鋼結(jié)構(gòu)厚板力學(xué)性能的低溫試驗(yàn)研究

王元清，周 暉，胡宗文，石永久，陳 宏

(清華大學(xué)a.土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.建筑設(shè)計(jì)研究院，北京100084)

近年來，厚板鋼材在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。例如，國家體育場“鳥巢”采用了厚110mm 的 Q460E－Z35厚板[2]；央視新臺(tái)址大樓鋼結(jié)構(gòu)工程中大量選用Q390、Q420鋼材，厚度范圍在80～130mm[3]。由于對厚板鋼材的力學(xué)性能和焊接性能等缺乏足夠的認(rèn)識，鋼結(jié)構(gòu)厚板工程在焊接施工和使用過程中，出現(xiàn)了各種裂紋事故。如天津國貿(mào)中心工程的箱形柱在車間焊接完工后即出現(xiàn)了嚴(yán)重的層狀撕裂現(xiàn)象，造成3 000多t厚板鋼材的浪費(fèi)；重慶某高層鋼結(jié)構(gòu)酒店工程和上海某樞紐大廈工程也出現(xiàn)了類似的裂紋事故[4]。鋼板的冶煉、軋制工藝使厚板的Z向性能與軋制平面內(nèi)的性能存在著較大差異，軋制后鋼材內(nèi)部的非金屬夾雜物被壓成薄片狀而使厚板出現(xiàn)分層現(xiàn)象，使厚板的Z向受拉性能劣化[4]。隨著構(gòu)件板厚的增大，構(gòu)件中缺陷處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)由平面應(yīng)力向平面應(yīng)變轉(zhuǎn)變，發(fā)生脆性斷裂的傾向增加[5]。低溫下焊接施工或低溫下服役均容易引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂[6－7]，尤其是厚板焊接工程。

中國學(xué)者[8]曾對常溫下A3和16Mn厚板鋼材的材性參數(shù)進(jìn)行過分析研究，補(bǔ)充了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17－88)中厚板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。然而，有關(guān)厚板鋼材的低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏，厚度方向性能的研究則更少。中國冬季覆蓋的范圍很廣且部分地區(qū)長期處于低溫下，開展厚板鋼材低溫下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，對于防止鋼結(jié)構(gòu)厚板工程的低溫冷脆具有重要的意義。

本文采用圓棒拉伸試樣，對60、90、120、150mm 4種厚度的結(jié)構(gòu)用厚板鋼材Q345B的低溫力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試樣分為垂直鋼板軋制方向的橫向試樣和貫穿全厚度的Z向試樣。試驗(yàn)獲得了厚板鋼材的屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu和斷面收縮率ψ等性能指標(biāo)及其隨溫度和取樣位置的變化規(guī)律；同時(shí)測得了4種厚度鋼板Z向性能的相應(yīng)指標(biāo)；為厚板鋼材積累了豐富的低溫力學(xué)性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)依據(jù)與目的

試驗(yàn)根據(jù)《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB／T 228—2002)和《金屬材料 低溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB／T 13239—2006)以及《厚度方向性能鋼板》(GB 5313—85)等規(guī)范，在＋20、0、－20、－40、－60℃5個(gè)溫度點(diǎn)下對結(jié)構(gòu)鋼材Q345B的厚板(t＝60、90、120、150mm 4種厚度)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)測量每個(gè)試樣的屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu和斷面收縮率Ψ等性能指標(biāo)，得到各項(xiàng)指標(biāo)隨鋼板厚度、取樣位置以及溫度的變化規(guī)律，并測得4種厚度鋼板Z向性能的相應(yīng)指標(biāo)，為工程設(shè)計(jì)提供材性數(shù)據(jù)。

1.2 試樣材料與尺寸

試驗(yàn)選用首鋼生產(chǎn)的建筑結(jié)構(gòu)用厚板鋼材Q345B，厚度規(guī)格有60、90、120、150mm 4種，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q345B厚板的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%)

拉伸試樣分為垂直軋制方向的橫向試樣和貫穿厚度方向的Z向試樣2類，試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸

為研究厚板的力學(xué)性能隨厚度位置的變化規(guī)律，在鋼板不同的厚度位置進(jìn)行了取樣，如圖2(a)、(b)所示；為研究厚板Z向性能與軋制平面內(nèi)性能的差異，對厚板進(jìn)行了貫穿全厚度方向的取樣，如圖2(c)所示。試驗(yàn)分組情況如表2所示，共包括156個(gè)橫向試樣和60個(gè)Z向拉伸試樣。

圖2 拉伸試樣的取樣位置

表2 常規(guī)拉伸和Z向拉伸試驗(yàn)的分組情況

1.3 試驗(yàn)設(shè)備與注意事項(xiàng)

試驗(yàn)在清華大學(xué)航空航天學(xué)院力學(xué)系強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室擁有全套進(jìn)行低溫試驗(yàn)的設(shè)備，如圖3所示。試驗(yàn)中試樣由空氣和液氮的混合氣體進(jìn)行冷卻，并由溫度傳感器、控制器、伺服閥等組成的溫度調(diào)節(jié)裝置控制保溫箱內(nèi)的溫度保持在某一溫度預(yù)設(shè)值，精度在±1℃。

圖3 低溫拉伸試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)過程中應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

1)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)保證試樣軸心受拉，保持勻速加載，速率為1mm／min。

2)試驗(yàn)從高溫到低溫進(jìn)行，多試樣同時(shí)在低溫箱內(nèi)冷卻，提高試驗(yàn)效率。

3)冷卻試樣的時(shí)間不少于15min，且在拉伸過程中保溫箱內(nèi)的溫度不能偏離預(yù)設(shè)值±2℃。

4)試樣破壞前荷載與位移的完整曲線由自動(dòng)記錄儀得到。

2 常規(guī)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同厚度鋼板的力學(xué)性能隨溫度的變化

《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》(GB／T 2975—1998)規(guī)定，對于厚度大于50mm的鋼板，取樣位置為距表面1／4厚度處。因此，將板厚1／4位置的拉伸試樣試驗(yàn)值作為厚板整體力學(xué)性能的代表值。4種厚度鋼板的基本力學(xué)性能指標(biāo)(屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu和斷面收縮率Ψ)隨溫度的變化關(guān)系如圖4所示(數(shù)值為3個(gè)試樣試驗(yàn)的平均值)。

圖4 不同厚度鋼板力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度的變化

1)由圖4(a)和(b)可見，4種厚度鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著溫度的降低而提高，由20～－60℃，增幅分別達(dá)9.2%～12.5%和6.5%～9.8%；屈強(qiáng)比隨溫度的降低，略有增大的趨勢。

2)由圖4(c)可見，反映鋼材塑性的斷面收縮率指標(biāo)隨著溫度的降低而降低，即塑性變差；同一溫度點(diǎn)下，斷面收縮率隨鋼板厚度的增加而減小，如20℃時(shí)，60、90、120、150mm 厚鋼板的斷面收縮率依次為67.3%、66.6%、65.2%、64%。

2.2 不同厚度鋼板的力學(xué)性能隨取樣位置的變化

為研究厚板力學(xué)性能沿厚度方向不同位置的差異性，按圖2所示，對厚板進(jìn)行了不同厚度位置的取樣，并在20℃～－40℃2個(gè)溫度點(diǎn)下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。基本力學(xué)性能指標(biāo)如圖5所示。

圖5 不同厚度鋼板力學(xué)性能隨取樣位置的變化

1)如圖5(a)、(b)，厚板的屈服強(qiáng)度從鋼板表面至中心處呈下降的趨勢，90mm和150mm厚板的這種趨勢較為明顯。如20℃時(shí)，90mm鋼板屈服強(qiáng)度從表面的396.8MPa減小至中心的359MPa，降幅為9.5%；150mm鋼板屈服強(qiáng)度由表面的398.4MPa減小至中心的373.4MPa，降幅為6.3%。

2)如圖5(c)、(d)，厚板的抗拉強(qiáng)度沿厚度位置的變化規(guī)律與屈服強(qiáng)度的規(guī)律并不一致，如厚度為60mm的鋼板，中心位置的抗拉強(qiáng)度比表面處大。

3)如圖5(e)、(f)，厚板的斷面收縮率指標(biāo)從鋼板表面至中心處呈下降的趨勢，降幅在2.3%～4.1%左右，90mm和150mm厚板的降幅更明顯。

4)屈服強(qiáng)度和斷面收縮率指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果，一定程度上反映了厚板中心的材性比表面處略差。

2.3 150mm厚板力學(xué)性能隨溫度及取樣位置的變化

對150mm厚板的力學(xué)性能做進(jìn)一步分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7，分別以溫度和取樣位置為橫坐標(biāo)。由圖6可見，不同厚度位置試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨溫度的降低而提高，而斷面收縮率減小。由圖7可見，相同溫度下，厚板從表面至中心位置，屈服強(qiáng)度和斷面收縮率不斷減小，而抗拉強(qiáng)度隨取樣位置的變化無明顯規(guī)律。

2.4 強(qiáng)度指標(biāo)隨溫度變化關(guān)系的擬合

大量研究結(jié)果表明，鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系可用以下簡化公式表示[7，9]：

圖6 150mm厚板不同取樣位置的力學(xué)性能隨溫度的變化

圖7 150mm厚板不同溫度下力學(xué)性能隨取樣位置的變化

式中：fy(T)、fy(T′)和fu(T)、fu(T′)分別為溫度T和T′下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；qs和qb分別為屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的溫度敏感系數(shù)(1／℃)。

圖8 60mm厚板屈服強(qiáng)度隨溫度的變化曲線擬合

以T′＝20℃下的強(qiáng)度指標(biāo)為參考，對60、90、120、150mm厚鋼板1／4厚度位置的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度變化的曲線進(jìn)行擬合(每個(gè)溫度點(diǎn)含3個(gè)試樣的試驗(yàn)值)，其中60mm厚鋼板屈服強(qiáng)度隨溫度的變化曲線擬合結(jié)果如圖8所示，類似地，其他擬合參數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 厚板強(qiáng)度指標(biāo)的溫度敏感系數(shù)擬合結(jié)果

3 Z向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

厚板Z向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 厚板Z向性能隨溫度的變化規(guī)律

對4種厚度鋼板Z向試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線進(jìn)行了擬合，參數(shù)結(jié)果如表4。

表4 厚板Z向強(qiáng)度指標(biāo)的溫度敏感系數(shù)擬合結(jié)果

1)如圖9(a)、(b)，厚板Z向拉伸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨溫度的降低而提高，從20～－60℃，增幅分別達(dá)8.4%～12.2%和7.5%～10.5%。

2)如圖9(c)，Z向斷面收縮率隨溫度的降低而減小，從20～－60℃，降幅達(dá)2.4%～4.2%；相同溫度下斷面收縮率隨板厚的增加而減小，從60～150mm，降幅達(dá)4.5%～8.4%。

3)厚板Z向斷面收縮率是評價(jià)其抗層狀撕裂性能的指標(biāo)，Z向斷面收縮率越大則抗層狀撕裂性能越好，試驗(yàn)結(jié)果表明厚板抗層狀撕裂性能隨溫度的降低和板厚的增加而變差。

4 結(jié) 論

1)從20～－60℃，厚板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，對于橫向試樣最大增幅分別為12.5%和9.8%；對于Z向試樣最大增幅分別為12.2%和10.5%。

2)從20～－60℃，厚板的斷面收縮率隨溫度的降低而減小，對于橫向試樣和Z向試樣，最大降幅分別為4.8%和4.2%；從60～150mm，斷面收縮率隨板厚的增加而降低，對于橫向試樣和Z向試樣，最大降幅分別為5.5%和8.4%；Z向試樣的斷面收縮率略小于橫向試樣的2.0%～6.3%。

3)從鋼板表面至中心，屈服強(qiáng)度和斷面收縮率逐漸降低，最大降幅分別為9.5%和4.1%；表明厚板的力學(xué)性能在不同厚度位置上存在著差異，厚度中心的材質(zhì)較差。

4)論文積累了豐富的厚板低溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)，特別是Z向拉伸的材性數(shù)據(jù)，可為鋼結(jié)構(gòu)厚板工程的設(shè)計(jì)、施工提供有益參考。

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