建筑结构用钢的低周疲劳问题及研究意义

建筑结构用钢的低周疲劳问题及研究意义
摘要：根据建筑用钢在地震时的受力状态,阐述了钢材的高应变低周疲劳性能在抗震设计中的重要性，讨论了低周疲劳研究的意义和方向，并阐述了尺寸效应和内部缺陷对低周疲劳寿命的影响。

关键词：高应变低周疲劳；尺寸效应；内部缺陷
Abstract:Construction steel in the earthquake according to the stress state, this paper expounds the high strain low-cycle fatigue performance about the steel in the importance of seismic design, discussed the significance and direction of the low cycle fatigue, and explains the size effect and internal defects of low cycle fatigue life influence.
Keywords：high strain low cycle(HSLC)fatigue; size effect; internal defect
1 前言
近年来全国各地高层建筑迅猛发展，同时我国已经进入第五个地震活动期，这对建筑用钢的高应变低周、超低周疲劳性能提出了严峻的挑战。

我国根据现有的科学水平和经济条件，对建筑抗震提出了“三个水准”的设防目标，即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

用于制作抗震构件的低屈服点钢，作为抗震用钢的新钢种将会得到越来越广泛的应用。

为此，本文介绍了建筑抗震用钢的高应变低周、超低周疲劳研究状况，并指出了今后国内抗震用钢低周、超低周疲劳研究的方向，为进一步提高建筑用抗震钢的综合抗震性能提供借鉴。

2 低周疲劳研究的意义
当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。

根据材料疲劳破坏前所经历的循环次数（即寿命）的不同，可以分为高周疲劳和低周疲劳。

当外载荷在最大和最小值之间作周期性循环运动时，材料就会出现疲劳，疲劳是一损伤过程，当它的塑性应变比较大且足以进行测量时，这就是低周疲劳，对应的应力比屈服应力略高，也对应着一定的循环次数才破坏。

对于金属，疲劳损伤主要是由于微裂纹的形成而产生，比延性损伤更具有明显的局部性。

消能减震耗能器用钢在地震时承受反复的交变载荷。

强震的持续时间一般在1 min以内，振幅频率通常在1～3 Hz，在100～200循环周次内造成建筑物的破坏，属于高应变低周(HSLC)疲劳。

在地震载荷下，耗能器所用钢的高应变低周疲劳性能，可能是建筑结构抗震性能的控制因素，所以，要求消能减震耗能器用钢必须具有良好的抗低周疲劳性能。

疲劳是损伤力学中研究的对象之一，所以应该应用损伤力学的理论作为研究疲劳损伤的基础。

大量的事实表明：疲劳问题中有非常明显的随机性。

这表现在疲劳寿命具有大方差的概率分布，在同样的试验条件下，同一组试件的试验寿命相差很大，因而疲劳问题的研究日益受到人们的重视。

构件承受高应力疲劳载荷，会有大量塑性应变产生，由于塑性应变能的累积进而产生不可逆损伤，这是疲劳破坏产生的根本原因。

疲劳破坏是工程结构失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。

显而易见，钢板耗能器在地震交变载荷重复作用下的破坏属于疲劳破坏中的低周疲劳破坏，因此开展低周疲劳研究有着重要的意义。

3 抗震用钢的研究方向及成果
我国建筑用钢高应变低周疲劳性能研究主要集中在强度、塑性和韧性的配合及微合金化对于与低周疲劳性能的影响等方面，低周及超低周疲劳微观机理、低屈服点钢低周疲劳性能、焊接后的低周疲劳性能以及表面处理技术对提高低周疲劳寿命的影响等方面的研究还刚起步，甚至还没有涉及。

我国位于地震多发区，唐山、汶川以及玉树大地震，都造成了大量的人员伤亡和巨大的财产损失。

对于建筑抗震用钢的研究主要应致力于:低屈服点钢低周、超低周疲劳性能; 焊接结构的低周疲劳性能;低周、超低周疲劳的微观机理;累计损伤评估及疲劳寿命的预测;微合金化、控制轧制工艺和表面处理对于低周疲劳寿命的影响等，进而在试验基础上从可靠的角度出发，研制出具有高的抗震性能的建筑用抗震钢，为推动我国抗震用钢结构的研究发展做出贡献。

低屈服点钢具有屈服强度低、强度稳定、变形能力强的特点。

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。

除了目前广泛使用的结构抗震用抗震钢外，用于制作抗震构件的低屈服点钢(或称软钢)成为抗震用钢的一个新钢种。

目前，在以日本为代表的很多国家，采用低屈服点钢提高建筑物的抗震能力。

国内对抗震用钢的低周疲劳始于20世纪80年代。

重庆大学龚士弘、盛光敏、辛义德等人在高应变低周疲劳性能研究方面做了大量工作。

4 构件的尺寸效应问题和内部缺陷问题
由于材料的不均匀性、内部缺陷等因素，影响着构件的质量，特别是对于大尺寸构件，由于尺寸的增大而使其性能降低的可能性也增大，当然对金属而言，其热处理和机加工误差等也是一些影响因素，一般说来，尺寸增大，疲劳强度下降，而且，尺寸效应是一带有统计性质的问题，对于目前乃至将来，疲劳领域的一个重要研究课题就是通过小试件获得基本数据，然后应用到实际的大构件中去，因此，尺寸效应问题就显得尤为重要。

疲劳损伤的局部性表现之一就是失效首先在最薄弱环节处产生，如果构件是处于等损伤下，这一局部性就和绝对尺寸效应有关。

由于问题的复杂性，所以在实际的研究中为简化起见，需要通过某
种方式（如类比试件的试验）独立出尺寸这个因素，研究其尺寸的变化对疲劳寿命的影响规律，这就是绝对尺寸效应的问题。

试件或构件在外载荷循环作用下，由初始应力场随外载交替循环变化，材料逐渐损伤而劣化，当劣化到一定程度时，材料则失效。

由于疲劳对许多因素，如材料性能、加工环境等非常敏感，因而表现出随机性。

从大量的研究和工程实际可知，疲劳过程中最明显的特征是材料的衰变损伤性、概率统计以及局部性。

金属内部都有缺陷，孔洞、夹杂、二相粒子，断口中存在微孔洞和夹杂物，使裂纹扩展速度加快，材料疲劳寿命降低。

5 结语
1)低屈服点钢循环应力应变曲线包围的面积较大，发生的应变主要为塑性应变，正是通过塑性变形有效的吸收地震能量，为建筑结构消能减震用钢的发展趋势。

2)当结构用钢中存在微孔洞等缺陷时会显著降低其低周疲劳寿命，在选材及加工制作过程中应严格控制施工工艺，避免构件过早破坏。

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