建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

2018-08-27 14:52:00
陆启蒙
原创
1683

随着建筑抗震技术的发展及对抗震机理的深入分析,耗能抗震成为建筑、桥梁抗震技术的一个发展趋势[1-2]。地震会给人类带来巨大的生命和财产损失,为降低地震带来的损失,设计者对建筑结构的抗震技术开展了深入研究。低屈服点钢作为耗能构件的主体制作材料,其研究开发自20世纪90年代以来越来越受到关注,并在钢材研制和工程应用等方面取得显著进展[3]。本文简要介绍了建筑抗震用低屈服点钢的性能要求,分析了宝钢建筑抗震用低屈服点钢的性能特点,并对其应用技术的发展状况作了介绍。

建筑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。传统的建筑设计,通过建筑物柱梁的变形来吸收地震能以实现抗震的目的。神户地震表明传统的结构设计,其主要结构件的变形在震后很难修复,而且采用当前的设计技术很难根据建筑物的重要性来控制其抗震性能[4]。而采用耗能抗震技术可通过消能阻尼器吸收地震能量。地震时,这些抗震装置先于主体结构件承受地震载荷作用,首先发生屈服,靠反复载荷滞后吸收地震能量,保护建筑主体结构的安全。与其它耗能材料相比,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[4-6]。其典型的应用方式为屈曲约束支撑,如图1所示。

建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

建筑抗震用低屈服点钢首先在地震频发的日本研制成功并投入应用[4],作为建筑抗震消能阻尼器的主体材料,其抗震耗能方式决定了对该钢种的性能要求。地震中,要求消能阻尼器先于其它结构件承受地震载荷,在塑性区内发生反复变形。所以低屈服点钢必须具有较低的屈服强度,并且同一强度等级的钢材的屈服范围应控制在很窄的范围内(一般为40MPa,即目标强度±20MPa)[7]。抗震用钢在地震时承受轴向或剪切交变载荷。强震的持续时间一般在1min左右,振幅频率通常1~3Hz,在100~200循环周次内造成建筑物的破坏,属于高应变低周循环载荷。所以要求低屈服点钢必须具有良好的抗高应变低周疲劳性能。低屈服点钢作为建筑抗震耗能构件的主体部分,除了要求具有窄屈服波动和低周疲劳性能外,还要具有良好的塑性、低应变时效敏感性、较低的脆性转变温度和焊接等加工应用性能。

随着国内高层建筑和钢结构建筑的不断发展及建筑抗震设计水平的提高,建筑耗能构件及低屈服点钢的开发和应用在国内引起越来越多的重视。

宝钢从2005年着手研究建筑抗震用低屈服点钢。经过3年的努力,完善了钢的成分设计和制造工艺,成功开发出屈服强度100 MPa、160MPa和225MPa三种级别的低屈服点钢,三个强度级别的设定参照了日本新日铁和JFE等公司同类产品规范,以更灵活地满足设计人员对低屈服点钢的选用。

宝钢建筑抗震用低屈服点钢的成分采用低碳或超低碳设计,加入少量的微合金元素。其成分及性能的供货技术条件如表1所示。

建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

宝钢低屈服点钢工业生产的主要工艺路线为:铁水深脱硫—顶底复吹转炉冶炼—真空脱气精炼—控制轧制—(控制冷却)—(热处理)—性能检验出厂,按不同强度级别及厚度规格,采用控轧或正火处理交货。下文对批量工业生产的钢板的力学性能、物理性能、焊接性能及金相组织等进行了试验检验。

宝钢低屈服点钢的实物力学性能如表2所示。钢板的拉伸、冲击性能均符合目标要求,且性能波动幅度较小。另外,沿钢板宽度方向在钢板边部、1/4处、板宽1/2处同时取横向样和纵向样,测试了拉伸和0℃冲击性能,测试结果表明宝钢BLY钢板无各向异性,并且在全板上各个部位的性能分布均匀,波动较小。

建筑抗震用低屈服点钢在地震条件下的受力特点决定其必须具有良好的低周疲劳性能。地震频率一般为1至3Hz,持续时间在1min左右,所以钢板的低周疲劳循环次数在100次以上即可满足性能需要。

采用MTS力学试验机,测试了钢板在1~3Hz内的低周疲劳性能,结果如图2所示。从结果看,即使总应变(εt)高达4% 时,循环次数(Cycles)也在200周以上,显示了良好的低周疲劳性能。另外还测试了不同的应变幅,试样的拉压循环载荷曲线,应变速率为0.5/s,应变幅为1/100、1/150、1/200、1/300。从其循环曲线(图3)看,随着应变量的增加,钢板的强度相应有所增加,和国外相同试验有类似的结果,应力比满足设计需求。

建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

        在宝钢研究院焊接与表面技术研究所进行了strain(strainrate1.5/s)低屈服点钢板的焊接试验。分别完成了钢板V型坡口对接接头焊接试验、十字接头焊接试验、斜Y型坡口焊接裂纹敏感试验(小铁研)及焊接热影响区最高硬度试验。上述焊接试验结果表明,宝钢研制的低屈服点钢钢板具有良好的可焊性能,焊接接头性能良好。对接接头采用的 焊接工艺参数详见表3,钢板焊接后对焊接截面作了裂纹检测和金相组织观察,并加工了板状拉伸试样、侧弯试样和夏比V形缺口冲击试样。焊接接头的力学性能试验结果表明,拉伸断裂位置全部为母材,焊接接头的各个部位冲击性能良好。焊缝180°冷弯性能合格。板厚/mm 焊接方式坡口焊丝焊接道数电流/A 电压/V 速度/(mm·s-1) 线能量/(kJ·cm-1)20 富氩气保焊V型JM-581.2mm 13 27026 6.4 11.0根据GB4675.1—84方法进行的斜Y型坡口焊接裂纹试验,焊缝的表面裂纹率、焊缝根部裂纹率和焊缝截面裂纹率均为零。

建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

         三个强度级别的低屈服点钢具有相似的金相组织,由于其合金含量低,基体组织一般为均匀的等轴铁素体。以批量生产的BLY160钢板为试验对象,磨抛制样后采用4%硝酸酒精进行腐蚀,利用光学显微镜观察了纵向截面的金相组织,其金相组织为均匀的等轴状铁素体组织。沿着板宽方向不同部位的组织形貌见图4。当晶粒尺寸>100μm时,低温韧性显著降低。为保证低温韧性,低屈服点钢的晶粒尺寸应控制在80μm以下。

建筑抗震用低屈服点钢的开发及性能研究

     3 低屈服点钢的物理性能
     3.1 杨氏弹性模量
     在中科院金属研究所测定了低屈服点钢钢板的杨氏弹性模量,试验方法为动力学法(共振法)执行标准GB/T2105-91。试验结果表明,BLY1600的常温杨氏弹性模量E=211.5GPa。
     3.2 密度
     在中科院金属研究所以流体静力学方法测定了低屈服点钢板的常温密度,根据计算结果,BLY160的密度:ρ=7.880g/cm3=7880kg/m3。
     3.3 热膨胀系数
     采用试验方法GB/T4339—1999,在中科院金属研究所采用石英拉杆式膨胀计,千分表法测定了低屈服点钢板的热膨胀系数,试验结果如下:BLY160钢板的热膨胀系数(温度范围20~100℃):α=11.9×10-6/℃。
     4 结束语
      (1)随着耗能减震技术的发展和提高,消能阻尼器的使用也逐步普及,用于制作消能阻尼器的低屈服点钢也逐渐成为抗震用钢中的重要产品之一。
      (2)宝钢生产的建筑抗震用系列低屈服点钢具有良好的窄屈服强度特性、良好的塑性和低屈强比、良好的抗震性能及焊接等应用性能,可以用于建筑、桥梁抗震耗能阻尼构件的制造。
      (3)采用宝钢低屈服点钢BLY160作为核心芯材,同济大学自主开发的TJI型屈曲约束支撑在上海世博中心工程这一标志性建筑上得到批量应用,首次实现国产化,打破了进口产品垄断国内市场的局面。


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