李國強， 黃 雷， 張 超

(1. 同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092；2. 同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

高強鋼與普通鋼相比具有更高的屈服強度和抗拉強度，因此在相同的受力條件下可以采用更小的截面尺寸，達到降低結(jié)構(gòu)自重，顯著減少單位建筑面積用鋼量、焊接和涂刷工作量的目的[1]，在建筑工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用.高溫下鋼材的力學性能會發(fā)生明顯下降，造成火災下建筑結(jié)構(gòu)的破壞.了解高強鋼的高溫力學性能，是進行高強鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計、保護火災下高強鋼建筑安全性的理論前提與基礎(chǔ).

目前，一些學者進行了火災高溫條件下鋼材力學性能的研究.Schneider與Lange[2-4]對7種不同化學成分和交貨狀態(tài)的商業(yè)S460高強鋼進行了高溫材性試驗，研究發(fā)現(xiàn)S460鋼高溫屈服強度相較于歐洲規(guī)范明顯偏低.Qiang等[5-7]采用恒溫加載和恒載升溫兩種方式對高強鋼S460N和S690進行了試驗研究，得到兩種鋼材在20～700 ℃內(nèi)的力學性能和破壞模式.通過試驗結(jié)果與國外標準以及相關(guān)研究文獻的比較，發(fā)現(xiàn)各國規(guī)范并不適用于高強鋼S460N和S690，且多數(shù)偏于不安全，具有相近常溫屈服強度的S690和BISPLATE80鋼高溫力學性能仍表現(xiàn)出較大不同.Ranawaka[8]和Mahendran[9]分別對冷軋高強鋼高溫力學性能進行了試驗研究.Ranawaka的研究材料包括厚度分別為0.6 mm、0.8 mm、0.9 mm的普通鋼G250和高強鋼G550試件，試驗方法包括穩(wěn)態(tài)試驗、瞬態(tài)試驗和ISO標準試驗.研究發(fā)現(xiàn)在200 ℃～500 ℃間高強鋼與普通鋼關(guān)于屈服強度的變化規(guī)律有明顯區(qū)別，當溫度超過400 ℃后，高強鋼強度降低得更快，且厚度對鋼材性能影響不大；高強鋼與普通鋼在200 ℃時延性均為最低，低溫下普通鋼延性更好，但溫度升高到650 ℃后兩者基本一致.Chiew等[10]通過對RQT-S690高強鋼的研究發(fā)現(xiàn)，鋼材在400 ℃以下具有良好的抗火性，溫度超過400 ℃后強度急劇下降而延性增加.

在國內(nèi)，同濟大學的李國強等[11-13]分別對用于門式鋼架結(jié)構(gòu)的16Mn鋼、制作冷彎型鋼的日本標準SM41鋼、10.9級高強度螺栓常用的20MnTiB鋼進行了試驗研究，并利用實驗數(shù)據(jù)擬合得到不同鋼材高溫下強度與彈性模量的模型.陳駒等[14]對5 mm厚高強度鋼BISPLATE80進行了41組穩(wěn)態(tài)試驗和16組瞬態(tài)試驗，試驗結(jié)果表明相關(guān)規(guī)范對于屈服強度和穩(wěn)態(tài)試驗得到彈性模量值的預測偏于保守，而對于瞬態(tài)試驗得到的彈性模量又不安全；BISPLATE80鋼與普通鋼的彈性模量折減系數(shù)和屈服強度折減系數(shù)在22 ℃～540 ℃之間相近，溫度超過540 ℃之后兩種鋼材的差別較大.

之前的研究表明，高強鋼的高溫力學性能和普通鋼存在明顯區(qū)別，不同國家和地區(qū)生產(chǎn)的不同型號高強鋼的高溫力學性能也存在差異，國產(chǎn)高強鋼抗火設(shè)計不宜套用普通鋼或者國外產(chǎn)高強鋼模型.本文對國產(chǎn)Q550高強鋼進行試驗研究，并根據(jù)試驗結(jié)果建立Q550鋼高溫本構(gòu)關(guān)系模型.

1 試驗

1.1 試驗儀器

試驗在同濟大學工程結(jié)構(gòu)抗火試驗室完成，所用儀器為高溫電子材料試驗機，見圖1.主機最大負荷為300 kN，采用交流伺服機及伺服驅(qū)動器，加載速率可控制在0.001～250 mm·min-1.加熱爐采用GW900高溫爐，見圖2，工作溫度范圍為200～1 100 ℃，爐溫最小分辨率為0.1 ℃，均溫段長度為150 mm.加熱爐分上、中、下三段加熱，每段配備一個側(cè)插K型熱電偶，高溫試驗中，將另一K型熱電偶用耐高溫布綁扎于試件中部，用以測量試件溫度.試件變形測量選用接觸式高溫引伸計，測量精度為0.001 mm.

圖1 試驗機Fig.1 Testingmachine圖2 高溫爐Fig.2 Heatingfurnace

1.2 試驗材料及試件

試驗所需試件由20 mm厚國產(chǎn)Q550鋼板制成，化學成分如表1所示.試件所采用形狀和尺寸按中國標準《GB/T 228.1—2010 金屬材料室溫拉伸試驗方法》[15]和《GB/T4338—2006 金屬材料高溫拉伸試驗方法》[16]執(zhí)行，見圖3.

表1 Q550高強鋼板化學成分表Tab.1 Chemical constitution of high strength Q550 steel in the tests

圖3 試驗試件尺寸(單位：mm)Fig.3 Geometry of the specimens(Unit: mm)

1.3 試驗方法與流程

試驗采用穩(wěn)態(tài)試驗方法，選擇10 ℃·min-1的恒定升溫速率將試件加熱到指定溫度，然后保溫15 min，待試件溫度通長均勻后開始加載，直至斷裂.加載過程中采用應(yīng)變速率控制，常溫試驗參考GB/T 228.1-2010，應(yīng)變速率為0.015 min-1；高溫試驗參考GB/T4338-2006，應(yīng)變速率采用0.003 min-1.試驗溫度點包括20(常溫)，200，300，400，450，500，550，600，700和800 ℃.常溫下進行3個試件測量，其余每個溫度點下進行2個試件測量，試件共計21根.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

試件破壞狀況如圖4所示，不同溫度下試件表面顏色變化明顯：200 ℃時，試件表面呈現(xiàn)金黃色金屬光澤；300 ℃時表面為藍色；400～450 ℃時為墨綠色；500～600 ℃時變?yōu)楹谏?00 ℃和800 ℃時鋼材氧化現(xiàn)象明顯，表皮剝落嚴重，呈深灰色.

圖4 不同溫度下Q550鋼試件破壞狀況Fig.4 Failure modes of Q550 specimens at variouselevated temperatures

試件斷口形貌如圖5所示.200 ℃時試件沿45°方向斷裂，其余20～500 ℃各溫度點上斷口呈現(xiàn)明顯杯口狀，550～800 ℃時斷口為錐形杯狀.所有試件在斷裂時均出現(xiàn)明顯頸縮現(xiàn)象；700～800 ℃斷口縮至極小.

a20℃b200℃c300℃d400℃e450℃f500℃g550℃h600℃i700℃j800℃

圖5不同溫度下Q550鋼試件斷口形貌

Fig.5FracturemorphologyofQ550specimensat

variouselevatedtemperatures

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖6為Q550高強鋼在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.其中20～550 ℃的曲線包括開始加載到斷裂全過程，600～800 ℃的曲線由于斷裂時延伸率過大，只繪制到應(yīng)變0.3.從圖6中可知，Q550高強鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在常溫與高溫下均無明顯屈服平臺.曲線基本形狀隨溫度升高發(fā)生明顯變化.300 ℃后隨溫度升高，曲線彈性段和強化段縮短，下降段趨于平緩.

圖6 Q550鋼應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Stress-strain curves of Q550 steel atelevated temperatures

2.3 力學性能參數(shù)

Q550高強鋼高溫力學性能參數(shù)試驗結(jié)果平均值及其折減系數(shù)如表2所示.折減系數(shù)是該溫度下力學性能參數(shù)試驗結(jié)果平均值與常溫試驗結(jié)果平均值的比值.試驗中同一溫度下不同試件所得結(jié)果偏差不超過2%，試驗數(shù)據(jù)離散性小，故每個試件數(shù)據(jù)不一一列出.

2.3.1彈性模量

從表2中可知，Q550高強鋼常溫彈性模量值略高于普通鋼；400 ℃以內(nèi)，隨著溫度升高，彈性模量值緩慢減??；當鋼材溫度高于500 ℃，其折減系數(shù)下降速率明顯加快.圖7比較了本文得到的Q550高強鋼彈性模量折減系數(shù)與部分規(guī)范中材料模型(如CECS200[17]、EC3[18]、AS4100[19]、ECCS[20]、AISC[21])以及其他文獻[5-6,12,14]中試驗結(jié)果.圖中ET為溫度T時彈性模量，E20為常溫時彈性模量.可見，不同鋼材彈性模量試驗值具有很強的離散性.與Q550鋼相比，SM41[12]鋼結(jié)果較為接近，BISPLATE80[14]偏大而S460N[6]和S690[5]均偏小.國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[17-21]中高溫彈性模量的材料模型基本上是基于普通鋼試驗得到，均低于本文試驗數(shù)據(jù).

2.3.2屈服強度

鋼材高溫屈服強度定義尚無統(tǒng)一標準，CECS200、EC3分別取1%和2%應(yīng)變對應(yīng)強度；ECCS規(guī)定400℃后取0.5%應(yīng)變作為名義應(yīng)變，當溫度低于400 ℃時，則在0.2%(20℃時)和0.5%應(yīng)變之間線性差值；AS4100對于屈服強度的應(yīng)變水平?jīng)]有具體規(guī)定.本試驗屈服強度采用1.0%應(yīng)變對應(yīng)的強度.圖8顯示Q550鋼屈服強度折減系數(shù)試驗值與部分規(guī)范中材料模型(如CECS200、EC3、AS4100、ECCS)以及其他文獻[5-6,14]的試驗結(jié)果對比，其中S460N、S690和BISPLATE80屈服強度均采用2.0%應(yīng)變對應(yīng)強度.fy,T為溫度T時屈服強度，fy,20為常溫時屈服強度.

表2 Q550高強鋼高溫力學性能參數(shù)值及折減系數(shù)Tab.2 Mechanical properties and reduction factors of high strength Q550 steel at elevated temperatures

圖7 高溫彈性模量折減系數(shù)比較Fig.7 Comparison of elastic modulus reductionfactors at elevated temperatures

圖8 高溫屈服強度折減系數(shù)比較Fig.8 Comparison of yield strength reduction factorsat elevated temperatures

結(jié)合表2和圖8可知，200 ℃時，屈服強度值相對于常溫值有一定程度增加；300 ℃時屈服強度值則與常溫結(jié)果相當；此后，隨著溫度升高，折減系數(shù)逐步減小.S460N和BISPLATE80屈服強度折減系數(shù)在300～800 ℃內(nèi)比本文試驗值偏大；當溫度低于500 ℃時，S690值小于Q550，600～800 ℃內(nèi)兩種鋼材折減系數(shù)接近.與Q550試驗值相比，CECS200規(guī)范值較為接近，EC3規(guī)范值相對偏大，而AS4100和ECCS規(guī)范值明顯偏小.

2.3.3極限強度

由表2可知，200～300 ℃內(nèi)，Q550鋼極限強度相較于常溫值有一定程度增加.400～800 ℃內(nèi)，極限強度折減系數(shù)隨溫度升高而減小，700 ℃后損失絕大部分強度.圖9顯示Q550鋼極限強度折減系數(shù)試驗值和部分學者[5-6, 10, 12, 14]的研究結(jié)果對比.其中，fu,T和fu,20分別為溫度T時和常溫時的極限強度.從圖中可以看出，300 ℃后，SM41、S460N、S690的極限強度折減系數(shù)曲線與本文高強鋼試驗值較接近.400～700 ℃內(nèi)，與Q550極限強度折減系數(shù)相比，BISPLATE80鋼試驗結(jié)果偏大，而RQT-S690鋼偏小.

圖9 極限強度折減系數(shù)比較Fig.9 Comparison of ultimate strengthreduction factors

2.3.4斷后伸長率

由表2可知，Q550鋼常溫斷后伸長率約為17%，體現(xiàn)常溫下具有較好的延性.溫度升高到200 ℃時，斷后伸長率出現(xiàn)了明顯下降，約為常溫值的85%，鋼材脆性增強.300～450 ℃內(nèi)斷后伸長率與常溫值相當.此后，隨溫度升高，斷后伸長率急劇增大.700 ℃后，斷后伸長率可達到常溫的5倍以上，表明鋼材在此溫度上具有極高的延性.

3 擬合公式

目前，對于評估鋼材高溫力學性能尚無標準方法，不同學者根據(jù)自身研究成果提出不同模型，但由上文分析可知，國產(chǎn)Q550高強鋼并不適用.為方便工程應(yīng)用，本文分別采用多項式和美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員提出的鋼材高溫通用材料模型[22-23]進行擬合.

3.1 彈性模量

多項式擬合公式為

ET/E20=-8.132×10-10T3-1.062×10-6T2+

3.167×10-4T+0.988 320 °C≤T≤800 °C

(1)

NIST通用材料模型擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(2)

彈性模量試驗值和模型擬合曲線對比如圖10所示.

圖10 彈性模量試驗值和擬合公式曲線比較Fig.10 Comparison between the proposed equationsand test data of elastic modulus

3.2 屈服強度

多項式擬合公式為

(3)

NIST通用材料模型擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(4)

屈服強度試驗值和模型擬合曲線對比如圖11所示.

圖11 屈服強度試驗值和擬合公式曲線比較Fig.11 Comparison between the proposed equationsand tests data of yield strength

3.3 極限強度

多項式擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(5)

NIST通用材料模型擬合公式為

20 °C≤T≤800 °C

(6)

極限強度試驗值和模型擬合曲線對比如圖12所示.

3.4 斷后伸長率

多項式擬合公式為

(7)

NIST通用材料模型擬合公式

20 °C≤T≤800 °C

(8)

式中，εu,T為溫度T時的斷后伸長率，εu,20為常溫時斷后伸長率.

斷后伸長率試驗值和模型擬合曲線對比如圖13所示.

圖12 極限強度試驗值和擬合公式曲線比較Fig.12 Comparison between the proposed equationsand tests data of ultimate strength

圖13 斷后伸長率試驗值和擬合公式曲線比較Fig.13 Comparison between the proposed equationsand tests data of elongation

3.5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

美國國家標準與技術(shù)研究院提出鋼材高溫通用材料模型來模擬高強鋼的高溫本構(gòu)關(guān)系，模型表達式如式9.此模型屈服前采用直線表示，屈服點后表達式為5參數(shù)(k1、k2、k3、k4、n)模型.本文利用此公式對Q550高強鋼高溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進行擬合，得到不同溫度的擬合參數(shù)值如表3所示.圖14將模型曲線與試驗所得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線對比.從圖中可以看出，模型曲線在彈性段和強化段擬合效果很好；高強鋼試驗曲線在屈服段呈現(xiàn)弧形，模型曲線在此區(qū)間內(nèi)近似兩直線變化，略高于試驗曲線.

(9)表3 Q550高強鋼通用材料模型擬合參數(shù)值Tab.3 Fitting parameters of generalmaterial model of Q550

圖14 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗曲線與通用模型曲線比較Fig.14 Comparison of the stress-strain curvesand the general model curves

4 結(jié)語

本文采用穩(wěn)態(tài)拉伸法對國產(chǎn)Q550高強鋼進行試驗研究，得到20～800 ℃鋼材的彈性模量、屈服強度、極限強度、斷后伸長率、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和試驗現(xiàn)象.通過試驗值與國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范以及相關(guān)高強鋼研究成果的對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有鋼材高溫性能參數(shù)模型對國產(chǎn)Q550高強鋼并不適用.因此，本文分別采用多項式模型和美國國家標準與技術(shù)研究院的鋼材高溫通用材料模型進行擬合，得到高溫下Q550鋼力學性能參數(shù)的數(shù)學模型，可用于應(yīng)用Q550鋼材的鋼結(jié)構(gòu)抗火安全評估與設(shè)計.

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