建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼的開(kāi)發(fā)及性能研究

隨著建筑抗震技術(shù)的發(fā)展及對(duì)抗震機(jī)理的深入分析，耗能抗震成為建筑、橋梁抗震技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)［1-2］。地震會(huì)給人類帶來(lái)巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，為降低地震帶來(lái)的損失，設(shè)計(jì)者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震技術(shù)開(kāi)展了深入研究。低屈服點(diǎn)鋼作為耗能構(gòu)件的主體制作材料，其研究開(kāi)發(fā)自２０世紀(jì)９０年代以來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注，并在鋼材研制和工程應(yīng)用等方面取得顯著進(jìn)展［３］。本文簡(jiǎn)要介紹了建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼的性能要求，分析了寶鋼建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼的性能特點(diǎn)，并對(duì)其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r作了介紹。

建筑抗震設(shè)計(jì)主要是通過(guò)合理分配地震的慣性力和能量來(lái)減少地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的損害。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)，通過(guò)建筑物柱梁的變形來(lái)吸收地震能以實(shí)現(xiàn)抗震的目的。神戶地震表明傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要結(jié)構(gòu)件的變形在震后很難修復(fù)，而且采用當(dāng)前的設(shè)計(jì)技術(shù)很難根據(jù)建筑物的重要性來(lái)控制其抗震性能［4］。而采用耗能抗震技術(shù)可通過(guò)消能阻尼器吸收地震能量。地震時(shí)，這些抗震裝置先于主體結(jié)構(gòu)件承受地震載荷作用，首先發(fā)生屈服，靠反復(fù)載荷滯后吸收地震能量，保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)的安全。與其它耗能材料相比，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用、震后更換方便和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用方式為屈曲約束支撐，如圖1所示。

建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼首先在地震頻發(fā)的日本研制成功并投入應(yīng)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?jīng)Q定了對(duì)該鋼種的性能要求。地震中，要求消能阻尼器先于其它結(jié)構(gòu)件承受地震載荷，在塑性區(qū)內(nèi)發(fā)生反復(fù)變形。所以低屈服點(diǎn)鋼必須具有較低的屈服強(qiáng)度，并且同一強(qiáng)度等級(jí)的鋼材的屈服范圍應(yīng)控制在很窄的范圍內(nèi)（一般為４０ＭＰａ，即目標(biāo)強(qiáng)度±２０ＭＰａ）［７］。抗震用鋼在地震時(shí)承受軸向或剪切交變載荷。強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間一般在１ｍｉｎ左右，振幅頻率通常１～３Ｈｚ，在１００～２００循環(huán)周次內(nèi)造成建筑物的破壞，屬于高應(yīng)變低周循環(huán)載荷。所以要求低屈服點(diǎn)鋼必須具有良好的抗高應(yīng)變低周疲勞性能。低屈服點(diǎn)鋼作為建筑抗震耗能構(gòu)件的主體部分，除了要求具有窄屈服波動(dòng)和低周疲勞性能外，還要具有良好的塑性、低應(yīng)變時(shí)效敏感性、較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度和焊接等加工應(yīng)用性能。

隨著國(guó)內(nèi)高層建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑的不斷發(fā)展及建筑抗震設(shè)計(jì)水平的提高，建筑耗能構(gòu)件及低屈服點(diǎn)鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在國(guó)內(nèi)引起越來(lái)越多的重視。

寶鋼從２００５年著手研究建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼。經(jīng)過(guò)３年的努力，完善了鋼的成分設(shè)計(jì)和制造工藝，成功開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度１００ ＭＰａ、１６０ＭＰａ和２２５ＭＰａ三種級(jí)別的低屈服點(diǎn)鋼，三個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的設(shè)定參照了日本新日鐵和ＪＦＥ等公司同類產(chǎn)品規(guī)范，以更靈活地滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)低屈服點(diǎn)鋼的選用。

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

寶鋼低屈服點(diǎn)鋼工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝路線為：鐵水深脫硫—頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉—真空脫氣精煉—控制軋制—（控制冷卻）—（熱處理）—性能檢驗(yàn)出廠，按不同強(qiáng)度級(jí)別及厚度規(guī)格，采用控軋或正火處理交貨。下文對(duì)批量工業(yè)生產(chǎn)的鋼板的力學(xué)性能、物理性能、焊接性能及金相組織等進(jìn)行了試驗(yàn)檢驗(yàn)。

寶鋼低屈服點(diǎn)鋼的實(shí)物力學(xué)性能如表２所示。鋼板的拉伸、沖擊性能均符合目標(biāo)要求，且性能波動(dòng)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(shí)取橫向樣和縱向樣，測(cè)試了拉伸和０℃沖擊性能，測(cè)試結(jié)果表明寶鋼ＢＬＹ鋼板無(wú)各向異性，并且在全板上各個(gè)部位的性能分布均勻，波動(dòng)較小。

建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼在地震條件下的受力特點(diǎn)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(xù)時(shí)間在１ｍｉｎ左右，所以鋼板的低周疲勞循環(huán)次數(shù)在１００次以上即可滿足性能需要。

采用ＭＴＳ力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試了鋼板在１～３Ｈｚ內(nèi)的低周疲勞性能，結(jié)果如圖２所示。從結(jié)果看，即使總應(yīng)變（εｔ）高達(dá)４％ 時(shí)，循環(huán)次數(shù)（Ｃｙｃｌｅｓ）也在２００周以上，顯示了良好的低周疲勞性能。另外還測(cè)試了不同的應(yīng)變幅，試樣的拉壓循環(huán)載荷曲線，應(yīng)變速率為０．５／ｓ，應(yīng)變幅為１／１００、１／１５０、１／２００、１／３００。從其循環(huán)曲線（圖３）看，隨著應(yīng)變量的增加，鋼板的強(qiáng)度相應(yīng)有所增加，和國(guó)外相同試驗(yàn)有類似的結(jié)果，應(yīng)力比滿足設(shè)計(jì)需求。

        在寶鋼研究院焊接與表面技術(shù)研究所進(jìn)行了ｓｔｒａｉｎ（ｓｔｒａｉｎｒａｔｅ1.5／ｓ）低屈服點(diǎn)鋼板的焊接試驗(yàn)。分別完成了鋼板Ｖ型坡口對(duì)接接頭焊接試驗(yàn)、十字接頭焊接試驗(yàn)、斜Ｙ型坡口焊接裂紋敏感試驗(yàn)（小鐵研）及焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。上述焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，寶鋼研制的低屈服點(diǎn)鋼鋼板具有良好的可焊性能，焊接接頭性能良好。對(duì)接接頭采用的焊接工藝參數(shù)詳見(jiàn)表３，鋼板焊接后對(duì)焊接截面作了裂紋檢測(cè)和金相組織觀察，并加工了板狀拉伸試樣、側(cè)彎試樣和夏比Ｖ形缺口沖擊試樣。焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸斷裂位置全部為母材，焊接接頭的各個(gè)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(shù)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(jù)ＧＢ４６７５．１—８４方法進(jìn)行的斜Ｙ型坡口焊接裂紋試驗(yàn)，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(gè)強(qiáng)度級(jí)別的低屈服點(diǎn)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(chǎn)的ＢＬＹ１６０鋼板為試驗(yàn)對(duì)象，磨拋制樣后采用４％硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，利用光學(xué)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(jiàn)圖４。當(dāng)晶粒尺寸＞１００μｍ時(shí)，低溫韌性顯著降低。為保證低溫韌性，低屈服點(diǎn)鋼的晶粒尺寸應(yīng)控制在８０μｍ以下。