低屈服点钢在抗震阻尼构件中的应用

低屈服点钢在抗震阻尼构件中的应用

0建筑抗震问题地球上每年发生数百万次地震。我国作为地震多发国家,20世纪发生6级以上地震近400次,造成大量的人员伤亡和财产损失。地震造成的灾害,引起人们对建筑抗震问题的关注。近年来,在工程抗震研究方面取得了很大进展,工程结构用钢的抗震性能也日益得到重视,目前已经研制了系列高性能的结构抗震用钢并应用于高层建筑的建造。但对于低屈服点钢在抗震设计中的应用还鲜有报道。1建筑物承载力影响建筑物抗震性能的因素很多,包括场地、地基、平立面布置、结构体系、结构构件和材料性能等。地震时,建筑物承载力不足或者连接强度不够,是导致建筑物倒塌的两个主要原因。同时,建筑物构件的变形能力不够,将使结构丧失整体性,导致建筑物解体。所以抗震结构用钢不仅要具有高的强度,还要注重塑性。另外,还要考虑钢的应变时效敏感性、脆性转变温度、低周疲劳抗力和焊接等性能。(1)应变时效的影响钢材在预应变及时效后,强度增高,延伸率下降,形成应变时效脆性。一般认为这是由于钢中间隙原子N和C向位错迁移,且钉住位错引起的。在地震载荷下,应变时效降低了钢材吸收地震能量的能力,钢材很容易断裂。这样的钢材不能用于地震区建筑。(2)部分震区,主要有“抗震设计用钢希望有较低的韧脆转变温度(低于-40℃)。我国部分震区位于寒冷地区,最低气温可达-40℃以下。韧脆转变温度较高的钢材在低温下承受载荷时经常断裂,造成灾难性事故。(3)强震的持续时间和振幅频率在地震作用下,建筑用钢存在高应变低周疲劳问题。地震时,强震的持续时间一般在1min以内,振幅频率通常为1~3Hz。在100~200循环周次内造成建筑物的破坏,这属于高应变低周疲劳。(4)钢的可焊性很多建筑构件都需要焊接,这些焊接处在承受地震载荷时容易开裂。所以抗震设计用钢应具有较高的可焊性。钢材通常用碳当量(Ceq)来衡量可焊性,认为Ceq<0.40%时具有良好的可焊性。也有用焊接热影响区(HAZ)的最高硬度来衡量钢材的焊接性能,日本的国家标准曾规定HAZ的硬度最高应当不超过HV350。2新型抗侧力钢构件抗震设计主要是通过合理分配地震的惯性力和能量来减少地震对建筑结构的损害,实现抗震的目的。传统的建筑结构设计是依靠柱和梁的塑性变形来吸收地震能的,日本神户大地震后人们发现了这种设计的缺陷,因为地震结束后,严重损坏的柱梁主体结构很难修复。为了解决这一问题,建筑设计领域开始重视依靠消震阻尼装置的主动变形来吸收地震能的抗震设计形式,这种设计方式在日本已经得到越来越广泛的应用。经过近10年的研究,新日铁于1995年开发成功一种新型低屈服点钢用于制造这种抗震消能阻尼装置,而且新日铁还同时开发成功了一种抗震阻尼装置并取得了专利权。用于制作抗震装置(seismiccontroldevices)的低屈服点钢(或称软钢)成为抗震用钢的一个新钢种。这些抗震装置利用软钢良好的滞回性能吸收消耗地震能量,保护建筑主体结构。用于制造这些抗震设施的钢具有比其他结构件更低的屈服强度和抗拉强度,并且屈服点波动范围很窄,具有良好的低周疲劳抗力。地震时,这些抗震设施先于其他结构件承受地震载荷作用,并首先发生屈服,靠反复载荷滞后吸收地震能量,保护整个建筑。而此类构件只是抗侧力构件的一个组成部分,其屈服耗能不会影响结构的承重能力。与其他减震材料相比,具有构造简单、经济耐用、震后更换方便和可靠性强等优点,既可用于新建筑物的抗震,也可用于旧建筑抗震能力的提高。目前采用低屈服点钢提高建筑物的抗震能力在以日本为代表的很多国家得到广泛推广,并开发了一批相关的抗震设计技术。目前国内使用低屈服点钢制作抗震构件还刚刚起步,当前已知的应用实例是北京清华工业园区由一家美国公司设计的威盛大厦。而我国属于地震多发国家,烈度为7~9度的地震区分布在全国约100个地区。随着我国高层建筑的增多以及高层钢结构建筑设计水平的提高,低屈服点钢未来的市场前景将非常广阔。3试验结果与分析材料的高应变低周疲劳机理十分复杂。目前处理此问题的基本理论有两类,一个是裂纹扩展理论,即用某一力学参量建立疲劳裂纹的扩展模型,当裂纹扩展到该力学参量的临界值时产生疲劳破坏;另一个是累积损伤理论,即当每次循环使材料产生的不可逆损伤累计达到材料的损伤界限时,材料断裂。目前低周疲劳性能的研究多集中于高强度钢,而关于低屈服点钢低周疲劳性能的文献还很少。研究认为,HSLC疲劳寿命主要取决于塑性,还要有一定的强度。根据Manson公式:Δεt=Δεe+Δεp=3.5σENf−0.12+(1n11−ϕ)0.6Nf−0.6(1)Δεt=Δεe+Δεp=3.5σEΝf-0.12+(1n11-ϕ)0.6Νf-0.6(1)式中,Δεt为总应变幅,Δεe为弹性应变幅,Δεp为塑性应变幅,ϕ、σ分别为断面收缩率和抗拉强度,E为弹性模量,Nf为疲劳寿命。在高应变低周寿命范围,式中第二项远大于第一项,塑性越高,则疲劳寿命越高。根据(1)式,提高材料塑性是提高低周疲劳抗力的有效途径,但强度仍有重要作用。试验结果显示,低周疲劳抗力与钢的σbϕ√σbϕ值有很好的对应关系,表明强度和塑性的适当配合,可提高钢的高应变低周疲劳性能。保持一定的σbϕ√σbϕ值可吸收较高的地震能量,从而具有较高的抗震性能。影响低屈服点钢制造的抗震设施性能的因素包括滞回特性、应变速率和低周疲劳性能。日本在0.3%~3.0%的应变范围内测试了低屈服点钢的低周疲劳性能。试验发现,低屈服点钢的硬化特性比传统钢略高。随着应变的增加,低屈服点钢的屈服和抗拉强度比传统钢的增加更多,但应变对延伸率的影响较小。而且,在0.1%/s的应变速率和2%的应变范围内,LYP100和LYP235的低周疲劳特性和SS400类似。4低屈服点钢混合结构结构装置在我国的应用目前在低屈服点钢的研制上日本保持领先。日本新日铁最先提出软钢抗震阻尼器构件,并于1995年开发成功抗震阻尼器用低屈服点钢,牌号是BLY-100和BLY-225,对应屈服强度分别为100MPa和225MPa(表1),其屈服强度波动范围有严格的要求,拉伸曲线如图1所示。目前这两个钢种已经得到工程应用,主要做成三种类型的抗震阻尼器应用于高层建筑结构的柱梁连接结构、剪力墙等。川崎制铁于1998年开发出类似低屈服点钢,牌号为RIVERFLEX100和RIVERFLEX235,JFE成立以后也把建筑构造用低屈服点钢纳入钢板产品目录,牌号为JFE-LY100、JFE-LY160、JFE-LY225(表2)。台湾中钢于1997年研制成功该钢种,牌号为LYS100。从目前已有的低屈服点钢的产品看,其屈服强度基本分为三个级别,即100,160和225MPa。尽管我国在建筑抗震设计方面的研究进展很快,但对低屈服点钢的抗震阻尼装置设计研究多处于起步阶段。蔡克铨等研究了低屈服点钢制作抗震间柱构架的抗震行为,试验结果表明三段式设计耐震间柱具有良好的耐震性能。抗震间柱的上段和下段采用强度较高的钢材为原料,中间的腹板使用低屈服钢(LYS100)制作,而中间段之翼板仍用高强度钢材。该设计使变形集中于间柱的中间段,方便地震后检查更换且充分发挥低屈服钢的韧性效益。并且可使中间段的LYS100腹板产生较大的变形,从而产生较大的应变硬化效应与消能能力,使材料的强度发挥更高,而且破坏集中于中间段。李玉顺等研究了安装低屈服点钢阻尼器的钢框架结构的抗震性能。结果表明,在结构上安装了软钢阻尼器之后,结构的位移明显降低。在试验过程中,框架柱和间柱始终在弹性变形范围内,而软钢阻尼器产生了很大的塑性变形,表明其能够有效抑制结构的地震反应。在抗震用低屈服点钢研制方面,国内同样也处于起步阶段,宝钢已着手进行了建筑抗震用低屈服点钢的试验室研究,探索了成分和工艺设计,并取得了初步的成果。5抗震消能构件设计(1)随着人们对建筑抗震要求的提高,对建筑物的抗震设计以及钢材的抗震性能提出了