王衛(wèi)永， 閆守海

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400045；2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

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高強度Q460鋼高溫蠕變性能

王衛(wèi)永1, 2， 閆守海1

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400045；2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

摘要：為了研究高強度Q460鋼的高溫蠕變對鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的影響，采用高溫蠕變試驗裝置測試了高溫下高強度Q460鋼材在不同應(yīng)力水平下的蠕變應(yīng)變隨時間的變化曲線.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有蠕變模型的基礎(chǔ)上擬合了高強度Q460鋼材的高溫蠕變模型.在有限元結(jié)構(gòu)分析中引入鋼材高溫材料力學(xué)性能和蠕變參數(shù)，分析了考慮高溫蠕變后軸心受力Q460鋼柱的抗火性能.研究表明，高強度Q460鋼材在高溫和應(yīng)力作用下具有明顯的蠕變變形，在同一溫度和時間下，蠕變應(yīng)變隨應(yīng)力水平的提高明顯增加；考慮蠕變效應(yīng)后，在標(biāo)準(zhǔn)(ISO-834)的升溫條件下，鋼柱的耐火極限明顯降低；在恒定溫度下，鋼柱的極限承載力隨著時間的增加急劇降低，因而結(jié)構(gòu)的抗火承載力設(shè)計需要考慮受火時間的影響.

關(guān)鍵詞：高強度Q460鋼； 蠕變； 抗火性能； 有限元分析

近年來關(guān)于鋼材高溫力學(xué)性能的研究成果很多[1-5]，主要研究了材料的高溫屈服強度、極限強度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等.鋼材在高溫和應(yīng)力作用下，變形隨時間而增大的現(xiàn)象稱為蠕變.研究表明[6-7]，蠕變對鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能有較大的影響.目前關(guān)于鋼材高溫蠕變的研究成果還不多，主要有以下一些研究：Brinc等[8-9]通過試驗研究了高強度低合金鋼ASTM A618和不銹鋼AISI 316Ti在高溫下的蠕變性能，并采用Burger蠕變模型對ASTM A618鋼試驗數(shù)據(jù)進行了擬合.Schneider等[10]對S460鋼進行了材料力學(xué)性能和蠕變試驗，得到了蠕變曲線的3個階段，并從其中分離出與時間有關(guān)的應(yīng)變分量，根據(jù)溫度補償時間的概念，提出試驗蠕變法則，能夠在任意升溫過程的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中清楚地考慮蠕變效應(yīng)，非線性分析表明，蠕變效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的承載能力有顯著的影響.Morovat等[11]對美國ASTM A992鋼的高溫蠕變性能進行了試驗研究，得到了不同溫度下的蠕變曲線.Kodur等[12]對美國ASTM A572鋼的高溫蠕變性能進行了拉伸試驗研究，得到了不同溫度下的蠕變曲線和斷裂破壞模式.近年來，國內(nèi)也開始有學(xué)者開展鋼材的高溫蠕變研究，張昊宇等[13]對1770級鋼絲進行了高溫蠕變和應(yīng)力松弛試驗研究，周煥廷等[14]對1860級預(yù)應(yīng)力鋼絞線進行了高溫蠕變試驗研究，目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于高強度Q460鋼高溫蠕變方面的研究報道.

高強鋼具有較高的強度，在火災(zāi)高溫下強度和剛度急劇降低；研究發(fā)現(xiàn)，高強鋼與普通鋼在高溫下的強度和彈性模量折減系數(shù)不同，一般而言，相同溫度下高強鋼的折減系數(shù)稍低[5].本文進行了高強度Q460鋼材的高溫蠕變試驗研究，得到了不同溫度和不同應(yīng)力下鋼材的蠕變應(yīng)變與受火時間的關(guān)系曲線，并在已有模型的基礎(chǔ)上擬合了適用于Q460鋼材的高溫蠕變模型，可供結(jié)構(gòu)抗火分析采用.最后采用ANSYS有限元軟件建立鋼柱的分析模型，考慮蠕變的影響分析了高強度Q460鋼柱的抗火承載力和臨界溫度，通過與不考慮蠕變分析結(jié)果的對比得到了蠕變對高強度Q460鋼柱抗火性能的影響.

1蠕變曲線

鋼材的高溫蠕變是指鋼材在高溫和應(yīng)力作用下隨著時間而增大的變形.在高溫下給金屬加載，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生變形、位錯和移動等現(xiàn)象.鋼材高溫下的蠕變可以分為3個階段，見圖1所示.圖中，ε為應(yīng)變，εcr為蠕變，t為時間.第Ⅰ階段是瞬時蠕變階段，對應(yīng)曲線的AB部分，其應(yīng)變速率隨著時間增長而減小.第Ⅱ階段是穩(wěn)態(tài)蠕變階段，對應(yīng)曲線中的BC部分，在該階段應(yīng)變速率大體保持恒定，蠕變速率最小，又稱為最小蠕變階段.第Ⅲ階段是加速蠕變階段，對應(yīng)曲線上的CD部分，在該階段蠕變增長速率急劇增大.

圖1　蠕變曲線3個階段示意

2高溫蠕變試驗

為了得到高強度Q460鋼的蠕變數(shù)據(jù)，采用高溫蠕變試驗機進行了高溫下的蠕變試驗，得到了不同溫度、不同應(yīng)力水平下蠕變應(yīng)變-時間曲線.本文試驗采用恒溫加載的模式，即先將溫度連續(xù)升高至設(shè)定溫度值并保持恒定，然后連續(xù)加載至設(shè)定應(yīng)力水平并保持恒定，采集恒定溫度和應(yīng)力下的蠕變應(yīng)變.

2.1試件設(shè)計

蠕變試驗試件取自20 mm厚高強度Q460鋼板，加工蠕變試件前進行了材料的拉伸試驗，得到了Q460鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)，其中屈服強度為492 MPa、極限強度為621 MPa、極限伸長率為15.3%、彈性模量為202 GPa.根據(jù)蠕變試驗裝置并按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975—1998[15]和GBT 4338—2006[16]的有關(guān)規(guī)定，蠕變試件設(shè)計尺寸如圖2所示.試件數(shù)量為35個，溫度范圍為400～900 ℃.

2.2試驗裝置

高溫蠕變試驗機為電子式高溫蠕變持久強度試驗機，型號為RMT-D5，最大試驗荷載為50kN，試驗荷載控制精度在±0.5%以內(nèi)，變形測量范圍為0～10 mm，速率調(diào)整范圍為0～50 mm·min-1，變形分辨率為0.001 mm，高溫爐控溫范圍為200～1 100 ℃，均熱帶長為150 mm，溫度控制精度：低于900 ℃時，溫度波動度為±3 ℃，900～1 100 ℃時，溫度波動度為±4 ℃.試驗裝置照片見圖3所示.本試驗在升溫過程中試件處于無應(yīng)力狀態(tài)，因此試件可自由膨脹，而高溫蠕變是在溫度和應(yīng)力共同作用下變形隨時間增加，因此升溫速率對蠕變沒有影響.在加載過程中試件會產(chǎn)生一定程度的彈性變形，這些變形很難從總應(yīng)變中分離出來，溫度和應(yīng)力恒定后，由于蠕變是隨時間變化的量，因此通過盡量縮短加載時間來減小彈性變形對測量蠕變應(yīng)變的影響.

圖2　蠕變試驗試件尺寸(單位：mm)

圖3　蠕變試驗機照片

2.3試驗結(jié)果

在加載過程中試件會產(chǎn)生彈性變形和蠕變，在采集過程中很難將二者精確分離，可以根據(jù)高溫下彈性模量和加載的大小計算出彈性變形并從采集結(jié)果中扣除，但處理后發(fā)現(xiàn)，加載過程中的蠕變很小.因此忽略加載過程中的蠕變，即認(rèn)為在加載過程中試件的變形為彈性變形，恒載保持恒定后試件的變形為蠕變變形.

試驗得到了不同溫度和不同應(yīng)力水平下蠕變應(yīng)變隨時間的變化曲線，見圖4所示.其中符號“?”代表發(fā)生在蠕變第Ⅲ階段末期的斷裂，符號“⊕”代表蠕變第Ⅱ、第Ⅲ階段分界點.從圖4中可以看出，溫度較低時(400 ℃)，大部分蠕變-時間曲線可分為2個階段：第Ⅰ階段蠕變和第Ⅱ階段蠕變.第Ⅱ階段蠕變隨著時間的增長與溫度和應(yīng)力有關(guān)，持續(xù)時間可達10 h以上，應(yīng)力水平較高時才出現(xiàn)第Ⅲ階段.

a T=400 ℃

b T=450 ℃

c T=500 ℃

d T=550 ℃

e T=600 ℃

f T=700 ℃

g T=800 ℃

h T=900 ℃

在450 ℃～550 ℃中等溫度下，第Ⅰ階段蠕變隨著應(yīng)力水平的提高逐漸變短，第Ⅱ階段蠕變和第Ⅲ階段蠕變增長速度很快，大部分試樣斷裂；當(dāng)應(yīng)力很大的時候，斷裂之前的蠕變應(yīng)變相對較小，而相對較低的應(yīng)力在斷裂時的蠕變應(yīng)變卻很大.例如450 ℃，在斷裂的試樣中，應(yīng)力為382MPa的試樣極限蠕變應(yīng)變比應(yīng)力為394，400，406 MPa的大得多，在500 ℃，550 ℃情況下有相同的趨勢.

在600～900 ℃較高溫度下，蠕變曲線主要是由第Ⅱ階段蠕變和第Ⅲ階段蠕變組成，第Ⅰ階段蠕變變得很短，在幾分鐘之內(nèi)完成；由于受熱軟化，造成了第Ⅱ階段蠕變的快速增長，其影響著整個蠕變響應(yīng)，被認(rèn)為是火災(zāi)情況下非常重要的階段，其隨著時間保持著恒定的增長速率；在第Ⅲ階段蠕變中，試樣發(fā)生明顯的頸縮，導(dǎo)致橫截面上出現(xiàn)很大的應(yīng)力，增長速率明顯加快.同時可以發(fā)現(xiàn)600～800 ℃試樣隨著溫度的升高表現(xiàn)出了很好的塑性，蠕變很大.在900 ℃時，其蠕變和800 ℃的蠕變大小很接近.

3蠕變模型

用以描述金屬蠕變的模型很多，比較著名的有Dorn模型[17]、Harmathy模型[18]、Fields模型[19]、 Burger模型[20]等.但由于應(yīng)力歷史、溫度歷史均對蠕變有影響，目前還沒有一種理論和模型能全面地描述和解釋蠕變中的種種現(xiàn)象.對于高溫下結(jié)構(gòu)鋼瞬態(tài)蠕變的預(yù)測與計算，一般是在大量試驗基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計分析的方法來得到一些回歸公式.

ANSYS有限元軟件內(nèi)置了13種隱式蠕變模型可用于試驗擬合，ANSYS自身也具有強大的非線性擬合功能.為了便于在有限元分析中直接引入鋼材高溫蠕變模型，本文選擇ANSYS中的復(fù)合時間強化模型和Norton模型進行數(shù)據(jù)擬合，兩者均不考慮時間和應(yīng)力或鋼材溫度的耦合效應(yīng)，可用來預(yù)測蠕變應(yīng)變.

3.1復(fù)合時間強化模型

復(fù)合時間強化模型可考慮初始蠕變階段和第Ⅱ蠕變階段，方程中有7個擬合參數(shù)，其基礎(chǔ)理論根據(jù)Zienkiewicz等[21]關(guān)于塑性和蠕變的統(tǒng)一理論.復(fù)合時間強化模型給出的蠕變εcr的表達式為

(1)

式中：εcr為鋼材的蠕變；c1～c7為擬合參數(shù)，其中c1>0，c5>0；σ為應(yīng)力；t為時間；Ts為鋼材溫度.

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行了非線性擬合，得到了不同溫度下的擬合參數(shù)，見表1所示.

表1　復(fù)合時間強化蠕變模型參數(shù)

由于該模型中不同溫度下參數(shù)不連續(xù)，不易直接分析升溫情況下的結(jié)構(gòu)抗火性能，可以用于恒定溫度下的構(gòu)件承載力分析及結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析.為了驗證擬合的精度，選擇600 ℃和800 ℃下模型計算的結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，見圖5所示.從圖中可見，結(jié)果吻合較好，驗證了擬合的準(zhǔn)確性.

a T=600 ℃

b T=800 ℃

3.2諾頓模型

(2)

式中：m1～m3為擬合參數(shù)，其中m1>0.

由于溫度較低時蠕變較小，為了便于擬合，未考慮400 ℃下的數(shù)據(jù)，根據(jù)其余試驗數(shù)據(jù)對Norton蠕變模型進行了非線性擬合，得到了一組擬合參數(shù)，m1=2.818 6×10-11，m2=1.42，m3=11 890.該組參數(shù)的適用溫度范圍為450～900 ℃.由于試驗數(shù)據(jù)較大，擬合難度大，該組參數(shù)能吻合試驗的部分?jǐn)?shù)據(jù)，涵蓋了大部分試驗溫度值.為了驗證擬合的精度，選擇4個溫度下模型擬合的結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，見圖6所示，從圖中可以看出，數(shù)據(jù)基本吻合.由于該模型中不同溫度下參數(shù)為同一組，可以直接用于分析升溫情況下的結(jié)構(gòu)抗火性能.

aT=500℃bT=550℃cT=800℃dT=900℃

4蠕變對Q460鋼柱抗火性能的影響

為了考察鋼材的高溫蠕變對Q460鋼柱抗火性能的影響，采用上節(jié)提出的蠕變模型，使用ANSYS有限元軟件分析了考慮蠕變后Q460鋼柱的抗火性能，并對是否考慮蠕變得到的結(jié)果進行了對比.關(guān)于高溫蠕變模型在有限元分析中的應(yīng)用，僅是在普通抗火分析的基礎(chǔ)上，在材料參數(shù)設(shè)置里定義蠕變模型即可，只要有限元模型正確，蠕變模型參數(shù)可靠，即可進行考慮蠕變的結(jié)構(gòu)抗火性能分析，此方法已被多位學(xué)者[6]采用.

4.1有限元模型簡介

單元類型采用BEAM188，自定義截面尺寸.根據(jù)鋼柱的截面幾何尺寸，先采用PLANE82單元將柱截面幾何模型劃分平面單元.截面劃分及鋼柱有限元模型見圖7所示.分析時考慮殘余應(yīng)力和初始幾何缺陷，殘余應(yīng)力根據(jù)文獻[23]對Q460焊接H形截面的測試結(jié)果施加，殘余應(yīng)力施加在每個單元的4個積分點上.幾何缺陷根據(jù)長度的0.1%施加于繞弱軸方向.材料的高溫力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)文獻[5]對Q460鋼材進行的高溫試驗值確定，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型.進行恒定溫度下的承載力分析時，溫度直接作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上，蠕變模型采用復(fù)合時間強化模型.進行標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的臨界溫度分析時，溫度值根據(jù)規(guī)范[24]中的計算方法計算出來后采用表格的方法輸入.

a鋼柱網(wǎng)格劃分網(wǎng)格b鋼柱有限元模型

4.2有限元驗證

目前尚未發(fā)現(xiàn)高溫下Q460軸心受壓鋼柱的試驗數(shù)據(jù)，為了驗證上述模型的正確性，采用文獻[25]常溫下10根焊接H型鋼柱的軸心受壓試驗數(shù)據(jù)進行有限元模型的驗證.在有限元分析中，屈服強度和彈性模量取試驗實測值，截面高度為160 mm，寬度為10 mm，翼緣和腹板厚度為10 mm，焊腳尺寸為6 mm，鋼柱幾何長度為3.3 m.

表2　鋼柱承載力試驗結(jié)果和分析結(jié)果對比

4.3考慮蠕變的穩(wěn)定承載力

a 荷載-軸向位移曲線

b 荷載-跨中撓度位移曲線

采用驗證的有限元模型，首先分析了Q460鋼柱常溫下的極限承載力，鋼柱的長度為3.3 m、截面高度為160 mm、寬度為10 mm、翼緣和腹板厚度為10 mm，分析得到的鋼柱的荷載位移曲線見圖8所示，從圖8中得到極限承載力Fcr,0為1 045.6 kN.然后引入高強度Q460鋼材的高溫力學(xué)參數(shù)及復(fù)合時間強化蠕變模型，分析了恒定溫度下鋼柱的穩(wěn)定承載力Fcr,T隨時間的變化，分析結(jié)果見圖9所示.從圖9中可以看出，隨著溫度升高，鋼柱的承載力明顯降低；在某一溫度下，并且隨著受火時間的延長，鋼柱的承載力也明顯降低；高溫持續(xù)時間較短時下降迅速，隨著持續(xù)時間的進一步增加，承載力降低的幅度有所降低.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在高溫持續(xù)的初始階段，蠕變以第Ⅰ階段蠕變?yōu)橹?，在這個階段，蠕變率較大，且隨持續(xù)時間逐漸降低.當(dāng)蠕變到達第Ⅱ階段時，蠕變率保持恒定不變.溫度達到600 ℃及以上時，其耐高溫時間明顯變短，荷載水平越高，承載力降低越快.由于高強度Q460鋼主要用于一些重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，往往其應(yīng)力水平較高，在火災(zāi)下，高溫蠕變對結(jié)構(gòu)的耐火時間影響較大，故而在使用高強鋼材時應(yīng)該著重考慮蠕變對結(jié)構(gòu)的影響.

a T為500～600 ℃

b T為700～900 ℃

4.4考慮蠕變的臨界溫度

采用Norton模型進行考慮高溫蠕變后Q460鋼柱的恒載升溫分析，空氣升溫按照ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進行，計算得到的臨界溫度和規(guī)范計算結(jié)果的對比見圖10所示.從圖中可以看出，考慮蠕變影響的有限元分析的臨界溫度普遍低于CECS200：2006[24]計算結(jié)果，最低溫差為13 ℃，最高溫差為42 ℃，最大相對溫差為9.6%.由于現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計規(guī)范[24]未充分考慮蠕變的影響，可能造成臨界溫度的計算結(jié)果偏于不安全.是否考慮蠕變的有限元計算結(jié)果差異甚大，最低溫差為27 ℃，最高溫差為154 ℃，相對溫差高達17.3%.可見蠕變對臨界溫度影響較大.

4.5是否考慮蠕變的分析結(jié)果對比

為了定量對比考慮蠕變與否對Q460鋼柱承載力的影響，在規(guī)范ISO-834升溫條件下，對不同荷載比下是否考慮蠕變的鋼柱軸向位移s和跨中撓度D隨時間的變化進行了分析，分析結(jié)果見圖11所示，從圖11中可以看出，蠕變的影響主要是通過增大變形、減小剛度來降低構(gòu)件的臨界溫度.荷載比較低時，考慮蠕變后的耐火極限降低很多，例如荷載比R為0.3時，耐火極限從25 min降為15 min，降低了40%.荷載比較大時，考慮蠕變后的耐火極限降低幅度下降.

a R=0.3

b R=0.4

c R=0.5

d R=0.6

e R=0.7

f R=0.8

5結(jié)論

通過對Q460鋼材進行高溫蠕變試驗和對軸心受壓Q460鋼柱進行考慮蠕變后的抗火性能有限元分析，主要得到了以下幾個結(jié)論：

(1)高強度Q460鋼材高溫下蠕變變形顯著，溫度低于400 ℃時，蠕變主要表現(xiàn)為瞬態(tài)蠕變階段，溫度介于600～900 ℃時，以穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變階段為主.

(2)考慮蠕變后，溫度高于400 ℃時，隨著溫度升高，Q460鋼柱的承載力明顯降低；并且隨著受火時間的延長，鋼柱的承載力也明顯降低，剛開始受熱時下降迅速，隨著受熱時間的進一步增加，承載力降低的幅度有所降低.

(3)在規(guī)范ISO-834升溫條件下考慮蠕變后Q460鋼柱的臨界溫度低于現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計規(guī)范的計算結(jié)果，由于規(guī)范中未充分考慮蠕變的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果偏于不安全.

(4)當(dāng)荷載比較低時，對于Q460鋼柱，考慮蠕變后的耐火極限與不考慮蠕變相比降低很多，荷載比較大時，考慮蠕變后的耐火極限降低幅度下降.

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收稿日期：2015-08-05

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(CDJZR12200004)；重慶市自然科學(xué)基金(cstc2013jcyjA30010)

中圖分類號：TU392

文獻標(biāo)志碼：A

Creep Behavior in High Strength Q460 Steel

WANG Weiyong1, 2, YAN shouhai1

(1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China； 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of China Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Abstract：In order to investigate the effect of creep in high strength Q460 steel on the fire resistance of structures, creep-time curves for high strength Q460 steel under various temperature and stress was tested by using creep testing set-up. According to the test data, creep models for high strength Q460 steel were proposed based on current creep models. The fire resistance of axially compressed high strength Q460 steel column was analyzed by employing finite element modeling after taking material properties and creep at elevated temperatures into consideration. The study shows that the creep deformation under the action of temperature and stress in high strength Q460 steel is significant, and at the same temperature and time, the creep increase obviously with rise of stress. After considering the effect of creep, fire duration of steel column decrease seriously under the fire exposure to ISO-834 standard temperature curve. At a certain temperature, there is a pronounced reduction in load bearing capacity of steel column with the increase of time for fire exposure. Therefore, in the design of load bearing capacity of steel column, the time lasting in fire should be taken into consideration.

Key words：high strength Q460 steel; creep; fire resistance; finite element analysis

第一作者： 王衛(wèi)永(1982—)，男，副教授，工學(xué)博士，主要研究方向為結(jié)構(gòu)抗火性能.E-mail：wywang@cqu.edu.cn