劉殿忠,于 哲,王武剛

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

鋼材強(qiáng)度的檢測與評價(jià)關(guān)系到火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重建.為進(jìn)一步建立火災(zāi)后鋼材強(qiáng)度與硬度的關(guān)系提供依據(jù)，本文通過無損檢測法測定鋼材里氏硬度[1-2]，試驗(yàn)選擇工程中常用的H型鋼進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場模擬試驗(yàn),并進(jìn)行硬度測量.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用H型鋼為H 100 mm×100 mm×6 mm×8 mm,長度為500 mm,鋼材強(qiáng)度等級分別是Q 235,Q 345和Q 390共3種,加工成長度為500 mm的短柱.為完全還原火災(zāi)現(xiàn)場的真實(shí)狀態(tài),試驗(yàn)中考慮恒溫時(shí)間、冷卻方式、鋼材強(qiáng)度等級、受力狀態(tài)以及H型鋼不同部位等因素.其中受火溫度從100 ℃～600 ℃分為6個(gè)等級;恒溫保持時(shí)間分別為5 min,10 min和15 min;冷卻方式采用澆水冷卻和自然冷卻等兩種[3].

設(shè)計(jì)受火試件108個(gè)、常溫試件12個(gè),共120個(gè),具體試件參數(shù)及編號如表1所示.

表1 試件參數(shù)及編號Table 1 Specimen parameters and numbe

表1中A,B,C分別代表Q 235，Q 345和Q 390鋼材的強(qiáng)度等級;W,N分別代表冷卻方式為水冷和自然冷;下角標(biāo)1～6分別代表溫度100 ℃～600 ℃;上角標(biāo)5～15分別代表在具體試驗(yàn)溫度下的恒溫時(shí)間5 min～15 min.試驗(yàn)用拉壓開啟式電加熱爐如圖1所示.

1.1 硬度測量

在硬度測試方案中考慮了受力和非受力兩種狀態(tài)[4-5],同時(shí)考慮H型鋼翼緣、腹板的厚度變化,以及翼緣和腹板的不同部位進(jìn)行硬度測量.在非受力狀態(tài)下,要防止試件在彈擊過程中發(fā)生位移或者晃動(dòng)造成的部分能量損失,此項(xiàng)測試借助反力架、反力墻和機(jī)械式千斤頂來固定試件.在受力狀態(tài)下,采用在高溫試驗(yàn)爐內(nèi)對試件施加荷載,更能反映火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際狀態(tài)及火災(zāi)后現(xiàn)場情況.

1.2 試驗(yàn)溫度

鋼材在600 ℃高溫下幾乎沒有任何強(qiáng)度和剛度[6],對鋼結(jié)構(gòu)建筑后續(xù)的鑒定和加固工作已無任何意義.因此,本次試驗(yàn)設(shè)定的最高溫度為600 ℃.依據(jù)有關(guān)研究結(jié)論[7],鋼構(gòu)件在600 ℃溫度下持續(xù)20 min,其強(qiáng)度和剛度已經(jīng)損失殆盡,試驗(yàn)設(shè)定受火溫度下恒溫時(shí)間分別為 5 min,10 min和15 min.

圖1 電加熱爐Fig.1 Electric heating furnace

圖2 在400 ℃～600 ℃時(shí)試件屈曲現(xiàn)象Fig.2 Specimen buckling phenomenon at 400 ℃～600 ℃

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)可知,在溫度上升區(qū)段100 ℃～300 ℃時(shí),試件工作正常,承載力幾乎沒有變化.當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃～600 ℃區(qū)段時(shí),承載力開始下降,試件的翼緣及腹板先后屈曲.由于試件發(fā)生屈曲變形,導(dǎo)致加載作動(dòng)器出現(xiàn)小幅的上下抖動(dòng)現(xiàn)象,試件屈曲現(xiàn)象如圖2所示.

2.1 冷卻方式及恒溫時(shí)間對里氏硬度的影響

在受火溫度、受力狀態(tài)以及檢測部位等因素不變的情況下,對于Q 235鋼材試件,只進(jìn)行不同冷卻方式里氏硬度測量值的比較,結(jié)果如圖3所示.

(a) 里氏硬度與恒溫時(shí)間的關(guān)系(100 ℃)(a) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(100 ℃)

(b) 里氏硬度與恒溫時(shí)間的關(guān)系(200 ℃)(b) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(200 ℃)

(c) 里氏硬度與恒溫時(shí)間的關(guān)系(300 ℃)(c) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(300 ℃)

(d) 里氏硬度與恒溫時(shí)間的關(guān)系(400 ℃)(d) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(400 ℃)

(e) 里氏硬度與恒溫時(shí)間的關(guān)系(500 ℃)(e) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(500 ℃)

(f) 里氏硬度與恒溫時(shí)間的關(guān)系(600 ℃)(f) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(600 ℃)

圖3為試驗(yàn)溫度達(dá)到100 ℃～600 ℃時(shí)其恒溫時(shí)間與里氏硬度之間的關(guān)系曲線.恒溫時(shí)間增加,里氏硬度增大,增長幅度大約為3 HLD,恒溫時(shí)間的影響效果有限.在恒溫時(shí)間相同的情況下,采用澆水冷卻比自然冷卻的里氏硬度平均高出35 HLD左右.試件在高溫狀態(tài)下突遇澆水,相當(dāng)于對鋼材有一個(gè)淬火的過程,導(dǎo)致其表面硬度增大.因此,冷卻方式對里氏硬度的影響較大.

2.2 鋼材強(qiáng)度等級對里氏硬度的影響

試驗(yàn)共設(shè)了6處恒溫時(shí)間,每增加100 ℃作為一處恒溫時(shí)間,選取不同冷卻方式下3種鋼材強(qiáng)度等級的里氏硬度與受火溫度之間的關(guān)系進(jìn)行分析,詳見圖4，圖5.

(a) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c)里氏硬度與溫度的關(guān)系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)圖4 澆水冷卻里氏硬度與溫度的關(guān)系Fig.4 The relationship between Leeb hardness and temperature under water cooling

(a) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c)里氏硬度與溫度的關(guān)系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)圖5 自然冷卻里氏硬度與溫度的關(guān)系Fig.5 The relationship between Leeb hardness and temperature under natural cooling

由圖4和圖5可知,在冷卻方式和恒溫時(shí)間不變的情況下,鋼材強(qiáng)度等級增加,里氏硬度增大;受火溫度升高,里氏硬度增大,受火溫度從100 ℃到600 ℃時(shí),里氏硬度約增大12 HLD.在澆水冷卻及受火溫度一樣時(shí),Q 345鋼材的里氏硬度高于Q 235鋼材約28 HLD;Q 390鋼材的里氏硬度高于Q 345鋼材約43 HLD.試驗(yàn)結(jié)果表明,鋼材強(qiáng)度提高,里氏硬度呈線性增加,鋼材強(qiáng)度等級是影響里氏硬度的主要因素.

2.3 受力狀態(tài)對里氏硬度的影響

受力狀態(tài)是對經(jīng)過高溫試驗(yàn)爐恒溫冷卻后的試件施加壓力,施加壓力的大小等于試件剩余承載力的70 %,在試件受力狀態(tài)下進(jìn)行里氏硬度的測試.采用自然冷卻和澆水冷卻的Q 235試件翼緣上部的里氏硬度測量結(jié)果如圖6和圖7所示.

(a) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)圖6 自然冷卻受力狀態(tài)對里氏硬度的影響Fig.6 Effect of stress state on Leeb hardness under natural cooling

(a) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c) 里氏硬度與溫度的關(guān)系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature (15 min)圖7 澆水冷卻受力狀態(tài)對里氏硬度的影響Fig.7 Effect of stress state on Leeb hardness under water cooling

由圖6可知,在自然冷卻及恒溫時(shí)間不變的情況下,鋼材強(qiáng)度等級為Q 235的試件,隨受火溫度升高,兩種狀態(tài)下的里氏硬度均增大;在受火溫度相同時(shí),受力狀態(tài)的里氏硬度高于非受力狀態(tài),大約高5 HLD左右,表明二者的影響差別不大.

在澆水冷卻及恒溫時(shí)間不變的情況下,受力狀態(tài)的里氏硬度與非受力狀態(tài)的里氏硬度比較接近,一般變化幅度在3 HLD左右,詳見圖7.

綜上,受力狀態(tài)與非受力狀態(tài)的里氏硬度比較接近,前者略高,其受力狀態(tài)對里氏硬度的影響較小.

3 結(jié)論

在H型鋼試件受火試驗(yàn)中,研究了有關(guān)因素對鋼材里氏硬度的影響,可得如下結(jié)論:

(1) 里氏硬度隨受火溫度的提高而增大,受火溫度從100 ℃升到600 ℃時(shí),里氏硬度平均增加12 HLD,增加幅度不大.

(2) 隨著恒溫時(shí)間增加,里氏硬度呈現(xiàn)出小幅增長,恒溫時(shí)間從5 min至15 min,其里氏硬度增長幅度在3 HLD左右,其影響效果有限.

(3) 在恒溫時(shí)間相同的情況下,澆水冷卻比自然冷卻的里氏硬度平均高出35 HLD左右,冷卻方式對里氏硬度的影響較大.

(4) 在其它因素不變的情況下,鋼材強(qiáng)度等級提高,里氏硬度呈線性增加,鋼材強(qiáng)度等級對里氏硬度的影響最大.

(5) 在恒溫時(shí)間相同時(shí),受力狀態(tài)和非受力狀態(tài)下的里氏硬度都隨受火溫度的增加略有增長;在同一溫度下,受力狀態(tài)下里氏硬度高于非受力狀態(tài),但其影響不明顯.