低屈服點(diǎn)鋼在結(jié)構(gòu)抗震方面的應(yīng)用

1、低屈服點(diǎn)鋼在建筑結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用摘要：隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步，耗能抗震設(shè)計(jì)已成為建筑抗震的一個(gè)發(fā)展方向。低屈服點(diǎn)鋼具有良好的塑韌性和低達(dá)100MPa的屈服強(qiáng)度，并具有較狹窄的強(qiáng)度波動(dòng)范圍，而且成本低、易維護(hù)更換，在抗震構(gòu)件的制造應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，從而成為建筑抗震材料中越來(lái)越受到重視的新鋼種。本文介紹了抗震用低屈服點(diǎn)鋼的性能、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)研究中存在的問(wèn)題以及結(jié)論與展望。關(guān)鍵詞：低屈服點(diǎn)鋼；抗震；鋼板剪力墻；阻尼器0引言全世界每年均有上百萬(wàn)次的地震發(fā)生，我國(guó)也是地震多發(fā)國(guó)家，二十世紀(jì)以來(lái)，六級(jí)以上的地震接近800余次1,造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失。地震的災(zāi)害引起了人們對(duì)

2、于建筑抗震問(wèn)題的關(guān)注，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)日益重視。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是依靠柱和梁的塑性變形來(lái)吸收地震能的，日本神戶大地震后人們發(fā)現(xiàn)了這種設(shè)計(jì)的缺陷，因?yàn)榈卣鸾Y(jié)束后，嚴(yán)重?fù)p壞的柱梁主體結(jié)構(gòu)很難修復(fù)。隨著建筑物抗震技術(shù)的發(fā)展及對(duì)抗震機(jī)理的深入分析，同時(shí)也為了解決這個(gè)問(wèn)題，耗能抗震成為抗震技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。耗能減震技術(shù)通過(guò)消能阻尼器吸收地震能量3。地震時(shí)，這些抗震裝置先于其他結(jié)構(gòu)承受地震荷載作用，并首先發(fā)生屈服，靠反復(fù)載荷滯后吸收地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及建筑的安全。自從日本新日鐵于1995年開(kāi)發(fā)成功一種新型低屈服點(diǎn)鋼用于制造這種抗震消能阻尼裝置，同時(shí)開(kāi)發(fā)成功了一種抗震阻尼裝置并取得了專利權(quán)。低屈服

3、點(diǎn)鋼由于其具有比其他結(jié)構(gòu)件更低的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并且屈服點(diǎn)波動(dòng)范圍很窄，具有良好的低周疲勞抗力已經(jīng)在抗震領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1低屈服點(diǎn)鋼一般地,我們把材料屈服強(qiáng)度Fy=100165MPa的鋼材定義為低屈服點(diǎn)鋼4。采用這種材料的鋼板墻、阻尼器等隔震消震結(jié)構(gòu)能夠較早地屈服并極大地消耗吸收能量。此外，低屈服點(diǎn)鋼可焊性好并且屈服點(diǎn)波動(dòng)范圍很窄，具有良好的低周疲勞抗力5。試驗(yàn)表明低屈服點(diǎn)鋼具有優(yōu)越的伸長(zhǎng)率和后屈服階段顯著的應(yīng)變硬化性能。普通鋼板墻內(nèi)嵌鋼板曲強(qiáng)比約為0.63,延伸率約為20%,而低屈服點(diǎn)鋼的伸長(zhǎng)率超過(guò)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼的50%,同時(shí)擁有低屈服比。因此，消能構(gòu)件利用自身良好的滯回性能吸收

4、消耗地震能量，有效保護(hù)了主體建筑的安全，并且這些消能構(gòu)件只是抗側(cè)力構(gòu)件的一個(gè)組成部分，其屈服耗能不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承重能力。目前在低屈服點(diǎn)鋼的研制上日本保持領(lǐng)先。日本新日鐵最先提出軟鋼抗震阻尼器構(gòu)件，并于1995年開(kāi)發(fā)成功抗震阻尼器用低屈服點(diǎn)鋼，牌號(hào)是BLY100和BLY225,對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度分別為100MPa和225MPa。臺(tái)灣中鋼于1997年研制成功該鋼種，牌號(hào)為L(zhǎng)YS100。2010年溫東輝等人通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)及軋制工藝選擇，開(kāi)發(fā)了160MPa級(jí)抗震用低屈服點(diǎn)鋼BLY160O從目前已有的低屈服點(diǎn)鋼的產(chǎn)品看，其屈服強(qiáng)度基本分為三個(gè)級(jí)別，即100,160和225MPa。2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 低

5、屈服點(diǎn)鋼材在不同荷載下的性能石永久等為了研究低屈服點(diǎn)鋼材LYP225的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系，對(duì)18個(gè)試件進(jìn)行單調(diào)加載和循環(huán)加載，研究其單調(diào)曲線、滯回特點(diǎn)、破壞形態(tài)等.基于Ramberg-Osgood模型擬合了對(duì)稱逐級(jí)加載下的循環(huán)骨架曲線，通過(guò)試驗(yàn)滯回?cái)?shù)據(jù)標(biāo)定了基于Chaboche模型的等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化參數(shù)，并將其輸入到ABAQUS軟件的混合強(qiáng)化模型中，對(duì)強(qiáng)化參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。王佼姣7為了準(zhǔn)確模擬低屈服點(diǎn)鋼材LYPl00的彈塑性地震反應(yīng)，從而對(duì)材料的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究.采用16種不同加載制度對(duì)LYPl00的20個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，分析單調(diào)曲線、滯回曲線、破壞形態(tài)、延性特點(diǎn)等.基于Ramberg-Os

6、good模型對(duì)逐級(jí)加載下的循環(huán)骨架曲線進(jìn)行擬合.利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定LYPl00鋼材的等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化參數(shù)，通過(guò)ABAQUS有限元數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)數(shù)值的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低屈服點(diǎn)鋼循環(huán)荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與加載歷史相關(guān)，并且在單調(diào)荷載下和經(jīng)歷過(guò)循環(huán)荷載后均表現(xiàn)出良好的延性特征。Susantha等8以低屈服點(diǎn)鋼板的厚度和截面構(gòu)造作為測(cè)試的主要變量，研究了低屈服點(diǎn)鋼改善鋼橋橋墩的延展性問(wèn)題。結(jié)果表明，與無(wú)低屈服點(diǎn)鋼的橋墩相比，使用厚度合適的低屈服點(diǎn)鋼板加固的橋墩具有更好的延展性和消能作用。2.2 低屈服點(diǎn)鋼鋼板剪力墻的抗震性能研究低屈服點(diǎn)鋼板剪力墻是鋼板剪力墻中的一種，與其他鋼板剪力墻不同的是其使

7、用低屈服點(diǎn)鋼作為內(nèi)嵌鋼板。低屈服點(diǎn)鋼的屈服點(diǎn)較普通的Q235鋼要低，同時(shí)低屈服比的性能可以重新分配塑性應(yīng)力和提供更大的非彈性變形區(qū)域。在地震荷載作用下鋼板墻主要通過(guò)內(nèi)嵌鋼板屈服后發(fā)生塑性變形耗能。使結(jié)構(gòu)體系的抗震性能更加優(yōu)越。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，低屈服點(diǎn)鋼板墻可以在預(yù)先確定的水平力下屈服，并通過(guò)塑性變形消耗地震能量，同時(shí)擁有很大的屈服后剛度，一直到它的極限強(qiáng)度。通過(guò)良好的性能設(shè)計(jì)，低屈服強(qiáng)度鋼能夠提供在剪力墻和周邊鋼框架之間更好的強(qiáng)度比。剪力墻板的屈服點(diǎn)越低，就更容易設(shè)計(jì)該體系，使得剪力墻板在周邊框架屈屈之前先發(fā)生屈服，以保證剪力墻板在達(dá)到它的極限強(qiáng)度之前框架不會(huì)發(fā)生倒塌。Chen等網(wǎng)研究了低屈服

8、點(diǎn)鋼剪力墻的周期性行為。在低屈服點(diǎn)鋼剪力墻系統(tǒng)中，采用低屈服點(diǎn)鋼板作鋼護(hù)板，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼用作邊部框架，在交變載荷下進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，并測(cè)試低屈服點(diǎn)鋼剪力墻的剛性、強(qiáng)度、變形能力及消能作用。同時(shí)分析了鋼板的寬厚比效應(yīng)、剪力墻的連續(xù)性及邊部框架的柱梁連接設(shè)計(jì)等問(wèn)題。結(jié)果顯示，所有測(cè)試的試樣均具有良好的消能作用，剛性剪力墻系統(tǒng)和框架剪力墻系統(tǒng)都有良好的變形能力。黃育琪、郝際平等人10采用ANSYS軟件對(duì)低屈服點(diǎn)鋼板剪力墻在單調(diào)荷載作用下的仿真分析結(jié)果顯示：低屈服抗剪性能和在反復(fù)周期荷載作用下的滯回性能進(jìn)行了仿真分析,點(diǎn)鋼板剪力墻較普通鋼板剪力墻具有更好的耗能延性。2.3 低屈服點(diǎn)鋼耗能阻尼器的研究

9、我國(guó)自1980年王光遠(yuǎn)院士提出高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)震控制開(kāi)始，已有很多學(xué)者投入軟鋼阻尼器的研究和開(kāi)發(fā)中去。盡管軟鋼阻尼器的幾何形狀多種多樣，但都是通過(guò)軟鋼發(fā)生塑性屈服滯回變形而耗散能量，因此軟鋼阻尼器耗能減震能力的大小主要取決于其塑性變形能力的大小和耐疲勞性能，即滯回曲線是否豐滿，這樣從理論上研究符合實(shí)際情況的阻尼力-位移滯回模型成為關(guān)鍵。學(xué)者陳之毅11等對(duì)反復(fù)荷載作用下的剪切板阻尼器的抗剪極限強(qiáng)度進(jìn)行了分析，提出了一種考慮左右側(cè)翼緣板抗彎承載力的抗剪極限承載力計(jì)算公式，并通過(guò)Abuqus有限元程序分析表明當(dāng)側(cè)翼緣板承擔(dān)的剪力占總抗剪承載力的13%-28%時(shí)，其不僅有約束核心板邊界的作用，而且還通過(guò)抗彎

10、承擔(dān)了部分剪力。林堅(jiān)湘12等對(duì)剪切板阻尼器的理論公式進(jìn)行了推導(dǎo)，主要包括平面內(nèi)剪切屈服力和屈服位移、腹板的剪切屈曲臨界應(yīng)力、腹板發(fā)生屈曲的臨界高厚比公式；并且該學(xué)者還對(duì)自行設(shè)計(jì)的七種剪切板阻尼器進(jìn)行了有限分析和試驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察了側(cè)翼緣板厚度、核心板的形狀系數(shù)對(duì)阻尼器耗能性能的影響。Nakashima13在對(duì)由LYP100制作的6個(gè)低屈服點(diǎn)鋼剪切板阻尼器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中3個(gè)試件進(jìn)行單調(diào)加載，3個(gè)進(jìn)行低周往復(fù)循環(huán)加載，結(jié)果表明：該阻尼器具有良好的耗能能力，其耗能能力是其他相同線彈性、完全塑性系統(tǒng)的1.52倍。KiyoshiTanaka14對(duì)核心板采用LYP100、上下左右翼緣板采用SM490

11、A的剪切板阻尼器進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，研究表明：核心板的寬厚比越大，其面外屈曲變形也越大，并且這種面外變形的顯著程度隨著寬厚比的變小而有所降低。為了充分發(fā)揮低屈服點(diǎn)鋼的塑性變形能力，避免核心板板角處應(yīng)力集中產(chǎn)生的過(guò)早破壞，學(xué)者ZHANGChaofeng15對(duì)阻尼器核心板進(jìn)行了不同方式（中部變薄、開(kāi)槽削弱、開(kāi)孔削弱）的削弱，研究表明：開(kāi)孔削弱對(duì)阻尼器的延性影響非常小，但是卻造成了阻尼器滯回曲線的捏縮；另外兩種削弱方式提高了阻尼器的延性，雖然滯回曲線沒(méi)有未削弱的飽滿，但是差別不大，表現(xiàn)出了很好的性能。3點(diǎn)屈服點(diǎn)鋼研究中存在的問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)對(duì)于低屈服點(diǎn)鋼在建筑結(jié)構(gòu)抗震方面應(yīng)用的試驗(yàn)研究和理論研究均很少

12、，沒(méi)有形成完整的理論分析體系，缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于低屈服點(diǎn)鋼板剪力墻的研究，缺少低屈服點(diǎn)鋼材的計(jì)算模型，且很少考慮低屈服點(diǎn)鋼板剪力墻的受力特征，缺少準(zhǔn)確、高效的滯回模型供彈塑性時(shí)程分析使用。此外，雖然低屈服點(diǎn)鋼材由于其自身材料的優(yōu)勢(shì)，能夠獲得很好的滯回性能、延性和耗能能力，但是由于板件屈服強(qiáng)度較低，導(dǎo)致在同等厚度的情況下側(cè)向剛度低于普通鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，較早進(jìn)入屈服狀態(tài)；同時(shí)也存在薄鋼板剪力墻的普遍問(wèn)題，即鋼板屈曲會(huì)造成嚴(yán)重的平面外變形，產(chǎn)生巨大聲響，可能會(huì)影響建筑舒適度和使用功能的要求，并在循環(huán)荷載作用下滯回曲線出現(xiàn)明顯的捏攏現(xiàn)象。對(duì)于阻尼器的研究中并沒(méi)有利用國(guó)產(chǎn)低屈服點(diǎn)鋼設(shè)計(jì)制作不同形式

13、的阻尼器，進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究，分析總結(jié)以便更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐。在目前的研究中還缺乏對(duì)安裝有剪切板阻尼器鋼框架的抗震性能研究，需要切實(shí)考查阻尼器在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的性能；除此之外，對(duì)其滯回模型的研究還處于起步階段，需要結(jié)合各項(xiàng)同性強(qiáng)化、隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則以及能夠反映低屈服點(diǎn)鋼材料包辛格效應(yīng)的RO模型來(lái)綜合考慮。4結(jié)論與展望隨著人們對(duì)建筑抗震要求的提高，對(duì)建筑物的抗震設(shè)計(jì)以及鋼材的抗震性能提出的要求越來(lái)越高，由低屈服點(diǎn)鋼制造消能減震結(jié)構(gòu)，能夠有效吸收地震能，防止地震的慣性力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)主體的破壞，且在地震后便于替換，造價(jià)相對(duì)較低，低屈服點(diǎn)鋼作為抗震用鋼的新鋼種，具有廣闊的市場(chǎng)前景。參考文獻(xiàn)1國(guó)家統(tǒng)計(jì)局國(guó)家環(huán)境

14、保護(hù)局，中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒2007M,中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2007.11.2溫東輝，宋鳳鳴，李自剛，等。建筑抗震阻尼器用低屈服強(qiáng)度鋼的性能J.機(jī)械工程材料，2009,33(6);72-74.3趙財(cái)軍，摩擦型阻尼器在抗震方面的應(yīng)用J.科技傳播，2014(02);160、176.4范緯.抗震新材料一一低屈服點(diǎn)鋼材J.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(6):26-27.5溫東輝，宋鳳明.低屈服點(diǎn)鋼在建筑抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.寶鋼技術(shù)，2007(2):9-12.6石永久，王佼姣，王元清，等.循環(huán)荷載下低屈服點(diǎn)鋼材LYP225的力學(xué)性能J.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,44(6).7王佼姣，石永久，王元清，等.低屈服點(diǎn)鋼材

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16、38.10黃育琪，赤B際平，崔陽(yáng)陽(yáng)，等.低屈服點(diǎn)鋼板剪力墻抗震性能研究J.鋼結(jié)構(gòu)，2012,27(10):1-5.11陳之毅，葛漢彬，袁勇.反復(fù)荷載作用下剪切板阻尼器的抗剪極限強(qiáng)度J.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(2):219-225.12林堅(jiān)湘.高性能剪切板阻尼器模擬分析和試驗(yàn)研究D.武漢：華中科技大學(xué)學(xué)位論文，2011.13 MasayoshiNakashima.Strain-HardeningBehaviorofShearPanelsMadeofLow-YieldSteel:I-TestJ.Journalofstructuralengineering,1995:1742-1749.14 KiyoshiTanaka.Studyonenergyabsorbingperformanceofseismiccontrolshearpaneldamperusinglow-yield-pointst