低屈服裝鋼的發(fā)展與應(yīng)用

低屈服裝鋼的發(fā)展與應(yīng)用

0結(jié)構(gòu)體系和抗震設(shè)計地震是一種常發(fā)生的自然災(zāi)害，每年發(fā)生數(shù)百萬次地震。我國是一個地震多發(fā)國家,已經(jīng)進(jìn)入第五個地震活動期。從7.6級的唐山大地震到8.0級的汶川大地震以及7.1級青海玉樹地震,均造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。地震造成嚴(yán)重災(zāi)害的原因之一,是建筑物抗震性差。對于不可避免的地震災(zāi)害,人類只能從建筑結(jié)構(gòu)、材料等方面采取措施,盡可能減少損失。一般說來,建筑結(jié)構(gòu)可分為四類:鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)。其中,鋼結(jié)構(gòu)由于其施工速度快、抗震性好等優(yōu)越性而代表了當(dāng)今建筑業(yè)發(fā)展的新潮流。鋼材是建筑工程的骨架,骨架的抗震能力是確保建筑物安全與否的關(guān)鍵,因而建筑用鋼的性能決定了建筑物抗震性的好壞。抗震設(shè)計主要是通過合理分配地震的慣性力和能量來減少地震對建筑結(jié)構(gòu)的損害,實現(xiàn)抗震的目的。我國根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件,對建筑抗震提出了“三個水準(zhǔn)”的設(shè)防目標(biāo),即通常所說的“小震不壞,中震可修,大震不倒”。為保證建筑物鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能,建筑用抗震鋼的技術(shù)指標(biāo)要求如下:1)高的抗震性能和較小的屈強(qiáng)比;2)較小的屈服強(qiáng)度波動范圍;3)降低應(yīng)變時效敏感性;4)低溫脆性;5)高應(yīng)變低周疲勞和斷裂抗力;6)良好的焊接性能;7)Z向性能優(yōu)良?？拐鹩娩撛诘卣饡r承受反復(fù)的交變載荷。強(qiáng)震的持續(xù)時間一般在1min以內(nèi),振幅頻率通常在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(HSLC)疲勞。在地震載荷下,鋼的高應(yīng)變低周疲勞性能,可能是建筑結(jié)構(gòu)鋼抗震性能的控制因素,所以,要求抗震用鋼必須具有良好的抗低周疲勞性能。1力學(xué)性能研究國外已經(jīng)開展了各種抗震用鋼的低周疲勞性能研究。一般把材料加工成狗骨形試樣,施加軸向載荷進(jìn)行試驗,采用Coffin-Manson經(jīng)驗公式進(jìn)行低周疲勞結(jié)果分析。Kuwamura的研究結(jié)果表明,低周疲勞斷裂經(jīng)歷3個階段:1)局部高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域的塑性裂紋萌生階段;2)裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段;3)裂紋急速擴(kuò)展階段。他還對受軸向載荷的4個等級的鋼加工成的帶凹槽的圓棒進(jìn)行了塑性裂紋萌生試驗。Mander等研究了未進(jìn)行機(jī)加工的鋼筋的低周疲勞行為,并用總應(yīng)變幅取代塑性應(yīng)變幅進(jìn)行曲線擬合。Liu等曾經(jīng)對方形和矩形截面A36鋼進(jìn)行了一系列低周疲勞行為測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn),用循環(huán)常載荷下的試驗結(jié)果去預(yù)測隨機(jī)荷載下的彎曲低周疲勞強(qiáng)度,可能會導(dǎo)致很大的出入。民用建筑中,低周疲勞失效往往發(fā)生在焊接部位。Seto等測試了對接焊件低周疲勞性能。Madi等從對接焊管接頭處取出疲勞試樣,研究壽命折減系數(shù),對快速反應(yīng)堆進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。Sakano等對梁柱節(jié)點(diǎn)以及橋墩基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列的常應(yīng)變低周疲勞試驗,對焊趾附近的應(yīng)變壽命關(guān)系進(jìn)行了測試。由于裂紋萌生、擴(kuò)展于高應(yīng)變區(qū)域,隨著數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)有人提出了一些基于應(yīng)變的低周疲勞研究方法。Tateishi和Hanji等開發(fā)了一個基于圖像處理的系統(tǒng),對焊接板材的大應(yīng)變彎曲變形進(jìn)行研究,并獲得了母材、熱影響區(qū)以及焊縫的超低周疲勞強(qiáng)度曲線。為了驗證該強(qiáng)度曲線的正確性,Hanji等還測試了T形截面焊接點(diǎn)的低周疲勞性能,其結(jié)果吻合良好。Chi等提出了一個基于微觀機(jī)理的應(yīng)力修正臨界應(yīng)變(SMCS)方法用來推測塑性斷裂的初始條件,并用帶凹槽試樣的三點(diǎn)彎曲和拉壓試驗對SMCS方法加以驗證。Matsui等基于微觀孔隙模式,研究了結(jié)構(gòu)鋼低周疲勞下的塑性裂紋萌生機(jī)制。研究還深入到抗震用鋼的超低周疲勞(ULCF)及其微觀機(jī)理中。Kanvinde等基于微觀孔隙增長機(jī)理(圖1),針對現(xiàn)存建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上的疲勞斷裂理論對于地震工程應(yīng)用的局限性,對100個結(jié)構(gòu)鋼圓棒進(jìn)行超低周疲勞性能測試,并利用有限元分析、斷口分析、金相分析,研究了微觀機(jī)理,建立了塑性斷裂機(jī)制及模型,提出了對塑性斷裂進(jìn)行數(shù)值模擬的方法,并用試驗結(jié)果加以驗證。對于經(jīng)歷過幾次強(qiáng)震的建筑物,在評估和加固時,累計損傷是必須考慮的因素,這方面的研究已經(jīng)開展了一些。Kuroda提出了新的累計損傷模式,認(rèn)為在ELCF中,除了裂紋擴(kuò)展引起的損傷外,還應(yīng)考慮延性耗竭引起的損傷,由此建立了一種預(yù)測S20C強(qiáng)化碳鋼的超低周疲勞壽命的公式:εp,maxεf+4Νf(Δεp2εf)1a′+ΔεpΝfa′c′=1(1)式中εp,max為最大伸長塑性應(yīng)變;εf為非軸向拉伸延性指數(shù);Δεp2為塑性應(yīng)變幅;a′,c′為材料常數(shù)。并用試驗對該公式進(jìn)行了驗證。研究表明,超低周疲勞下,Manson-Coffin公式預(yù)測的疲勞壽命較實際的疲勞壽命偏高,Tateishi等對碳素鋼鋼板及其焊接試件的高應(yīng)變超低周疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了測試,并提出把損傷分為延性損傷和循環(huán)損傷兩部分,建立了一套基于累計損傷理論的壽命預(yù)測公式:Δεp2=ε′f(2Νf)cCmCm={(εf-Δεmaxεf-εu)-cifΔεmax>εu1.0fΔεmax≤εu(2)式中Δεmax為最大塑性應(yīng)變范圍;εf,c為Coffin-Manson常數(shù);εu為純彎曲下破壞應(yīng)變門檻值。并用試驗結(jié)果驗證了該公式的精確性。Nip等對總計62個熱軋、冷彎結(jié)構(gòu)碳鋼和不銹鋼試件進(jìn)行了應(yīng)變幅高達(dá)15%的高應(yīng)變超低周疲勞試驗。試驗表明,這三種材料具有相似的應(yīng)變—壽命關(guān)系,并從能量角度,對應(yīng)變—壽命關(guān)系進(jìn)行了擬合。另外,還用試驗數(shù)據(jù)對(1),(2)兩式進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明:在超低周疲勞(ELCF)下,試驗值與由以上兩式導(dǎo)出的理論值吻合良好;但對于拉伸試驗結(jié)果或者疲勞壽命較高的情況,以上兩式會帶來較大的誤差。但試驗的取材均來自于板的非邊角部位,冷彎板材的邊角部位低周疲勞性能有待研究。最近,Masayuki對316不銹鋼進(jìn)行了高應(yīng)變低周疲勞試驗,并通過預(yù)循環(huán),再中途移除其表面裂紋并拋光的方式研究了表面裂紋對于低周疲勞壽命的影響,進(jìn)行了表面裂紋、斷口電鏡掃描疲勞斷裂機(jī)理分析。圖2是應(yīng)變幅εa=6%,預(yù)循環(huán)N1=80%,Nf=22周次后試件表面電鏡掃描圖片。試驗結(jié)果表明,影響低周疲勞壽命的因素,不僅在于表面裂紋,還在于局部損傷:內(nèi)部裂紋和體損傷。除了目前廣泛使用的結(jié)構(gòu)抗震用抗震鋼外,用于制作抗震構(gòu)件的低屈服點(diǎn)鋼(或稱軟鋼)成為抗震用鋼的一個新鋼種。文獻(xiàn)對低屈服點(diǎn)鋼的的延展性和消能作用進(jìn)行了研究。關(guān)于低屈服點(diǎn)鋼的低周疲勞性能,鮮有報道。從上述分析可以看出,國外對于抗震用鋼材料的低周、超低周疲勞性能及其微觀機(jī)理的研究已經(jīng)基本完成,但目前對于低屈服點(diǎn)鋼以及抗震用鋼結(jié)構(gòu)的低周疲勞研究,只集中在一般低周疲勞行為,有待進(jìn)一步深入。2應(yīng)變低周疲勞性能研究國內(nèi)對抗震用鋼的低周疲勞始于20世紀(jì)80年代。重慶大學(xué)龔士弘、盛光敏、辛義德等人在高應(yīng)變低周疲勞性能研究方面做了大量工作。盛光敏等還從能量的角度,導(dǎo)出了形如Manson-Coffin公式和Basquin公式的低周疲勞壽命預(yù)測表達(dá)式:Δεp(2Νf)15m+1=εf(2a)-15m+1σm(2Νf)m5m+1=σf(2a)-m5m+1(3)2.1低周疲勞性能與鋼的材料比選在地震載荷下,鋼筋的失效為高應(yīng)變低周疲勞斷裂。建筑抗震用鋼不僅應(yīng)該具有高的塑性,還需要具有一定的強(qiáng)度。1987年,龔士弘等對20MnSi螺紋鋼筋、熱軋月牙鋼筋等的低周疲勞性能進(jìn)行了試驗。研究表明,鋼的高應(yīng)變低周疲勞抗力,要求強(qiáng)度與塑性有適當(dāng)?shù)呐浜?才利于地震能量的吸收。近年來,國外已開發(fā)的抗震鋼都具有高的韌性和塑性,但我國目前尚無專門的抗地震用建筑結(jié)構(gòu)鋼,只是要求用鋼的實際強(qiáng)度大于名義強(qiáng)度的1.25倍作為抗震鋼的性能和顯微組織要求。我國地震區(qū)建筑廣泛,應(yīng)用20MnSi鋼,唐山地震后,重建工程多用16Mn鋼。目前,我國正在大力推廣應(yīng)用HRB400Ⅲ級鋼筋,其主要牌號為20MnSiV。1991年,盛光敏等對含釩抗震鋼筋22MnSiV的高應(yīng)變低周疲勞性能做了一系列試驗。試驗結(jié)果表明,低周疲勞抗力與鋼的σb√ψ值有很好的對應(yīng)關(guān)系。這表明,強(qiáng)度和塑性的適當(dāng)配合,可提高鋼的高應(yīng)變低周疲勞性能。保持一定的σb√ψ值,適當(dāng)限制強(qiáng)度,提高塑性可吸收較高的地震能量,從而具有較高的抗震性能。1995年,龔士弘等研究表明:根據(jù)強(qiáng)震頻率和持續(xù)時間,在大約100周左右,是最容易發(fā)生建筑物破壞的階段。疲勞壽命Nf=100時的σaΔεt值愈大,則疲勞抗力愈大,吸收地震能量的能力就愈大,抗震性能就愈高。2003年,秦斌等以?25mm和?32mm兩種規(guī)格20MnSiVHRB400鋼筋的高應(yīng)變低周疲勞性能進(jìn)行了研究。用Basquin公式和Manson-Coffin公式分別對彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與疲勞壽命之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,得到總應(yīng)變與壽命的關(guān)系:?25mm:Δεt=0.015(2Νf)-0.131+1.128(2Νf)-0.589?32mm:Δεt=0.009(2Νf)-0.034+0.858(2Νf)-0.533(4)以上兩式中等號右邊第一項為高應(yīng)變低周疲勞的彈性應(yīng)變,第二項為塑性應(yīng)變。因為塑性應(yīng)變Δεp占總應(yīng)變Δεt的絕大部分,所以,塑性應(yīng)變是影響疲勞壽命的主要因素。鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性與疲勞壽命的關(guān)系如圖3所示。三者的循環(huán)應(yīng)變范圍(Δεt/2)—疲勞壽命(2Nf)關(guān)系曲線有一個大致相同的交點(diǎn)。交點(diǎn)的疲勞壽命大致為103～104周,交點(diǎn)的應(yīng)變范圍大致為0.01。疲勞壽命增加,強(qiáng)度的作用愈來愈大,韌性與延性的作用相對愈來愈小。研究表明,發(fā)生強(qiáng)震時,疲勞壽命遠(yuǎn)低于103周,應(yīng)變范圍遠(yuǎn)大于0.01。顯然,高應(yīng)變低周疲勞時,鋼的延性與韌性起主要作用。閔杰等對熱軋H型鋼的高應(yīng)變低周疲勞性能進(jìn)行了測試,用Coffin-Manson公式擬合了試驗結(jié)果,得到了熱軋H型鋼的疲勞壽命計算公式,再對疲勞壽命Nf=100時的σaΔεt值(表1)進(jìn)行了比較分析。研究表明,材料的低周疲勞壽命主要取決于塑性應(yīng)變幅。當(dāng)疲勞壽命Nf=100時,應(yīng)力幅σa基本上與材料的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。因此,材料的低周疲勞抗力不僅需要具有高的塑性,還需要有一定的強(qiáng)度。從上述分析可以看出,國內(nèi)在建筑用抗震鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性三者對材料低周疲勞性能的影響方面的研究已經(jīng)基本完成。但目前用來具體衡量三者對于低周疲勞抗力影響的定量的關(guān)系只有3個:σb√ψ?和σbδ5值,且都是基于個別材料的少量的試驗而建立的,對于不同的材料及三者之間配合的具體關(guān)系,還有待進(jìn)一步研究。2.2用釩微合金化材料、混凝土柱高應(yīng)變低周疲勞性能日本阪神地震后,根據(jù)以往重視強(qiáng)度忽視柔韌性的教訓(xùn),開發(fā)了多種抗震性能優(yōu)良的建筑結(jié)構(gòu)用鋼,提高了鋼的變形能力和韌性,為此,普遍采用了微合金化與控制軋制新技術(shù)。V,Ti微合金化加控制軋制,已被證明是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法。微合金化熱軋鋼筋多用V-N強(qiáng)化。德國有加微量鈮的含鈮鋼筋和V-Nb復(fù)合強(qiáng)化的熱軋鋼筋。日本有V-Nb鋼ASTMA572-50S11。Nb鋼和V-Nb鋼控軋后可獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,但我國目前Nb價很高,用于量大面廣的鋼筋是有困難的。用V,Ti微合金化適合我國資源條件。試驗研究表明,鋼中的釩氮比為7～9時,V對低碳鋼靜態(tài)形變時效具有最佳的抑制作用。V,Ti微合金化及控制軋制,可使鋼中碳含量顯著降低而不降低強(qiáng)度,具有較好的可焊性。微V,Ti鋼控制軋制,可獲得較高的σbδ5值。加微量Ti的V-Ti鋼的高應(yīng)變低周疲勞性能優(yōu)于V鋼,但在含0.033%Ti的V-Ti鋼中,曾發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變低周疲勞性能降低。這也意味著,V-Ti微合金鋼的Ti含量對高應(yīng)變低周疲勞性能還值得進(jìn)一步研究。2001年,龔士弘等根據(jù)抗震設(shè)計中能按“鋼筋抗拉力設(shè)計值相等進(jìn)行代換”的原則,用18mm微釩鈦高抗震性能鋼筋(GK400)代換20mm20MnSi鋼筋,做了鋼筋混凝土柱高應(yīng)變低周疲勞試驗。試驗結(jié)果表明,400MPa級高抗震鋼筋按“等強(qiáng)度代換原則”代替335MPa級20MnSi作混凝土構(gòu)件,是可行的,疲勞壽命相近,避免了脆性斷裂,優(yōu)于20MnSi鋼。GK400用釩、鈦微合金化,有利于提高鋼的高應(yīng)變低周疲勞抗力。龔士弘等還用鋁微合金化在試驗室進(jìn)行了減震器用鋼的研究。研究表明,鋁微合金化超低碳鋼含0.03%C～0.45%Mn-0.11%Si-0.077%Al,采用再結(jié)晶控制軋制,獲得高塑性低屈服點(diǎn)鋼,有良好的焊接性。用作減震器,可提高吸收地震能的能力,預(yù)防建筑物倒塌。2003年,秦斌、吳比等對20MnSiVHRB400抗震鋼筋進(jìn)行了高應(yīng)變低周疲勞性能測試。HRB400抗震鋼筋是在20MnSi鋼筋的基礎(chǔ)上添加適量釩后開發(fā)的新鋼種。研究表明,20MnSiVHRB400抗震鋼筋為循環(huán)穩(wěn)定材料,與20MnSi鋼相比,試驗鋼筋的循環(huán)能量吸收率有了顯著的提高。在應(yīng)變幅高達(dá)2.8%時,其疲勞壽命仍能超過100周次(表2),低周疲勞性能良好。但試驗用鋼筋中釩氮比達(dá)到20多倍,適當(dāng)減少釩量,增加氮含量,并與控冷控軋技術(shù)相結(jié)合,既可以減少成本,又有望進(jìn)一步提高試驗鋼筋的綜合抗震性能。2004年,龔士弘等研究結(jié)果表明,建筑用鋼的抗震性能與鋼的韌性緊密相關(guān)。對用于地震區(qū)的建筑用鋼材,應(yīng)提高鋼的韌性以提高鋼的綜合抗震能力。提高韌性的關(guān)鍵在于降低鋼中碳含量。用V,Ti微合金化和控制軋制,完全可以獲得更高強(qiáng)度、更高韌性的具有優(yōu)良抗震性能的鋼。2005年,蒲玉梅等對馬鋼生產(chǎn)的常規(guī)品種Q235B及Q345BH型鋼進(jìn)行了高應(yīng)變低周疲勞性能測試。研究發(fā)現(xiàn),這兩種鋼高應(yīng)變低周疲勞壽命較低,抗震性能不佳。導(dǎo)致該結(jié)果出現(xiàn)的主要因素在于鋼的成分是C-Mn鋼,成分設(shè)計時未考慮添加合金元素固氮、降碳以及采取控制軋制,而這些因素對提高鋼的高應(yīng)變低周疲勞抗力起重要作用。上述結(jié)果表明,添加合金元素、改善控制軋制工藝以提高Q235B及Q345BH型鋼低周疲勞抗力,進(jìn)而提高其綜合抗震性能,還有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)對熱軋H型鋼的試驗研究結(jié)果表明,為了得到低碳含量、高強(qiáng)度、高塑性和優(yōu)良的抗震性能的熱軋H型鋼,不僅需要合理加入微合金元素,更重要的是要與控軋控冷技術(shù)結(jié)合起來。通過采用加V-Nb兩種微合金代替只加單一的V微合金化,可以提高鋼的循環(huán)能量吸收率,從而改進(jìn)鋼的抗震性能。以上文獻(xiàn)表明:對于建筑抗震用鋼,Nb,V,Ti微合金化可以提高鋼的強(qiáng)度、韌性和塑性,從而提高鋼的綜合抗震性能,但合金元素不宜過多,應(yīng)根據(jù)我國的資源現(xiàn)狀,盡量避免使用貴重金屬。另一方面,在保持現(xiàn)有強(qiáng)度、塑性、韌性的基礎(chǔ)上,如何進(jìn)一步降低硫、磷、氮等以降低成本,以及有針對性地專門設(shè)計新的微合金化的高強(qiáng)度、高塑性、高的低周疲勞抗力的抗震鋼,還有待進(jìn)一步研究。2.3低屈服點(diǎn)鋼的低固體疲勞研究2.3.1低屈服點(diǎn)鋼lyp235低屈服點(diǎn)鋼(LowYieldPointSteel)是指屈服強(qiáng)度在235MPa以下(超低屈服點(diǎn)鋼指100MPa以下),屈服強(qiáng)度在一個狹小的范圍內(nèi)(YS±20MPa),沒有明顯的屈服點(diǎn),并且延性滯回性能很好(LYP100:伸長率超過50%;LYP235:伸長率超過40%)的耗能材料,其碳含量極低,近于完全鐵素體組織。低屈服點(diǎn)鋼具有屈服強(qiáng)度低、強(qiáng)度穩(wěn)定、變形能力強(qiáng)的特點(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。除了目前廣泛使用的結(jié)構(gòu)抗震用抗震鋼外,用于制作抗震構(gòu)件的低屈服點(diǎn)鋼(或稱軟鋼)成為抗震用鋼的一個新鋼種。目前,在以日本為代表的很多國家,采用低屈服點(diǎn)鋼提高建筑物的抗震能力。2.3.2試驗頻率和循環(huán)次數(shù)對鋼板低周疲勞性能的影響在抗震用低屈服點(diǎn)鋼研制及其低周疲勞性能研究方面,國內(nèi)處于起步階段。寶鋼已著手進(jìn)行了建筑抗震用低屈服點(diǎn)鋼的試驗室研究,開發(fā)出100,160和225MPa三種屈服強(qiáng)度級別的低屈服點(diǎn)鋼,并對這幾種低屈服點(diǎn)鋼的低周疲勞性能進(jìn)行了測試。文獻(xiàn)對寶鋼研制生產(chǎn)的100MPa級極低屈服點(diǎn)鋼分別在2%和4%的總應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行了頻率為1,2和3Hz時的低周疲勞性能測試。試驗表明:在2%的應(yīng)變范圍內(nèi),試驗頻率的提高對鋼板的低周疲勞性能影響不大。在較高的應(yīng)變范圍時,隨試驗頻率的提高,試樣的循環(huán)次數(shù)略有下降(表3)。試樣斷裂前的循環(huán)次數(shù)均在100周以上,說明鋼板具有良好的低周疲勞性能。文獻(xiàn)和系統(tǒng)地測試了BLY160鋼板在不同應(yīng)變幾種應(yīng)變速率下,1～3Hz內(nèi)的低周疲勞性能,結(jié)果如圖4、表4所示。研究表明,所有試樣的循環(huán)次數(shù)都在500次以上。即使在4%的總應(yīng)變條件下,循環(huán)次數(shù)也在200周以上,顯示