建筑用鋼的抗震性能研究

摘要： 隨著鋼結構建筑抗震設計水平的進步，消能抗震設計已成為建筑抗震的一個發展方向。本文著重討論抗震材料的性能要求及其發展情況。

關鍵詞： 地震 抗震用鋼 抗震性能

引言

剛過去不久的汶川大地震是我國建國以來最大的地震災害，同時也是人類史上的巨大災難。地震中無數的房屋建筑倒塌，使我們對建筑物的抗震性能更加重視，也對建筑用材料提出了更高的要求。同時，國內高層建筑建設不斷增多，為確保建筑物的安全，必須保證鋼結構的抗震性能。

一、抗震用鋼性能要求

影響建筑物抗震性能的因素很多，包括場地、地基和基礎、平立面布置、結構體系、結構構件、結構材料性能等。其中，建筑材料無疑是影響最大的因素，現代建筑一般都為鋼結構，人們往往注意到鋼的強度在抗震中扮演的重要角色，但卻忽略了在強烈的交變地震載荷下鋼的服役條件和失效模式與在靜載下大不相同的因素。

在地震發生時，先是縱波，傳播速度89km／s，人感到上下顛簸，破壞性不大，隨后是橫波，速度平均4—5kv/s，人感到前后左右搖晃，建筑物倒塌。［１］強地震作用時間較短，一般為一到兩分鐘，但房屋搖晃較為劇烈，振幅較大的頻率一般為1-3Hz，造成建筑物破壞的循環周次，通常在100～200周以內，因此屬于材料的低周疲勞，即承受較大的應力幅，破壞周次較短。下圖表示了塑性韌性強度對材料性能的影響。［２］

由圖可見，在小應變時，強度高的材料，疲勞壽命較高；在大應變時，塑性好的材料，疲勞壽命較高。三曲線交點處失效周次大致為10３-10４。強震時，建筑物應變幅遠大于0.01，結合上述建筑物的循環周次可知，此時材料的塑韌性起主要作用。

由此可見，地震時材料所處環境并不同于一般靜載情況，因此不能單單考慮材料的靜強度，在考慮建筑物的抗震性能時，必須綜合考慮材料的強度及塑性。

事實上，除去以上兩點，我們還應該考慮的主要有以下因素：

1.材料的疲勞硬化與軟化

在控制應變幅的情況下，在循環加載時發生的形變抗力隨周次的增加而降低，這是材料的疲勞軟化現象；相反的，形變抗力隨周次增加而增加的情況為疲勞硬化。顯然，疲勞軟化對材料的抗震性能極為不利，在強震低周循環時出現軟化，將使材料的變形比預期的大得多，導致失效。材料的疲勞軟化與位錯組態的能量降低有關。

2.應變時效敏感性

鋼材在預應變及時效后，強度增高，延伸率下降，形成應變時效脆性。一般認為這是由于鋼中間隙原子N和C向位錯遷移，且釘住位錯引起的。在地震載荷下，應變時效降低了鋼材吸收地震能量的能力，鋼材很容易斷裂。這樣的鋼材不能用于地震區建筑。［３］

3.材料的工作溫度

根據材料力學，溫度對體心立方金屬的性能有重大影響，隨著溫度的下降，體心立方金屬的屈服強度上升劇烈，但是形變硬化速率卻對溫度不太敏感，因此，隨溫度下降抗拉強度與屈服強度差別基本保持不變，而延伸率越來越低，這和低溫時位錯滑移變困難有關。另一方面，此類金屬的解理斷裂抗力隨溫度下降卻變化不大或上升緩慢，結果是材料的韌性急劇下降，剛開始屈服就立即伴隨著解理斷裂，這種現象稱為冷脆。

顯然，在寒冷及溫差較大地區的建筑需要特別注意此類問題。

歷史上低溫脆斷事故數不勝數，足以警示。如，二戰期間，美國建造的輪船有24艘完全斷裂，其中T-2油輪脆斷為兩半。當時氣溫為-5℃，船體鋼板破壞時承受的應力僅為68.6MPa，遠低于船體鋼板的屈服強度。我國北方加格達奇機務段也多次發生“三梁一軸”冷脆斷裂事故。1995年1月17日日本阪神地震時，兵庫縣南部發現鋼結構建筑箱形柱體脆性斷裂，未見明顯的塑性變形痕跡，斷裂不僅發生在焊縫，還發生在遠離焊接點的部位，此時氣溫較低，可判定為低溫脆性斷裂［４］。

我國地震區分布范圍很廣，屬于地震多發國家，烈度為7—9度的地震區分布在全國約100個地區，南方和北方最低氣溫相差很大，在寒冷地區建筑用鋼具有發生冷脆的危險，這在北方震區必須予以重視。

4.焊接性能。

相當一部分的建筑構件需要進行焊接，焊接處屬于材料的缺陷處，容易造成應力集中產生裂紋，最終導致破壞，因此，材料的焊接性能必須予以重視。為了避免地震時焊接處開裂，材料必須具有一定的可焊性。鋼材通常用碳當量(Ceq)來衡量可焊性，認為 Ceq＜0.40%時具有良好的可焊性。也有用焊接熱影響區(HAZ)的最高硬度來衡量鋼材的焊接性能，日本的國家標準曾規定HAZ的硬度最高應當不超過HV350。［3］

二、發展狀況

由于處于地質運動活躍帶，地震頻發的日本對抗震鋼的研究處于領先地位。

阪神7.2級大地震后，日本住友金屬開發了高強度低屈服比鋼筋用鋼材［５］，鋼中加入了Cr、Ni、Mo、Nb、V、N、Cu、Al等元素，不僅具有高強度，還具有良好的塑性以吸收地震能量。鋼筋屈服強度在685MPa以上，屈強比（鋼材的屈服強度與抗拉強度的比值）在0．8以下，屈服伸長在1．4％以上，彎曲性能優良，抗震性能大幅提高。

住友金屬開發的另一類抗震性能優良的鋼筋用鋼材屈服強度在345MPa以上，屈強比在0．8以下，屈服伸長在1．4％以上，夏氏沖擊功(v形缺口)在35．4—46．4J之間。此類鋼注意到了應力集中對鋼材抗震性能的影響，由于加入了Cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb、Cu、Al、B、Ca等合金元素，以及采用了復雜的軋制冷卻工藝，它能夠抵抗地震載荷下應力集中部的延性龜裂。

另外，日本川崎制鐵依據阪神大地震的教訓，開發了可與厚板制箱形柱性能相匹敵的韌性柱用極厚H形鋼，屈服強度為376-426MPa，抗拉強度535—549MPa，屈服比為70％—78％，延伸率為29％，韌脆轉變溫度在-30℃—-45℃之間，這樣保證了鋼材在一般情況下不會發生冷脆。

日本NIPPON鋼鐵公司發明了一種韌性好、低屈服比的抗震建筑用結構鋼，鋼中含C 0.03％-0.15％，Ceq遠小于0.40％，因此還具有優良的可焊性。

我國在開發研究抗震性能優良的建筑用鋼方面還較為落后，唐山地震后，重建唐山的建筑用鋼，普遍用16Mn；在地震基本烈度為9度的西昌地區，曾用A3鋼加大配筋率。目前在廣大地震區，還大量采用20MnSi。試驗表明，這三種鋼不僅有較大的應變時效脆性(應變時效后，延伸率降低18％ —29％)，而且韌脆轉變溫度都較高，分別為20℃以上、2l℃和-1℃。

三、我國建筑存在的隱患

目前我國很多建筑，很多時候都不分建筑類別(高層建筑與低層建筑；重要建筑與一般建筑)，不分建筑環境(地震區與非地震區；不同設防烈度地區；南方與北方)，通常都采用同一種鋼材，忽視了根據不同的服役條件及失效模式選用不同性能指標的鋼。汶川地震給了我們一個沉重的教訓。地震中，大量學校瞬間毀滅。目前，四川省建設廳已經出具了一份關于5·12汶川大地震中校舍大面積垮塌情況的專項分析報告，報告認為，導致此次地震中校舍大面積垮塌的主要原因有三方面：一是建筑設防標準低，二是地震烈度太大，三是部分建筑結構設計不合理和施工質量控制不嚴格。地震中，位于什邡市洛水鎮的洛水中學教學樓不到10秒鐘內就塌了，事后，質量問題受到人們的關注，其中鋼材的問題依照施工的基本經驗，學校建筑的基礎鋼筋必須是30#―32#的螺紋鋼，但廢墟上的基礎鋼筋是12#的圓鋼。圓鋼屬碳素鋼，螺紋鋼則屬低碳合金鋼，螺紋鋼在韌性、抗疲勞性能方面較圓鋼好。另外，螺紋鋼的設計強度也高于圓鋼。

結語

影響鋼材抗震性能的因素不僅僅是鋼的強度這么簡單，鋼的塑韌性及其他一些容易被忽略的因素也至關重要，若在建造建筑物的過程中不予以重視，當地震來臨時，很可能造成難以想象的悲劇，汶川地震給屬于地震多發區的我國敲響了警鐘，抗震材料的研究及應用刻不容緩。

參考文獻：

［1］朱玉.善待生命.我們如何面對災難.羊城晚報海外版，1994年10月29日，第二版.

［2］石德珂，金志浩.材料力學性能.西安交通大學.

［3］溫東輝，宋鳳明.低屈服點鋼在建筑抗震設計中的應用.

［4］龔士弘，盛光敏.建筑結構鋼的抗震性能問題［J］.建筑結構，1997年8月.

［5］日本公開特許公報(A)，特開平9—137222.1997年5月27日.

（作者系西安交通大學材料科學與工程系05級本科生）