低屈服点钢在结构抗震方面的应用

低屈服点钢在建筑结构抗震中的应用

摘要：随着钢结构建筑抗震设计水平的进步,耗能抗震设计已成为建筑抗震的一个发展方向。低屈服点钢具有良好的塑韧性和低达100 MPa的屈服强度,并具有较狭窄的强度波动范围,而且成本低、易维护更换,在抗震构件的制造应用中具有显著的优势,从而成为建筑抗震材料中越来越受到重视的新钢种。本文介绍了抗震用低屈服点钢的性能、国内外的研究现状、国内研究中存在的问题以及结论与展望。

关键词：低屈服点钢；抗震；钢板剪力墙；阻尼器

0引言

全世界每年均有上百万次的地震发生，我国也是地震多发国家，二十世纪以来，六级以上的地震接近800余次[1]，造成巨大的人员伤亡和财产的损失。地震的灾害引起了人们对于建筑抗震问题的关注，建筑结构的抗震设计日益重视。传统的建筑结构设计是依靠柱和梁的塑性变形来吸收地震能的,日本神户大地震后人们发现了这种设计的缺陷,因为地震结束后,严重损坏的柱梁主体结构很难修复。随着建筑物抗震技术的发展及对抗震机理的深入分析，同时也为了解决这个问题，耗能抗震[2]成为抗震技术的一个发展趋势。耗能减震技术通过消能阻尼器吸收地震能量[3]。地震时，这些抗震装置先于其他结构承受地震荷载作用，并首先发生屈服，靠反复载荷滞后吸收地震能量，保护主体结构及建筑的安全。自从日本新日铁于1995年开发成功一种新型低屈服点钢用于制造这种抗震消能阻尼装置，同时开发成功了一种抗震阻尼装置并取得了专利权。低屈服点钢由于其具有比其他结构件更低的屈服强度和抗拉强度,并且屈服点波动范围很窄,具有良好的低周疲劳抗力已经在抗震领域得到了越来越广泛的应用。

1低屈服点钢

一般地, 我们把材料屈服强度Fy=100～165MPa的钢材定义为低屈服点钢[4]。采用这种材料的钢板墙、阻尼器等隔震消震结构能够较早地屈服并极大地消耗吸收能量。此外,低屈服点钢可焊性好并且屈服点波动范围很窄, 具有良好的低周疲劳抗力[5]。试验表明低屈服点钢具有优越的伸长率和后屈服阶段显著的应变硬化性能。普通钢板墙内嵌钢板曲强比约为0.63,延伸率约为20%,而低屈服点钢的伸长率超过传统结构钢的50%,同时拥有低屈服比。因此,消能构件利用自身良好的滞回性能吸收消耗地震能量,有效保护了主体建筑的安全,并且这些消能构件只是抗侧力构件的一个组成部分, 其屈服耗能不会影响结构的承重能力。

目前在低屈服点钢的研制上日本保持领先。日本新日铁最先提出软钢抗震阻尼器构件,并于1995年开发成功抗震阻尼器用低屈服点钢,牌号是BL Y100和BL Y225,对应屈服强度分别为100MPa和225MPa。台湾中钢于1997年研制成功该钢种,牌号为L YS100。2010年温东辉等人通过合理的成分设计及轧制工艺选择，开发了160 MPa级抗震用低屈服点钢BL Y160。从目前已有的低屈服点钢的产品看,其屈服强度基本分为三个级别,即100,160和

225MPa。

2 国内外研究现状

2.1低屈服点钢材在不同荷载下的性能

石永久等[6]为了研究低屈服点钢材L YP225的循环本构关系，对18个试件进行单调加载和循环加载，研究其单调曲线、滞回特点、破坏形态等．基于Ramberg-Osgood模型拟合了对称逐级加载下的循环骨架曲线，通过试验滞回数据标定了基于Chaboche模型的等向强化和随动强化参数，并将其输入到ABAQUS软件的混合强化模型中，对强化参数的准确性进行验证。王佼姣[7]为了准确模拟低屈服点钢材L YPl00的弹塑性地震反应，从而对材料的循环本构关系进行研究．采用16种不同加载制度对L YPl00的20个试件进行试验，分析单调曲线、滞回曲线、破坏形态、延性特点等．基于Ramberg-Osgood模型对逐级加载下的循环骨架曲线进行拟合．利用试验数据标定L YPl00钢材的等向强化和随动强化参数，通过ABAQUS有限元数值模拟进行参数数值的验证。实验结果表明低屈服点钢循环荷载作用下应力应变关系与加载历史相关，并且在单调荷载下和经历过循环荷载后均表现出良好的延性特征。

Susantha等[8]以低屈服点钢板的厚度和截面构造作为测试的主要变量,研究了低屈服点钢改善钢桥桥墩的延展性问题。结果表明，与无低屈服点钢的桥墩相比,使用厚度合适的低屈服点钢板加固的桥墩具有更好的延展性和消能作用。

2.2低屈服点钢钢板剪力墙的抗震性能研究

低屈服点钢板剪力墙是钢板剪力墙中的一种, 与其他钢板剪力墙不同的是其使用低屈服点钢作为内嵌钢板。低屈服点钢的屈服点较普通的Q235钢要低,同时低屈服比的性能可以重新分配塑性应力和提供更大的非弹性变形区域。在地震荷载作用下钢板墙主要通过内嵌钢板屈服后发生塑性变形耗能。使结构体系的抗震性能更加优越。通过适当的设计,低屈服点钢板墙可以在预先确定的水平力下屈服, 并通过塑性变形消耗地震能量, 同时拥有很大的屈服后刚度,一直到它的极限强度。通过良好的性能设计, 低屈服强度钢能够提供在剪力墙和周边钢框架之间更好的强度比。剪力墙板的屈服点越低, 就更容易设计该体系, 使得剪力墙板在周边框架屈屈之前先发生屈服, 以保证剪力墙板在达到它的极限强度之前框架不会发生倒塌。

Chen等[9]研究了低屈服点钢剪力墙的周期性行为。在低屈服点钢剪力墙系统中，采用低屈服点钢板作钢护板，传统的结构钢用作边部框架，在交变载荷下进行了系列试验研究，并测试低屈服点钢剪力墙的刚性、强度、变形能力及消能作用。同时分析了钢板的宽厚比效应、剪力墙的连续性及边部框架的柱梁连接设计等问题。结果显示，所有测试的试样均具有良好的消能作用，刚性剪力墙系统和框架剪力墙系统都有良好的变形能力。

黄育琪、郝际平等人[10]采用ANSYS软件对低屈服点钢板剪力墙在单调荷载作用下的抗剪性能和在反复周期荷载作用下的滞回性能进行了仿真分析，仿真分析结果显示：低屈服点钢板剪力墙较普通钢板剪力墙具有更好的耗能延性。

2.3低屈服点钢耗能阻尼器的研究

我国自1980年王光远院士提出高耸结构风震控制开始，已有很多学者投入软钢阻尼器的研究和开发中去。尽管软钢阻尼器的几何形状多种多样, 但都是通过软钢发生塑性屈服滞回变形而耗散能量, 因此软钢阻尼器耗能减震能力的大小主要取决于其塑性变形能力的大小和耐疲劳性能, 即滞回曲线是否丰满, 这样从理论上研究符合实际情况的阻尼力- 位移滞回模型成为关键。

学者陈之毅[11]等对反复荷载作用下的剪切板阻尼器的抗剪极限强度进行了分析，提出了一种考虑左右侧翼缘板抗弯承载力的抗剪极限承载力计算公式，并通过Abuqus有限元程序分析表明当侧翼缘板承担的剪力占总抗剪承载力的13%-28%时，其不仅有约束核心板边界的作用，而且还通过抗弯承担了部分剪力。

林坚湘[12]等对剪切板阻尼器的理论公式进行了推导，主要包括平面内剪切屈服力和屈服位移、腹板的剪切屈曲临界应力、腹板发生屈曲的临界高厚比公式；并且该学者还对自行设计的七种剪切板阻尼器进行了有限分析和试验研究，重点考察了侧翼缘板厚度、核心板的形状系数对阻尼器耗能性能的影响。

Nakashima[13]在对由L YP100制作的6个低屈服点钢剪切板阻尼器进行了试验研究，其中3个试件进行单调加载，3个进行低周往复循环加载，结果表明：该阻尼器具有良好的耗能能力，其耗能能力是其他相同线弹性、完全塑性系统的1.5~2倍。

Kiyoshi Tanaka[14]对核心板采用L YP100、上下左右翼缘板采用SM490A的剪切板阻尼器进行了相应的试验研究，研究表明：核心板的宽厚比越大，其面外屈曲变形也越大，并且这种面外变形的显著程度随着宽厚比的变小而有所降低。为了充分发挥低屈服点钢的塑性变形能力，避免核心板板角处应力集中产生的过早破坏，

学者ZHANG Chaofeng[15]对阻尼器核心板进行了不同方式(中部变薄、开槽削弱、开孔削弱)的削弱，研究表明：开孔削弱对阻尼器的延性影响非常小，但是却造成了阻尼器滞回曲线的捏缩；另外两种削弱方式提高了阻尼器的延性，虽然滞回曲线没有未削弱的饱满，但是差别不大，表现出了很好的性能。

3 点屈服点钢研究中存在的问题

目前国内对于低屈服点钢在建筑结构抗震方面应用的试验研究和理论研究均很少，没有形成完整的理论分析体系，缺少相应的设计方法。

对于低屈服点钢板剪力墙的研究，缺少低屈服点钢材的计算模型，且很少考虑低屈服点钢板剪力墙的受力特征，缺少准确、高效的滞回模型供弹塑性时程分析使用。此外，虽然低屈服点钢材由于其自身材料的优势，能够获得很好的滞回性能、延性和耗能能力，但是由于板件屈服强度较低，导致在同等厚度的情况下侧向刚度低于普通钢板剪力墙结构，较早进入屈服状态；同时也存在薄钢板剪力墙的普遍问题，即钢板屈曲会造成严重的平面外变形，产生巨大声响，可能会影响建筑舒适度和使用功能的要求，并在循环荷载作用下滞回曲线出现明显的捏拢现象。

对于阻尼器的研究中并没有利用国产低屈服点钢设计制作不同形式的阻尼器，进行相