張?bào)?，林輝，胡鷹，楊成博

(重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

不銹鋼是指以不銹、耐腐蝕性為主要特征，且鉻(Cr)含量至少為10.5%，碳(C)含量最大不超過1.2%的鋼[1]。不銹鋼構(gòu)件的抗火性能較碳鋼構(gòu)件要好很多，相同條件下的約束柱，不銹鋼的抗火性能能夠達(dá)到碳鋼的兩倍[2]。此外，不銹鋼結(jié)構(gòu)由于其突出的建筑美學(xué)優(yōu)勢(shì)、良好的耐腐蝕性能和較低的全壽命周期成本，迅速在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為最得到認(rèn)可的建筑結(jié)構(gòu)材料[3]。

螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)建筑最常見的連接方式之一，作為節(jié)點(diǎn)的基本組成部分，螺栓通常承受著火災(zāi)等災(zāi)害產(chǎn)生的附加荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載安全至關(guān)重要。不銹鋼螺栓可以由各種不銹合金制得，其極限強(qiáng)度可以達(dá)到480～1 500 MPa。雖然高強(qiáng)度碳鋼螺栓以其更高的強(qiáng)度及新的設(shè)計(jì)方法得到了廣泛應(yīng)用，如8.8級(jí)和10.9級(jí)螺栓，但其在火災(zāi)中的力學(xué)性能下降速度比普通碳鋼螺栓更快[4]。Cen[5]肯定了不銹鋼螺栓在建筑鋼結(jié)構(gòu)中潛在的實(shí)用價(jià)值，為不銹鋼螺栓的大力發(fā)展埋下了伏筆。目前，對(duì)螺栓高溫下力學(xué)性能的研究，主要針對(duì)高強(qiáng)度螺栓。Kodur等[6]對(duì)美國的高強(qiáng)螺栓A325、A490在火災(zāi)下的性能劣化進(jìn)行了研究，隨后Lange等[7]研究了10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓高溫下的力學(xué)性能。Ohlund等[8]嘗試從微觀結(jié)構(gòu)上探討不同類型的超高強(qiáng)螺栓的物理性能。而有關(guān)不銹鋼螺栓高溫下力學(xué)性能的研究，僅有Moreno 等[9]關(guān)于M12不銹鋼螺栓抗火性能的報(bào)道，其研究重點(diǎn)是螺栓的極限強(qiáng)度及其失效機(jī)制，報(bào)道中涉及強(qiáng)度和彈性模量的折減數(shù)據(jù)十分有限。為了給建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)火災(zāi)下的性能分析提供依據(jù)，有必要加強(qiáng)不銹鋼螺栓高溫下的力學(xué)性能研究。

Hanus等[10]對(duì)8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓火災(zāi)下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)涉及加熱和冷卻兩個(gè)階段，以模擬“自然火災(zāi)”情況。其中，冷卻階段很重要，因?yàn)樵诶鋮s時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)中受到軸向約束的構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。筆者研究的目的是不銹鋼螺栓在特定溫度下強(qiáng)度和彈性模量的折減情況，所以，只進(jìn)行恒溫條件下的試驗(yàn)研究。為了獲得高溫下不銹鋼螺栓的彈性模量和強(qiáng)度折減數(shù)據(jù)，給不銹鋼螺栓高溫下的材料性能分析提供依據(jù)，進(jìn)行了不銹鋼螺栓高溫下的單向拉伸試驗(yàn)，獲得了不銹鋼螺栓不同溫度下完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取出了強(qiáng)度和彈性模量折減系數(shù)，并對(duì)比了其他文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)規(guī)范的推薦值。基于試驗(yàn)結(jié)果，提出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減模型。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用A4-70級(jí)和A4-80級(jí)[11]不銹鋼螺栓，螺栓直徑均為20 mm，兩組螺栓均按ISO 4014標(biāo)準(zhǔn)[12]加工制造。螺栓原材料化學(xué)成分見表1。螺栓主要由若干鐵基合金制成，如EN 1.4401和EN 1.4404奧氏體鋼。這些鐵基合金含有鉬、鎳和鉻元素，使螺栓具有耐腐蝕性和可焊性。同時(shí)，通過冷鍛，提高了兩組螺栓的極限強(qiáng)度。

原材料力學(xué)性能見表2。

表1 不銹鋼螺栓原材料化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of stainless steel bolts

表2 螺栓原材料力學(xué)性能和試驗(yàn)溫度Table 2 Material properties at room temperature and testing temperatures

試件均由不銹鋼螺栓按歐規(guī)EN 10002-5[13]規(guī)范或美規(guī)E21-92[14]制備。對(duì)于高溫下材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，這兩個(gè)規(guī)范中明確規(guī)定了金屬材料拉伸試驗(yàn)試件的形狀和尺寸。試樣的原始標(biāo)距L0與原始橫截面積S0應(yīng)符合

試件的詳細(xì)尺寸如圖1所示。試驗(yàn)溫度變化范圍為20～900 ℃，每組試驗(yàn)溫度包括20、100、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃共10個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)，每個(gè)性能等級(jí)和每個(gè)目標(biāo)溫度測(cè)試3個(gè)試件。因此，兩組性能等級(jí)共測(cè)試60個(gè)試件。

圖1 試件尺寸Fig.1 Geometry of tension coupon specimens

1.2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用INSTRON8862電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，最大加載荷載為300 kN。加熱爐最高加熱溫度為1 500 ℃。為了控制加熱爐內(nèi)的升溫速率，將3對(duì)熱電偶絲連接到加熱爐上。試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，每分鐘升溫50～80 ℃。雖然相對(duì)較快的升溫速率在較低的溫度范圍內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致“溫度過沖”問題[15]，但在接近目標(biāo)溫度時(shí)，通過數(shù)字控制系統(tǒng)稍微降低輸入功率，可以防止這種情況的發(fā)生。

每個(gè)試件的兩端都有用于夾持的螺紋，試件下端在拉伸試驗(yàn)開始前加熱時(shí)可以自由膨脹。

試驗(yàn)采用位移控制進(jìn)行加載。在達(dá)到極限強(qiáng)度之前，加載速率為0.03 mm/min。達(dá)到極限強(qiáng)度之后，將加載速率提高到0.75 mm/min，直至斷裂。試驗(yàn)采用的高溫引伸計(jì)標(biāo)距為12.5 mm，測(cè)量量測(cè)為±2.50 mm。根據(jù)Chen等[15]的研究，在測(cè)試過程中，當(dāng)引伸計(jì)達(dá)到量程上限時(shí)，應(yīng)將引伸計(jì)重置并重新開始測(cè)量，循環(huán)往復(fù)，得到一個(gè)完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Tensile test set-up

由于筆者的目的是研究不銹鋼螺栓在高溫下強(qiáng)度和彈性模量的折減情況，因此，僅進(jìn)行穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，即每個(gè)試件在加熱至目標(biāo)溫度后，繼續(xù)恒溫15 min，以確保整個(gè)試件均勻地達(dá)到目標(biāo)溫度，然后再加載至破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖3列出了各溫度下材性試件拉伸破壞后的形式(從左至右分別為20～900 ℃的材性試件)，由圖3可以看出，在100～300 ℃溫度范圍內(nèi)，試件拉伸形變量隨溫度的升高而降低，而在溫度超過300 ℃后，形變量隨溫度的升高而增大。另外，當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，由于強(qiáng)氧化作用，材性試件的斷口顏色開始改變并逐漸加深，且隨著溫度的升高，試件頸縮現(xiàn)象逐漸明顯。

圖3 高溫材性試件破壞Fig.3 Failure modes of test specimens

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為兩個(gè)性能等級(jí)的螺栓在各個(gè)目標(biāo)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖中數(shù)據(jù)為3個(gè)試件的平均值)。由圖4可以看出，在屈服之前，不銹鋼螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為線彈性，屈服后便呈現(xiàn)出明顯的非線性行為。兩組不銹鋼螺栓在高溫下仍然表現(xiàn)出良好的變形能力，且延性變化相似，均是隨著溫度的升高有明顯的下降，而300 ℃后則顯著上升。

圖4 不銹鋼螺栓的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of stainless steel bolts

2.3 彈性模量

試驗(yàn)得到的各個(gè)溫度下不銹鋼螺栓彈性模量折減系數(shù)變化情況如圖5所示(不銹鋼螺栓的彈性模量E為應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性彈性范圍的斜率)。其中，彈性模量折減系數(shù)定義為某一特定溫度下的彈性模量與常溫下彈性模量之比。由于兩個(gè)等級(jí)的不銹鋼螺栓實(shí)測(cè)彈性模量折減情況差距極小，因此，取A4-70和A4-80兩個(gè)等級(jí)不銹鋼螺栓的均值。

圖5 彈性模量折減系數(shù)Fig.5 Reduction factors of Young’s modulus at elevated temperatures

圖5將試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者的報(bào)道進(jìn)行了對(duì)比。由圖5可以看出，溫度大于600 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓的彈性模量急劇下降，這與Sakumoto等[16]和Ala-Outinen[17]關(guān)于SUS316 (EN 1.4401)和SUS316Ti (EN 1.4571)不銹鋼母材的高溫試驗(yàn)結(jié)果相似。溫度超過500 ℃時(shí)，相比于不銹鋼螺栓，Sakumoto等[18]試驗(yàn)用耐火鋼螺栓的彈性模量下降更為迅速。因此，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，相比耐火鋼螺栓，不銹鋼螺栓可以更好地維持彈性模量。

圖5還將試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)規(guī)范推薦值進(jìn)行了對(duì)比。從整體上看，歐洲規(guī)范EC 3[19]中對(duì)于不銹鋼母材高溫彈性模量折減系數(shù)推薦值偏大，推薦值不能很好地適用于不銹鋼螺栓。

2.4 屈服強(qiáng)度

試驗(yàn)得到的各個(gè)溫度下不銹鋼螺栓屈服強(qiáng)度折減系數(shù)變化情況如圖6所示?？梢钥吹?，對(duì)于不銹鋼螺栓，屈服強(qiáng)度折減系數(shù)趨勢(shì)與彈性模量相似，兩者都在溫度超過600 ℃時(shí)出現(xiàn)大幅度下降。

圖6將試驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者的報(bào)道和規(guī)范推薦值進(jìn)行了對(duì)比。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，Sakumoto等[16]和Ala-Outinen[17]關(guān)于SUS316 (EN 1.4401)和SUS316Ti (EN 1.4571)不銹鋼母材的高溫試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但是，在溫度低于650 ℃的較低范圍內(nèi)，不銹鋼螺栓相比不銹鋼母材屈服強(qiáng)度退化更慢。與不銹鋼螺栓不同的是，當(dāng)溫度超過500 ℃時(shí)，耐火鋼螺栓的屈服強(qiáng)度再次表現(xiàn)出更大幅度的下降。

圖6 屈服強(qiáng)度折減系數(shù)Fig.6 Reduction factors of 0.2% proof strength strength at elevated temperatures

2.5 極限強(qiáng)度

圖7將試驗(yàn)結(jié)果與其他研究結(jié)果和規(guī)范推薦值進(jìn)行了對(duì)比。與彈性模量和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果一樣，在溫度超過600 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓的極限強(qiáng)度劇烈下降。而耐火鋼螺栓的極限強(qiáng)度在500 ℃或者更低溫度時(shí)便發(fā)生劇烈下降，且下降速度更快。同時(shí)，雖然耐火鋼螺栓在幾乎整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有比高強(qiáng)螺栓更高的極限強(qiáng)度，但溫度超過500 °C時(shí)，耐火鋼螺栓的極限強(qiáng)度不如不銹鋼螺栓。不銹鋼螺栓高溫下極限強(qiáng)度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范EC3[19]給出的不銹鋼母材推薦值基本相同。

圖7 極限強(qiáng)度折減系數(shù)Fig.7 Reduction factors of tensile strength at elevated temperatures

3 折減模型

試驗(yàn)得到的不銹鋼螺栓高溫下彈性模量折減系數(shù)比歐洲規(guī)范EC3[19]給出的關(guān)于不銹鋼母材屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值小。另一方面，在溫度低于600 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度的折減系數(shù)明顯大于歐洲規(guī)范EC3[19]給出的關(guān)于不銹鋼母材屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值，但在更高溫度時(shí)則相反。因此，有必要提出新的折減模型。

基于Chen等[20]的研究成果，提出了改進(jìn)的不銹鋼螺絲高溫下的折減模型。

根據(jù)不同試驗(yàn)溫度下的折減系數(shù)，利用最小二乘法對(duì)擬合公式中系數(shù)a、b、c和n進(jìn)行擬合，得到不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的折減模型

Eθ/E20=α-(θ-b)n/c

f0.2,θ/f0.2=α-(θ-b)n/c

fu,θ/fu=α-(θ-b)n/c

由擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度低于600 ℃時(shí)，可以使用共同的系數(shù)對(duì)不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行擬合，如表3所示。但當(dāng)溫度大于600 ℃時(shí)，則需要不同的系數(shù)進(jìn)行擬合，如表4所示。

表3 600 ℃以下折減模型擬合系數(shù)Table 3 Common coefficients for the reduction models for temperatures up to 600 ℃

圖8給出了不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減模型與試驗(yàn)結(jié)果以及歐洲規(guī)范EC3[19]推薦值的對(duì)比。由圖8可以看出，對(duì)于試驗(yàn)所用的不銹鋼螺栓，相比新提出的預(yù)測(cè)模型，歐洲規(guī)范EC3[19]關(guān)于彈性模量折減系數(shù)的推薦值偏于保守，而關(guān)于極限強(qiáng)度折減系數(shù)的推薦值在700 ℃之前則偏于不安全。對(duì)于極限強(qiáng)度折減系數(shù)，折減模型的預(yù)測(cè)值與歐洲規(guī)范EC3[19]推薦值相當(dāng)接近。

表4 600 ℃以上折減模型擬合系數(shù)Table 4 Coefficients for the reduction models for temperatures above 600 ℃

圖8 折減模型與試驗(yàn)折減系數(shù)以及歐規(guī)的對(duì)比Fig.8 Comparison among proposed, experimental and EC3’s reduction factors

4 結(jié)論

研究了A4-70級(jí)和A4-80級(jí)不銹鋼螺栓在20～900 ℃溫度范圍內(nèi)相關(guān)性能試驗(yàn)結(jié)果，包括彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。共測(cè)試了60個(gè)試件，得到了以下結(jié)論：

1)溫度高于500 ℃時(shí)，相比于耐火鋼螺栓，不銹鋼螺栓可以更好地維持彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。

2)溫度低于650 ℃時(shí)，與歐洲規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值相比，不銹鋼螺栓的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)偏大。

3)不銹鋼螺栓高溫下極限強(qiáng)度折減系數(shù)與歐洲規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值基本保持一致。

4)不銹鋼螺栓高溫下彈性模量的折減趨勢(shì)與歐洲規(guī)范關(guān)于不銹鋼母材的推薦值基本相同，但折減速度比較緩慢。

5)溫度低于600 ℃時(shí)，不銹鋼螺栓高溫下彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減系數(shù)相同，可以使用同樣的折減模型。