浅议建筑结构用钢的抗震性能

2022-09-11

我国目前已进入第五个地震活动期最近在四川汶川地区发生的大地震, 造成了巨大的人员和财产损失。抗震问题引起了普遍关注。影响建筑抗震的因素很多, 建筑用钢是诸多重要因素之一。迄今抗震设计用钢均以钢的静强度σs为主要依据。已有研究指出, 建筑结构钢在强震下的破坏是由于交变地震载荷导致高应变低周疲劳断裂, 因而应以高应变低周疲劳为主的抗震性能作为抗震设计选材的依据。对抗震设防烈度要求较高的重要建筑物, 应选用抗震性能较高的钢, 如果仍按静强度σs选材, 则有可能将抗震性能很差的钢用于抗震设计, 使新建工程留下隐患。

1 建筑结构钢在强震下的疲劳断裂

工程结构用钢, 应根据其服役条件及失效机制特点, 先确定相应的性能指标要求, 用为选材的依据。强震持续时间多在一分钟以内。振幅较大的频率, 多为1Hz~3Hz。在强烈的交变地震载荷作用下, 钢材产生很大的循环塑性应变, 导致寿命在100~200周以下的高应变低周疲劳断裂, 造成建筑物倒塌。这和在循环弹性应变范围要求无限寿命的低应变高疲劳是不同的;后者主要取决于钢的强度, 而前者则主要取决于较高的塑性同时还具有一定的强度。更不同于静载下的断裂, 具有相同静强度σs的钢, 高应变低周疲劳性能相差很大。

重庆建筑大学在模拟地震条件进行钢筋混凝土构件低周疲劳试验时发生钢筋断裂。构件断面200mm×250mm (受力方向) , 高2200mm。钢筋布置在四角。断裂寿命180~250周。经分析, 钢筋为φ20mm的20Mn Si, 成分和常规力学性能合格。在扫描电镜下观察断口, 有疲劳条纹, 还有微孔、二次裂纹及准解理。这表明钢筋是疲劳断裂, 断口呈脆性。

2 抗震建筑用钢应有的技术要求

根据建筑结构钢在交变地震载荷下的高应变低疲劳破坏特点, 对抗震建筑用钢的技术要求应为: (1) 高的高应变低周疲劳抗力; (2) 没有应变时效脆性; (3) 没有低温脆性; (4) 良好的可焊性; (5) 强度与塑性适当的配合。试验表明, 建筑结构钢的σbψ1/2值 (σb为极限强度, ψ为断面缩减率) 达极大值时, 则有最佳的高应变低周疲劳抗力。钢的高应变低周疲劳抗力与其σbδ5值 (σb为极限强度, δ5为伸长率) 有大致对应关系。强度高而塑性过低或塑性高而强度过低, 都使钢的高应变低周疲劳抗力降低。钢材在热轧后冷校和在施工中要承受冷塑性变形。对应变时效敏感的钢, 经过一定时间, 产生自然时效, 使强度增高, 塑性下降。这种具有应变时效脆性的钢, 不宜用于抗震建筑。低碳钢和C-Mn钢应变时效后, 伸长率降低20%左右。建筑结构抗震靠变形能力和吸能能力, 应控制层间变形, 避免产生不易修复的变形 (第二水准要求) 或严重破坏和倒塌 (第三水准要求) 。结构的延性对抗震是很重要的, 这主要由配筋来保证。应变时效脆性使钢的延性显著降低, 因而应予以充分重视。钢筋混凝土剪力墙在模拟地震条件下的低周疲劳试验表明, 用具有应变时效能性的钢筋做成的剪力墙, 试验中载荷下降较多而且下降速度较快, 延性系数较低, 迟滞回线的面积减小即吸收地震能减少。可见钢的应变时效脆性, 对建筑结构抗震是很不利的。钢材在服役条件下的环境温度如果低于钢材的韧脆转变温度, 钢材容易发生冷脆断裂, 造成灾难性事故。我国地震区分布很广, 北方最低气温可低到-400C, 如果发生地震时, 当地气温低于建筑物用钢的韧脆转变温度, 则易于因钢材的冷脆断裂而引起建筑物倒塌。因此抗震设防区建筑用钢的韧脆转变温度必须低于当地最低气温。

钢结构建筑和钢筋混凝土建筑用钢都需要焊接。可焊性较差的钢强震时在焊缝早期形成疲劳裂纹, 迅速扩展为疲劳断裂。焊接扇形区促使应力集中;在焊缝质量没有问题的情况下, 梁端焊接处的断裂最终也不可避免;如有焊接缺陷引起的其他因素, 则可发生梁的早期失效而没有非弹性变形。常用的可焊性指标为碳当量CE (CE=C+1/6Mn) , 一般认为, 当CE不大于0.40时, 则有良好的可焊性。从吸收地震能的观点, 建筑用钢的σbδ5值较大时, 则有较强的吸收地震能的能力。强度高而塑性过低或塑性高而强度过低, 对吸收地震能都是不利的。在最大载荷下钢的应变εμ值应低于10%。较高的εμ, 使钢在屈服后, 还有较长的均匀变形阶段, 吸收更多的地震能。

3 抗震设计应选用抗震性能较高的钢材

近年来, 国外发展高强度低合金结构钢的趋势是: (1) 降低碳含量; (2) 降低S、P含量; (3) 微合金化; (4) 控制轧制。采用这些技术, 不权能显著提高可焊性、韧性和塑性还能保证必要的强度。GB1499-98中400MPa级钢筋的抗震性能有很大差别。其中K20Mn Si系余热处理, 表层为回火马氏体不宜用于高应变低周疲劳的服役条件25Mn Si可焊性差, 韧脆转变温度高, 强度偏高而塑性偏低;20Mn Si V优于其他几种钢。当选用现有的400MPa级钢筋时, 应选用抗震性能较高的钢。业内专家提出, 为增强房屋建筑的抗震设防能力, 应加强高强度钢筋的开发和生产。汶川大地震敲响建筑抗震警钟。地震专家对历次地震的分析显示, 人员伤亡总数的95%以上是由房屋倒塌造成的。这次大地震之后, 建筑设计部门增强抗震设防意识, 要求采用高强度的钢筋。如在上海一批重点建设工程特别是大型建筑项目、高层、超高层住宅建筑施工单位, 为达到抗震设防要求, 都要求采用具有较高要求的抗震结构的钢筋, 也就是最近国家颁布的热轧带肋钢筋超标准中的HRB400E, HRBF400E等钢筋, 通称是加“E”的螺纹钢。新颁布带肋钢筋 (GB1499.2-2007) 标准提出螺纹钢用于结构上要具备抗震“高延性”要求, 并在标准第7.3.3条中加入了“有较高要求的抗震结构适用牌号后加E的规定”, 它要求除了螺纹钢保持原具备标准外还要做到以下三条:一是钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度之比不小于1.25;二是钢筋实测屈服强与屈服强度结征值之比不小于1.30;三是钢筋的最大力总伸长率不小于9%。这三条归结为一点, 强调屈强比要求, 屈强比越低, 钢筋混凝土结构中的抵抗强震的能力就越大。这样的螺纹钢具备和达到力学性能指标, 可大大减少地震产生的破坏力, 提高建筑物的抗地震的设防能力。然而, 目前国内市场上的钢筋大都是HRB335级螺纹钢和部分HRB400级螺纹钢, 加“E”的螺纹钢基本没有, 或者很少见到。尽管近年高强度钢筋在国内的推广应用有了长足进步, 但与国外发达国家相比, 还存在很大差距。今后, 随着国家固定资产投资持续保持高速增长, 国内高层建筑建设的不断增多, 为确保建筑的安全, 在结构设计中对钢筋抗震的要求不断提高, 将会进一步促进HRB400级钢筋市场的发展与壮大。应当指出, 不管建筑用钢对建筑物抗震的可靠性占多大比值, 选用抗震性能较高的钢材无疑会提高抗震的可靠性, 从而减少人民生命财产的损失。

摘要：分析了用于建筑结构的钢材在交变地震作用下的高应变低周疲劳破坏, 提出了抗震建筑结构用钢应有的性能要求及对抗震设计选材的建议。

关键词：结构钢,钢筋,抗震性,疲劳