建筑抗震用低屈服點鋼的開發及性能研究

隨著建筑抗震技術的發展及對抗震機理的深入分析，耗能抗震成為建筑、橋梁抗震技術的一個發展趨勢［1-2］。地震會給人類帶來巨大的生命和財產損失，為降低地震帶來的損失，設計者對建筑結構的抗震技術開展了深入研究。低屈服點鋼作為耗能構件的主體制作材料，其研究開發自２０世紀９０年代以來越來越受到關注，并在鋼材研制和工程應用等方面取得顯著進展［３］。本文簡要介紹了建筑抗震用低屈服點鋼的性能要求，分析了寶鋼建筑抗震用低屈服點鋼的性能特點，并對其應用技術的發展狀況作了介紹。

建筑抗震設計主要是通過合理分配地震的慣性力和能量來減少地震對建筑結構的損害。傳統的建筑設計，通過建筑物柱梁的變形來吸收地震能以實現抗震的目的。神戶地震表明傳統的結構設計，其主要結構件的變形在震后很難修復，而且采用當前的設計技術很難根據建筑物的重要性來控制其抗震性能［4］。而采用耗能抗震技術可通過消能阻尼器吸收地震能量。地震時，這些抗震裝置先于主體結構件承受地震載荷作用，首先發生屈服，靠反復載荷滯后吸收地震能量，保護建筑主體結構的安全。與其它耗能材料相比，具有構造簡單、經濟耐用、震后更換方便和可靠性強等優點，既可用于新建筑物的抗震，也可用于舊建筑抗震能力的提高［4-6］。其典型的應用方式為屈曲約束支撐，如圖1所示。

建筑抗震用低屈服點鋼首先在地震頻發的日本研制成功并投入應用［４］，作為建筑抗震消能阻尼器的主體材料，其抗震耗能方式決定了對該鋼種的性能要求。地震中，要求消能阻尼器先于其它結構件承受地震載荷，在塑性區內發生反復變形。所以低屈服點鋼必須具有較低的屈服強度，并且同一強度等級的鋼材的屈服范圍應控制在很窄的范圍內（一般為４０ＭＰａ，即目標強度±２０ＭＰａ）［７］。抗震用鋼在地震時承受軸向或剪切交變載荷。強震的持續時間一般在１ｍｉｎ左右，振幅頻率通常１～３Ｈｚ，在１００～２００循環周次內造成建筑物的破壞，屬于高應變低周循環載荷。所以要求低屈服點鋼必須具有良好的抗高應變低周疲勞性能。低屈服點鋼作為建筑抗震耗能構件的主體部分，除了要求具有窄屈服波動和低周疲勞性能外，還要具有良好的塑性、低應變時效敏感性、較低的脆性轉變溫度和焊接等加工應用性能。

隨著國內高層建筑和鋼結構建筑的不斷發展及建筑抗震設計水平的提高，建筑耗能構件及低屈服點鋼的開發和應用在國內引起越來越多的重視。

寶鋼從２００５年著手研究建筑抗震用低屈服點鋼。經過３年的努力，完善了鋼的成分設計和制造工藝，成功開發出屈服強度１００ ＭＰａ、１６０ＭＰａ和２２５ＭＰａ三種級別的低屈服點鋼，三個強度級別的設定參照了日本新日鐵和ＪＦＥ等公司同類產品規范，以更靈活地滿足設計人員對低屈服點鋼的選用。

寶鋼建筑抗震用低屈服點鋼的成分采用低碳或超低碳設計，加入少量的微合金元素。其成分及性能的供貨技術條件如表１所示。

寶鋼低屈服點鋼工業生產的主要工藝路線為：鐵水深脫硫—頂底復吹轉爐冶煉—真空脫氣精煉—控制軋制—（控制冷卻）—（熱處理）—性能檢驗出廠，按不同強度級別及厚度規格，采用控軋或正火處理交貨。下文對批量工業生產的鋼板的力學性能、物理性能、焊接性能及金相組織等進行了試驗檢驗。

寶鋼低屈服點鋼的實物力學性能如表２所示。鋼板的拉伸、沖擊性能均符合目標要求，且性能波動幅度較小。另外，沿鋼板寬度方向在鋼板邊部、１／４處、板寬１／２處同時取橫向樣和縱向樣，測試了拉伸和０℃沖擊性能，測試結果表明寶鋼ＢＬＹ鋼板無各向異性，并且在全板上各個部位的性能分布均勻，波動較小。

建筑抗震用低屈服點鋼在地震條件下的受力特點決定其必須具有良好的低周疲勞性能。地震頻率一般為１至３Ｈｚ，持續時間在１ｍｉｎ左右，所以鋼板的低周疲勞循環次數在１００次以上即可滿足性能需要。

采用ＭＴＳ力學試驗機，測試了鋼板在１～３Ｈｚ內的低周疲勞性能，結果如圖２所示。從結果看，即使總應變（εｔ）高達４％ 時，循環次數（Ｃｙｃｌｅｓ）也在２００周以上，顯示了良好的低周疲勞性能。另外還測試了不同的應變幅，試樣的拉壓循環載荷曲線，應變速率為０．５／ｓ，應變幅為１／１００、１／１５０、１／２００、１／３００。從其循環曲線（圖３）看，隨著應變量的增加，鋼板的強度相應有所增加，和國外相同試驗有類似的結果，應力比滿足設計需求。

        在寶鋼研究院焊接與表面技術研究所進行了ｓｔｒａｉｎ（ｓｔｒａｉｎｒａｔｅ1.5／ｓ）低屈服點鋼板的焊接試驗。分別完成了鋼板Ｖ型坡口對接接頭焊接試驗、十字接頭焊接試驗、斜Ｙ型坡口焊接裂紋敏感試驗（小鐵研）及焊接熱影響區最高硬度試驗。上述焊接試驗結果表明，寶鋼研制的低屈服點鋼鋼板具有良好的可焊性能，焊接接頭性能良好。對接接頭采用的焊接工藝參數詳見表３，鋼板焊接后對焊接截面作了裂紋檢測和金相組織觀察，并加工了板狀拉伸試樣、側彎試樣和夏比Ｖ形缺口沖擊試樣。焊接接頭的力學性能試驗結果表明，拉伸斷裂位置全部為母材，焊接接頭的各個部位沖擊性能良好。焊縫１８０°冷彎性能合格。板厚／ｍｍ 焊接方式坡口焊絲焊接道數電流／Ａ 電壓／Ｖ 速度／（ｍｍ·ｓ－１） 線能量／（ｋＪ·ｃｍ－１）２０ 富氬氣保焊Ｖ型ＪＭ－５８１．２ｍｍ １３ ２７０２６ ６．４ １１．０根據ＧＢ４６７５．１—８４方法進行的斜Ｙ型坡口焊接裂紋試驗，焊縫的表面裂紋率、焊縫根部裂紋率和焊縫截面裂紋率均為零。

        三個強度級別的低屈服點鋼具有相似的金相組織，由于其合金含量低，基體組織一般為均勻的等軸鐵素體。以批量生產的ＢＬＹ１６０鋼板為試驗對象，磨拋制樣后采用４％硝酸酒精進行腐蝕，利用光學顯微鏡觀察了縱向截面的金相組織，其金相組織為均勻的等軸狀鐵素體組織。沿著板寬方向不同部位的組織形貌見圖４。當晶粒尺寸＞１００μｍ時，低溫韌性顯著降低。為保證低溫韌性，低屈服點鋼的晶粒尺寸應控制在８０μｍ以下。