基本介紹
術語介紹,性能要求,研究現狀,機理分析,研製,技術發展,總結,
術語介紹
具有屈服現象的金屬材料，試樣在拉伸過程中力不增加（保持恆定）仍能繼續伸長時的應力，稱屈服點。若力發生下降時，則應區分上、下屈服點。屈服點的單位為N/mm（MPa）。
地球上每年都有大量的地震發生，給人類的生命和財產造成了巨大損失。為了降低地震帶來的損失，研究人員在建築物抗震方面作了大量研究工作。隨著建築物抗震技術的發展及對抗震機理的深入分析，消能抗震成為建築物抗震技術的一個發展趨勢。低屈服點鋼作為消能抗震設計中主要部件的製作材料，其研製、發展自20 世紀90 年代以來受到廣泛關注，並在鋼種的研製和工程套用方面取得顯著進展。
性能要求
通常的結構抗震用鋼除了要求具有高的強度和良好的塑性外，還要考慮鋼的應變時效敏感性、脆性轉變溫度、低周疲勞抗力和焊接等性能。低屈服點鋼主要用於製作消能阻尼器，其抗震方式決定了鋼的性能要求。
地震中，要求消能阻尼器先於其他結構件承受地震載荷，在塑性區內發生反覆變形、吸收地震能量，從而實現抗震的目的。所以低屈服點鋼必須具有很低的屈服點並且屈服範圍控制在很窄的範圍內，同時還要有良好的加工及焊接性能，並且具有良好的塑性，從而具有良好的變形能力。
此外，抗震用鋼在地震時承受反覆的交變載荷。強震的持續時間一般在1min 以內，振幅頻率通常1~3Hz，在100~200 循環周次內造成建築物的破壞，屬於高應變低周疲勞。所以要求低屈服點鋼必須具有良好的抗低周疲勞性能。
研究現狀
消能阻尼器利用軟鋼良好的滯回性能耗散輸入的地震能量，地震時，這些阻尼器先於其他結構件承受地震載荷作用，並首先發生屈服，靠反覆載荷滯後吸收地震能量，抗震效果更好，用於製作這些消能阻尼器的低屈服點鋼(或稱軟鋼)從而成為抗震用鋼的一個新鋼種。
機理分析
最初用於製作消能構件的是普通低碳鋼，其屈服強度在200 MPa 以上，但伸長率較低。為提高消能阻尼器的抗震效果，必須製備出強度更低、塑性更好的鋼板。為此，研究人員對鋼板屈服強度的產生機理進行分析，提出了降低屈服強度的有效方法。
為降低強度，必須消除如晶界強化、固溶強化、位錯強化和析出強化等強化手段。低屈服點鋼採用接近工業純鐵的成分設計，通過晶粒粗化及添加少量Ti、Nb 固定C、N 原子以降低其對位錯運動的阻礙作用。Ti 在鋼中可依次形成TiN→Ti4C2S2→TiS 和TiC，所有多餘的Ti(Ti-3.42N-1.5S)最後可以形成TiC。台灣中鋼的研究表明,鋼中多餘的Ti 量達到0.03%或者與3.99C 比值為2 時，鐵素體晶粒尺寸顯著增加，認為較多的Ti 使得TiN、TiS 和TiC 等顆粒粗化從而失去晶界釘扎作用。
而當多餘的Ti 量超過0.03%時，由於多餘Ti 產生的溶質拖拽效應反而使得晶粒尺寸減小。但僅靠多餘的Ti 不能產生如此明顯的晶粒長大效果，自由C 原子的消除也有一定的作用。即僅僅添加Ti 並不能使鋼板的屈服強度降低到100MPa 以下。台灣中鋼對加Ti 的部分鋼板在650~950℃進行了回火試驗。結果發現，在750~850℃回火，很多鋼板的屈服強度從200MPa 迅速降低到100MPa以下，而不含Ti 的鋼板只有小幅的下降。
研製
目前低屈服點鋼按其屈服強度基本可以劃分為100MPa、160MPa 和225MPa。日本屬於地震多發國家，一直重視建築減震技術的研究。新日鐵最先提出軟鋼抗震阻尼器構想，並早在1989 年有文獻報導其研製出屈服強度低於100MPa 的極低屈服點鋼，並介紹了其套用設計情況，到1998年已經用屈服強度分別為100 MPa 和225MPa的鋼板做成三種類型的抗震阻尼器套用於高層建築結構的抗震設計。川崎制鐵於1998 年開發出類似鋼種，牌號為RIVER FLEX100 和RIVERFLEX235，JFE 成立以後也把建築構造用低屈服點鋼納入鋼板產品目錄，牌號為LY100、LY160、及LY225。
台灣中鋼於1997 年研製成功低屈服點鋼，牌號為LYS100,實物性能如表2 所示。基本的製造工藝為1200℃板坯加熱2h，950℃終軋，以5℃/s的速度空冷到室溫後於750℃軟化處理1h。
我國雖然已經生產了系列高性能的結構抗震用鋼，但在低屈服點鋼領域的發展還處於起步階段，少數建築所採用的低屈服點鋼板均依賴進口。龔士弘等在試驗室進行了減震器用鋼的研究，採用再結晶軋制工藝製備的鋼板在性能上近似日本LYP235，並對其韌性、焊接性能作了分析。在鋼鐵企業中，寶鋼已經進行了低屈服點鋼的開發，所製備出的鋼板在屈服強度上覆蓋了從100MPa 到225MPa 的強度範圍，將於近期內轉入工業試製階段。
技術發展
低屈服點鋼主要用於製作抗震用消能阻尼器(energydissipation damper), 也有文獻稱之為耗能阻尼器或者抗震設施(seismic control devices)、消能構件或加勁阻尼裝置(ADAS,added dampingandstiffness)等，或將消能減震稱之為耗能減震。
傳統的抗震設計，依靠建築物柱樑的變形來吸收地震能量，其主要結構件的變形在震後很難修復。而消能阻尼器利用自身的反覆變形吸收地震能量，有效保護了主體建築的安全，並且這些阻尼器構件只是抗側力構件的一個組成部分，其屈服耗能不會影響結構的承重能力。與其他減震材料相比，具有構造簡單、經濟耐用、震後更換方便和可靠性強等優點，既可用於新建築物的抗震，也可用於舊建築抗震能力的提高。目前採用低屈服點鋼製作的無約束柱、鋼剪力牆、各種類型的減震阻尼器和其他抗震設施在以日本為代表的很多國家得到廣泛推廣，並產生了大量相關的抗震設計技術。
研究顯示，無約束柱的芯部包含鋼管和砂漿以防止變形並對拉壓應力具有穩定的回覆特性。全尺寸、大容量的無約束柱試驗已經證實了其回復特性及應力分布、二次彎矩效應和鋼管的安全性。用超高強度鋼和超低屈服點鋼製作的無約束柱已經用於製作新型的抗震結構件。例如使用低屈服點鋼生產的彈塑性滯後型剪力鋼牆在大變形條件下能充分保持穩定，可以作為高韌性構件用於建築物的消能抗震。
Chen 等研究了低屈服點鋼剪力牆的周期性行為。在低屈服點鋼剪力牆系統中，採用低屈服點鋼板作鋼護板，傳統的結構鋼用作邊部框架，在交變載荷下進行了系列試驗研究，並測試低屈服點鋼剪力牆的剛性、強度、變形能力及消能作用。
同時分析了鋼板的寬厚比效應、剪力牆的連續性及邊部框架的柱樑連線設計等問題。結果顯示，所有測試的試樣均具有良好的消能作用，剛性剪力牆系統和框架剪力牆系統都有良好的變形能力。
此外，Susantha等以低屈服點鋼板的厚度和截面構造作為測試的主要變數,研究了低屈服點鋼改善鋼橋橋墩的延展性問題。結果表明，與無低屈服點鋼的橋墩相比,使用厚度合適的低屈服點鋼板加固的橋墩具有更好的延展性和消能作用。
在我國，關於低屈服點鋼製作的消能阻尼器的抗震研究也已成為研究人員關注的重點。通過理論分析和對實物的地震模擬，研究了X 形、三角形阻尼器以及各種構造的抗震柱的抗震性能，並系統總結了這些軟鋼阻尼器設計、試驗方法。
歐進萍等進行了X 形鋼板屈服阻尼器的疲勞試驗研究和理論分析，建立了阻尼器鋼板的彈塑性應變分析方法和X 形、三角形鋼板阻尼器的疲勞設計準則。郭安薪等以低周疲勞破壞作為軟鋼阻尼器的破壞模式，建立了彈塑性滯回變形幅值和滯回循環次數的機率分析方法，並提出了大震作用下軟鋼阻尼器可靠度的分析方法。周雲介紹了加勁阻尼裝置及裝有加勁阻尼裝置結構的試驗結果、分析模型、設計方法及工程套用情況。
根據國內外關於耗能減震技術研究與套用的狀況，提出了耗能減震技術未來發展的一些方向和有待進一步研究的若干問題。我國的《建築結構抗震設計規範》(GB50011-2001) 也增加了隔震和耗能減震方面的相關內容，為消能減震技術的套用提供了參考。
此外，蔡克銓等研究了低屈服點鋼製作抗震間柱構架的抗震行為，試驗結果表明三段式設計耐震間柱具有良好的耐震性能。李玉順等研究了安裝低屈服點鋼阻尼器的鋼框架結構的抗震性能。在試驗過程中，框架柱和間柱始終在彈性變形範圍內，而軟鋼阻尼器產生了很大的塑性變形，結構的位移明顯降低，表明其能夠有效抑制結構的地震反應。
目前，國外每年都有大量的高層建築使用低屈服點鋼製作的阻尼器以提高建築物的抗震能力，我國使用低屈服點鋼製作的抗震構件還剛剛起步，僅有少數新建的建築使用了此抗震技術。
而我國屬於地震多發國家, 隨著我國高層建築的增多以及高層鋼結構建築設計水平的提高，低屈服點鋼未來的市場前景將非常廣闊。
總結
(1) 隨著消能減震技術的發展和提高，消能阻尼器的使用也逐步普及，用於製作消能阻尼器的低屈服點鋼也逐漸成為抗震用鋼中的重點產品之一。
(2) 從目前的研究看，將鋼板的強度降低到100MPa 以下的措施是降低鋼中C 的含量，並通過添加Ti、Nb 消除鋼中的自由C、N 原子以降低其對位錯運動的阻礙，在晶粒粗化的基礎上利用回火處理進一步增加晶粒的尺寸。
(3) 高層建築抗震技術的發展使得低屈服點鋼的研製和開發受到廣泛關注，隨著我國高層建築的增多和鋼結構建築的推廣，低屈服點鋼將具有廣闊的市場前景。
