李國(guó)強(qiáng)，黃 雷，張 超

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

0引 言

隨著冶金制造工藝的發(fā)展及一大批重點(diǎn)工程的興建，高強(qiáng)鋼越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于建筑工程中[1-3]。作為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，高強(qiáng)鋼高溫力學(xué)研究也隨之得到各國(guó)學(xué)者的重視。Qiang等[4-8]對(duì)歐洲高強(qiáng)鋼S460N，S690和超高強(qiáng)鋼S960進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鋼材高溫力學(xué)性能受鋼材等級(jí)和加工方法影響很大，且各國(guó)現(xiàn)行規(guī)范并不適用于其所研究的鋼材。Chiew等[9]研究了經(jīng)由淬火和回火工藝得到的RQT-S690鋼的高溫力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于400 ℃時(shí)鋼材力學(xué)性能并未發(fā)生明顯變化，溫度超過(guò)400 ℃后其強(qiáng)度急劇下降而延性增加。

在中國(guó)，李國(guó)強(qiáng)等[10]對(duì)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓常用的20MnTiB鋼材進(jìn)行了高溫下的材料性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了相關(guān)力學(xué)參數(shù)的高溫模型，并將之與其他國(guó)家推薦的高溫鋼材模型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各國(guó)所指定的高溫下鋼材的材料模型有較大差異。王衛(wèi)永等[11-12]通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460的研究發(fā)現(xiàn)，Q460鋼在高溫下的力學(xué)性能與普通鋼差別較大，強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高降低較慢。

由于生產(chǎn)工藝以及化學(xué)組成的不同，不同高強(qiáng)鋼高溫力學(xué)性能存在明顯差異。本文對(duì)國(guó)產(chǎn)超高強(qiáng)鋼Q890高溫力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立Q890鋼高溫材料模型，為研究Q890鋼結(jié)構(gòu)抗火性能及其計(jì)算方法提供理論支持。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器采用同濟(jì)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室的300 kN高溫電子材料試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)加載速率可控制在0.001～250 mm·min-1之間，高溫爐工作溫度范圍為200～1 100 ℃，最小分辨率為0.1 ℃。高溫試驗(yàn)中由綁扎于試件中部的熱電偶來(lái)測(cè)量及控制試件溫度，并由精度為0.001 mm的接觸式高溫引伸計(jì)測(cè)量試件變形。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)法。試驗(yàn)溫度點(diǎn)包括20(常溫)，200，300，400，450，500，550，600，700，800 ℃。常溫下進(jìn)行3個(gè)試件測(cè)量，其余每個(gè)溫度點(diǎn)下進(jìn)行2個(gè)試件測(cè)量。試驗(yàn)加載采用應(yīng)變速率控制，常溫加載應(yīng)變速率為0.015 min-1，高溫加載應(yīng)變速率為0.003 min-1，分別滿(mǎn)足GB/T 228.1—2010[13]和GB/T 4338—2006[14]要求。

1.3試驗(yàn)材料和試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所有試件均采用國(guó)產(chǎn)Q890鋼板制作，板厚20 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。試件的形狀和尺寸符合GB/T 228.1—2010和GB/T 4338—2006要求，如圖2所示。

表1Q890鋼板化學(xué)成分Tab.1Chemical Constitution of Q890 Steel Plate

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

圖3為不同溫度下Q890鋼試件破壞狀況。由圖3可知，試件在常溫試驗(yàn)后表面為灰白色；200 ℃時(shí)，表面呈現(xiàn)金黃色金屬光澤；300 ℃時(shí)表面顏色變化明顯，為藍(lán)色；400 ℃和450 ℃時(shí)表面轉(zhuǎn)為墨綠色；500 ℃和550 ℃時(shí)表面為黑色，局部為棕紅色；600 ℃時(shí)試件通長(zhǎng)呈現(xiàn)棕紅色；700 ℃和800 ℃時(shí)表面為深灰色，且800 ℃時(shí)試件氧化膜剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，表面粗糙。

2.2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖4為不同溫度T時(shí)Q890鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。從圖4可以看出，Q890鋼在常溫時(shí)有一極短的屈服平臺(tái)，高溫下平臺(tái)消失。隨溫度升高，曲線(xiàn)初始直線(xiàn)段縮短，強(qiáng)化段結(jié)束更早，而下降段逐步變得平緩。

2.3力學(xué)參數(shù)

表2給出了Q890鋼高溫力學(xué)性能參數(shù)值及折減系數(shù)。折減系數(shù)是相應(yīng)溫度的力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn)值與常溫試驗(yàn)值的比值，該表示法為各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。由于高溫下鋼材沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)，因此需要指定一個(gè)強(qiáng)度作為名義屈服強(qiáng)度，本文選用1.0%應(yīng)變垂直線(xiàn)與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。

2.3.1彈性模量

圖5為Q890鋼彈性模量折減系數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(CECS 200[15],EC3[16],AS 4100[17],ECCS[18],AISC[19])中材料模型及超高強(qiáng)鋼S960[8]，20MnTiB[10]試驗(yàn)結(jié)果的比較，其中ET為溫度T時(shí)的彈性模量，E20為常溫時(shí)的彈性模量。可見(jiàn)，Q890鋼彈性模量隨著溫度升高而減小。S960，20MnTiB的試驗(yàn)值及規(guī)范中模型均低于Q890鋼。

表2Q890鋼高溫力學(xué)性能及折減系數(shù)Tab.2Mechanical Properties and Reduction Factors of Q890 Steel at Elevated Temperatures

2.3.2屈服強(qiáng)度

圖6為Q890鋼屈服強(qiáng)度折減系數(shù)與規(guī)范中材料模型以及超強(qiáng)鋼S960，20MnTiB試驗(yàn)值的比較，其中，fy,T為溫度T時(shí)的屈服強(qiáng)度，fy,20為常溫時(shí)的屈服強(qiáng)度，CECS 200，EC3分別取1.0%和2.0%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度；ECCS規(guī)定400 ℃后取0.5%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，低于400 ℃時(shí)，在0.2%(20 ℃)和0.5%應(yīng)變之間線(xiàn)性插值。S960和20MnTiB鋼分別采用1.0%和2.0%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。結(jié)合表2和圖6可知，Q890鋼屈服強(qiáng)度隨溫度升高而減小，且500 ℃后其下降速率明顯加快。相比Q890鋼試驗(yàn)值，S960鋼屈服強(qiáng)度折減系數(shù)與其較為接近，而20MnTiB鋼明顯偏小。CECS 200推薦的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)用于預(yù)測(cè)Q890鋼時(shí)，在450～600 ℃內(nèi)吻合，其余溫度上偏于不安全。AS 4100的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)在300～600 ℃內(nèi)偏低，其余溫度上偏高。EC3和ECCS模型則分別偏不安全和偏保守。

2.3.3極限強(qiáng)度

由表2可知，Q890鋼極限強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度升高而減小。700 ℃時(shí)鋼材剩余強(qiáng)度僅為常溫下的10%。

2.3.4斷后伸長(zhǎng)率

Q890鋼在200 ℃時(shí)脆性增強(qiáng)，斷后伸長(zhǎng)率相對(duì)常溫下減少17%。300～500 ℃內(nèi)其伸長(zhǎng)率相對(duì)常溫有較小幅度升高，550～600 ℃時(shí)增至常溫值1.6倍。此后，斷后伸長(zhǎng)率迅速增加。

3擬合公式

相關(guān)結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范及超高強(qiáng)鋼研究文獻(xiàn)中的鋼材高溫性能參數(shù)模型并不適用于Q890鋼材。本文分別采用多項(xiàng)式和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)提出的鋼材高溫通用材料模型[20-21]對(duì)Q890鋼試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。試驗(yàn)結(jié)果與模型擬合曲線(xiàn)對(duì)比如圖7所示，其中，fu,T為溫度T時(shí)的極限強(qiáng)度，fu,20為常溫時(shí)的極限強(qiáng)度，εu,T為溫度T時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率，εu,20為常溫時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率。

3.1彈性模量

多項(xiàng)式擬合公式為

3.229×10-4T+0.986 7

20 ℃≤T≤800 ℃

(1)

NIST模型擬合公式為

20 ℃≤T≤800 ℃

(2)

3.2屈服強(qiáng)度

多項(xiàng)式擬合公式為

(3)

NIST模型擬合公式為

20 ℃≤T≤800 ℃

(4)

3.3極限強(qiáng)度

多項(xiàng)式擬合公式為

(5)

NIST模型擬合公式為

20 ℃≤T≤800 ℃

(6)

3.4斷后伸長(zhǎng)率

多項(xiàng)式擬合公式為

(7)

NIST模型擬合公式為

20 ℃≤T≤800 ℃

(8)

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)穩(wěn)態(tài)拉伸試驗(yàn)，得到不同火災(zāi)溫度下國(guó)產(chǎn)超高強(qiáng)鋼Q890的試驗(yàn)現(xiàn)象、力學(xué)性能參數(shù)值和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，并將所得力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范及超高強(qiáng)鋼研究文獻(xiàn)中高溫材料模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，20～500 ℃內(nèi)鋼材強(qiáng)度和彈性模量下降，而伸長(zhǎng)率變化不大；超過(guò)500 ℃后，Q890超高強(qiáng)鋼內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，強(qiáng)度和彈性模量下降速率明顯加快，而斷后伸長(zhǎng)率急劇增大。已有的鋼材高溫性能參數(shù)模型并不適用于Q890鋼。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別采用多項(xiàng)式模型和鋼材高溫通用材料模型擬合得到Q890鋼的高溫力學(xué)性能參數(shù)模型，可用于指導(dǎo)Q890鋼結(jié)構(gòu)抗火安全評(píng)估與設(shè)計(jì)。

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