型材,高度150mm。
 
 
海之车站是一个建筑面积600平的轮渡站,屋面为1.6mm的压型钢板轻质屋盖,支承其重量的钢柱是直径85mm的钢管。显然,如此纤细的钢管无法抵抗海风和地震引起的水平力。
 
▲ 海之车站 Marine Station Naoshima
 
建筑:SANAA;结构:佐佐木睦郎
 
在车站开敞的空间中布置有8片纤薄的钢板墙,墙表面是镜面不锈钢。镜面映射周边景色,与环境融为一体,不容易被察觉到。
 
▲  不锈钢镜面钢板墙 
 
钢板墙组成:“2mm镜面无缝钢板”+”9mm钢板”
 
中间为角钢骨架,防止钢板屈曲
 
全日空成田酒店的泳池上盖结构,SUS304,圆管
 
某超高层塔尖,SUS304、SUS316
 
不锈钢是以全标准的金属形状和尺寸生产制造的,基本包括结构工程师常用的截面形式,包括圆型、椭圆型、方型、矩型和六角型焊管或无缝钢管等型材、棒材、线材和铸件。
 
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 4  雕塑  
 
对于不锈钢雕塑,镜面抛光是最常见一种表面处理方式。“镜面不锈钢”即是类似于镜面成像的高抛光度不锈钢。
 
根据不锈钢镜面的精细、光滑、平整程度,常分为4K、6K、8K、10K、12K等级别。表面缺陷越少、平整度越高,则亮度越高、成像效果越好。
4k-Lv.9/Ra0.3~0.4μm几乎没有什么亮度,也叫雾面。
6K-Lv.10/Ra0.2~0.3μm 有明显的镜面效果。
8K-Lv.11/Ra0.1~0.2μm 最为常见的镜面不锈钢。
10K-Lv.12/Ra0.02~0.16μm精细抛光不锈钢,与镜子媲美。
12K-Lv.13/Ra0.015~0.02μm超精抛光,可满足光学用途。
Lv——表面光洁度,Ra——表面粗糙度
 
雕塑 Teardrop, 316不锈钢表皮+304不锈钢内骨架
 
“眼泪”,由英国著名雕塑家理查德·哈德逊制作,是一个3米高的不锈钢雕塑,表面经过超镜面抛光。整个作品以2-3mm厚的316L不锈钢为外材,手工锻造而成,柔和的线条和平坦的曲线表面,使整个反射面犹如一面真实的镜子,生动而完美。
 
由著名艺术家阿尼什·卡普尔(Anish Kapoor)设计的位于美国芝加哥市格兰特公园的云门(Cloud Gate),是一个令人激动的不锈钢现代雕塑。雕塑由168块不锈钢板焊接在一起,经过精细的打磨后形成一个完全看不到接缝的“豆荚”形整体,如同公园里常见的哈哈镜,反映着周边的景象。
 
芝加哥云门 Cloud Gate 镜面不锈钢
 
艺术家:Anish Kapoor
结构工程师:Atelier One + Chris Hornzee-Jones
钢材加工焊接:Performance Structures, Inc.
现场施工安装:MTH Industries
对于大众游客来说,或许体会不到雕塑暗含的寓意,但步移景换,充满了不确定性的发现却是雕塑的主要魅力之一。
 
云门 Cloud Gate的结构骨架
 
云门 Cloud Gate的内部骨架
 
钢板反面的加劲肋和正面贴了临时保护膜。钢板只是用临时支撑固定在骨架上,并没有焊接。钢板与钢板之间事实上是完全独立的,几乎做到了百分百完美的接缝,几乎没有挤压和变形。
 
初步焊接完成,尚未抛光时的云门雕塑
 
2007 年,Cloud Gate获得了美国焊接协会的行业杰出成就大奖。不锈钢的线膨胀系数是普通钢材的1.5倍,热传导率约为普通钢材的1/3,所以焊接变形控制比较困难,特别是奥氏体型不锈钢,应尽量减少焊缝的溶敷金属量、低热量输入,严格精细的焊接工艺和顺序。
其它不锈钢雕塑作品:
 

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