抗震新材料——低屈服点钢材

范　纬

摘要：文章介绍了低屈服点钢材的力学特性和其在提高建筑物减震能力中不可小视的作用，希望此种钢材能得到建筑业人士的重视和重用，从而使其在建筑中发挥耗能减震的作用，极大程度的避免和减少地震所造成的损失。

关键词：抗震新材料；低屈服点钢材；阻尼器用钢；耗能减震

中图分类号：TU511文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）06-0026-02

传统的抗震设计方法主要依靠结构物本身的性能来抵御地震作用，但是由于地震的随机性和破坏性，有些结构构件尺寸将会设计的很大来满足其要求，造成经济性和美观性大打折扣。还有有些结构虽然能达到“中震可修，大震不倒”的目的，但是维修费却大大增加。而采用低屈服点钢材作内芯制成的防屈服支撑却因为低屈服点钢材在拉压作用力下可以自由伸长和缩短，调整了结构内力，吸收了地震能量，使结构的其余部分内力明显减小，从而使修复付出代价更小，做到“大震可修”而不是“大震不倒”，显著的提高结构的抗震性能。

一、阻尼器用钢的特性和规格

低屈服点钢的力学特点是易屈服，在进入塑性状态后具有良好的滞回特性，并在弹塑性滞回变形过程中能吸收大量的能量，因而被利用来制造不同类型和构造的阻尼器的内芯。所以又称为阻尼器钢材。为了发挥良好的减震作用，阻尼器在主体结构发生塑性变形前首先进入屈服，其屈服荷载较低且相对稳定，同时应具有足够的塑性变形能力以吸收大量的地震能量。制作阻尼器的低屈服点钢材就因具有屈服强度低、强度稳定，变形能力强这些特点而满足了上述要求。

目前，国外钢铁公司通过不断降低钢材中的碳含量及合金元素含量，开发了很多不同规格的产品，其屈服强度一般在100～225N/mm²，而以日本钢铁联盟为中心的代表性阻尼器用钢材有LY100（屈服强度100N/mm²）和LY225（屈服强度225N/mm²）两种，适用厚度为6～50mm。表1、表2是它们的通用规格，其应力应变曲线统一如图1表示。试件取V形切口，在零度时的夏比吸收能量在27J以上。

表1 化学成分（％）

从表1我们可以看出，这2种阻尼器用钢的碳和其他杂质含量比普通钢要小很多，精炼程度很高，这使得它和过去主要在弹性区使用的普通钢材不同，阻尼器用钢在应变较小时就进入塑性，而且有很高的塑性变形能力。其力学性能如表2所示，屈服强度低，伸长率大，且屈服强度离散程度很小，只有±20N/mm²。

表2 屈服强度、抗拉强度、屈强比和伸长率

二、静力单调加载时的力学性能

LY100和LY225静力单调加载时的应力-应变关系，与一般钢结构SS400的比较，如图1所示。由图对比我们发现，此两种钢材的屈服强度和屈服比较低，值得一提的是LY100与其他钢不同，几乎看不出它的屈服台阶。

图1 钢材应力——应变曲线

三、反复荷载时的力学性能

随反复荷载幅值的增大，最大应力增大，出现应变强化倾向。此种情况随钢种、应力大小和应变速度而变化。静态应变定振幅（±1%）的反复荷载下应力和轴向变形的关系如图2所示。

图2 应力——轴向应变关系

图3 应变速度和承载力的提高

四、应变速度对力学性能的影响

钢材延性断裂的范围与应变速度的提高以及屈服强度和抗拉强度的提高有关。建筑结构通常用的钢材是在应变速度变动率较小的情况下规定的，工程上不考虑应变速度对力学性能的影响。而阻尼器用钢与其耗能性能有密切关系，与钢种的关系也很大，因此应变速度对于这种钢材是很重要的。应变速度对承载力的影响如图3所示：

五、阻尼器用钢在我国应用实例

在北京工人体育场馆加固改造中，工程师们在强化建筑自身的同时，还引入了“软抗”技术。所谓的“软抗”就是在结构物的某些部位（如节点和连接处）装设这种低屈服点钢材制成的阻尼器。当发生地震时，阻尼器大量消耗输入结构的地震能量，从而保护主体结构在强震中不被破坏，不产生过大变形。与传统抗震相比，结构消能减震可使地震反应减小40%～60%.因此，结构消能减震技术是一种非常安全可靠的抗震技术。

六、结语

当前，我国钢产量已连续多年居世界首位，但是钢材的规格品种与国外发达国家相比还有不少差距。我国钢结构目前处于高速发展时期，如能开发新型阻尼器用钢，对于提高强震区钢结构建筑的抗震性能、推动我国钢结构技术的发展有重要的意义。

参考文献

[1]王威，吕西林．低屈服点钢在结构振动与控制中的应用研究[J]．结构工程师，2007，（6）．

[2]刘瑞，李玉顺．极低屈服点钢材在耗能减震控制中的应用[J]．低温建筑技术，2006，（2）．

[3]蔡益燕．积极开发低屈服点钢材．建筑结构，2006，（10）．