作者：班慧勇，梅镱潇，石永久（清华大学土木工程系）

出处：工程力学，2021，38(6): 1-23，DOI：10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.ST01

主题：不锈钢复合钢材（耐蚀双金属钢）钢结构的力学性能与应用技术

原文官方阅读链接：[https://www.engineeringmechanics.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.ST01](https://www.engineeringmechanics.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2020.04.ST01)

摘要：不锈钢复合钢材以碳钢为内芯、不锈钢为覆层经冶金结合而成，兼具不锈钢耐腐蚀与碳钢高强度、低成本的优点，可降低全生命周期成本、延长设计使用年限，适用于高腐蚀环境工程。文章介绍不锈钢复合钢材的生产制造与工程应用基础，系统综述国内外在材料与构件层面的研究进展，包括拉伸性能、冷弯性能、高温性能、断裂与疲劳性能、滞回性能、动态力学性能、耐腐蚀与界面性能等基本力学性能，以及构件稳定性能、残余应力、焊接接头性能、缺陷修复与有限元建模，为不锈钢复合钢材在结构工程中的研究、设计与推广提供参考。

一、研究背景与研究出发点

研究背景：普通碳钢在海洋大气、化工、潮湿等环境中易锈蚀，需频繁防腐涂装维护，全生命周期成本高；纯不锈钢耐腐蚀但价格昂贵，难以大规模用于主体结构。不锈钢复合钢材（不锈钢覆层+碳钢基层）通过热轧或爆炸复合实现冶金结合，仅在表面使用薄层不锈钢（2~4mm），既保留碳钢受力主体，又获得不锈钢耐候面层，性价比远优于纯不锈钢。目前已在高层建筑幕墙、铁路钢桥面板中试点应用，但在主体结构梁、柱、节点中的系统设计方法与规范仍缺失。

研究出发点：梳理不锈钢复合钢材从材料到构件的关键力学性能数据与研究成果，识别其与普通碳钢在拉伸、冷弯、焊接、疲劳、高温、耐腐蚀等方面的差异，为制定不锈钢复合钢结构设计标准、推动其在沿海与工业腐蚀环境工程中的应用提供依据。

二、节点分类与构造方案

说明：本文核心是不锈钢复合钢材的材料分类与构件构造形式：

1. 按生产工艺分类：热轧复合板、爆炸复合板、爆炸+轧制复合板；不同工艺界面结合强度与生产效率不同。

2. 按钢级匹配分类：常用组合为304/316L不锈钢覆层 + Q235/Q355/Q460碳钢基层；覆层厚度通常2~4mm，占板厚10%~20%。

3. 按构件形式分类：

  - 复合钢板梁/柱：直接采用复合板焊接成型；

  - 复合钢管混凝土柱：不锈钢复合钢管作外套管，内填混凝土；

  - 复合钢筋/钢筋桁架：不锈钢-碳钢复合钢筋用于混凝土结构耐腐蚀配筋；

4. 焊接构造：需采用过渡焊材或控制热输入，避免覆层不锈钢与碳钢在焊接区发生碳迁移导致界面脆化；缺陷修复需打磨后补焊不锈钢覆层。

三、提升方案对比分析

说明：对比普通碳钢、纯不锈钢、不锈钢复合钢材三类材料在力学性能、耐腐蚀性、造价、维护成本方面的差异。

1. 普通碳钢：强度高、造价低、焊接成熟；但耐腐蚀差，需定期涂装维护，全生命周期成本高，沿海/化工环境寿命短。

2. 纯不锈钢：耐腐蚀最优、免涂装；但造价为碳钢3~5倍，屈强比高、设计与焊接经验不足，主体结构经济性差。

3. 不锈钢复合钢材：兼顾碳钢受力与不锈钢耐蚀，造价约为纯不锈钢的1/3~1/2，可免涂装或轻涂装；但界面结合、焊接工艺、冷弯开裂、残余应力等问题需专门研究。

结论：在腐蚀环境（沿海、跨海桥梁、化工园区、地下工程）中，不锈钢复合钢材是"碳钢性价比"与"不锈钢耐久性"之间的最优平衡方案；普通室内干燥环境仍以碳钢为主；纯不锈钢仅用于装饰幕墙或极端腐蚀部位。

四、研究结论与工程应用价值

研究结论：

1. 不锈钢复合钢材的屈服与抗拉强度基本由碳钢基层决定，不锈钢覆层主要贡献耐腐蚀与延性；界面冶金结合可靠，但焊接热循环可能导致碳迁移与界面劣化；

2. 材料层面：其拉伸、冷弯、滞回、疲劳性能总体接近碳钢，但冷弯时覆层易开裂、焊接接头需特殊工艺；高温与耐腐蚀性能显著优于碳钢；

3. 构件层面：复合钢柱整体稳定、残余应力分布与碳钢构件存在差异，需建立专门的设计计算公式；

4. 目前缺乏统一的不锈钢复合钢结构设计规范，焊接、缺陷修复、耐腐蚀设计仍依赖工程经验。

工程应用价值：

1. 为沿海超高层建筑、跨海钢桥、化工厂房、地下管廊等腐蚀环境钢结构提供长寿命、低维护的材料选择；

2. 指导设计人员正确选用不锈钢复合钢材构件，合理处理焊接节点与界面；

3. 支撑我国钢结构向"低碳长寿命"方向发展——减少防腐涂装与维护碳排放，符合双碳战略，是高性能钢材方向的重要分支。