高溫后高強度鋼的力學性能試驗

(浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310023)

高強度冷彎型鋼具有自重輕、強度高、延性好和工業化生產強度高等優點，同時也存在耐熱不耐火的缺陷。因此，如何在規避缺點的同時將鋼結構廣泛地應用到實際工程中，是鋼結構發展中亟待解決的問題。在實際工程中，火災是無法預測和規避的常見災難。火災后，通過估算主要承重構件的殘余強度，可以判斷結構是否需要拆除、修理或重建。因此，研究高溫后高強度冷彎型鋼的力學性能具有十分重要的意義。迄今為止，眾多學者對歷經火災后鋼材的力學性能進行了不同程度的研究。丁發興等[1]開展了高溫后Q235鋼材的力學性能試驗，結果表明，鋼材的屈服強度及極限強度隨溫度的升高而減小，而彈性模量和泊松比不變。Qiang等[2-3]對高溫后高強度S460、S690和S960鋼材的力學性能進行了試驗研究，試驗表明，高溫后不同強度鋼材的力學性能衰減程度有較大差別，鋼材強度越高，衰減程度越大。Gunalan等[4]對三種不同強度不同厚度的鋼材試件(G300-1.00 mm，G500-1.15 mm和G550-0.95 mm)開展了高溫后力學性能試驗，研究表明，鋼種對鋼材的屈服強度和彈性模量有影響，而厚度對其影響甚微。張有桔等[5-7]分別對高溫后普通Q235鋼材、高強度Q460鋼材和高強度Q690鋼材在自然冷卻和浸水冷卻兩種冷卻條件下的力學性能開展了試驗研究，研究表明，冷卻方式對鋼材的力學性能影響顯著。Chen等[8]對高溫后不同強度的鋼拉桿在空氣冷卻和水冷卻兩種冷卻條件下的力學性能進行了試驗研究，結果表明，鋼拉桿等級和冷卻方式均對高溫后鋼材力學性能有顯著影響。Lu等[9]對高溫后熱軋和冷彎型鋼進行了力學試驗研究，對比分析了不同型號的熱軋鋼及不同形狀的冷彎型鋼經高溫冷卻后力學性能的差異。Kesawan等[10-11]對高溫后矩形和方形空心型材的力學性能以及高溫下LSB型材的力學性能進行了試驗研究，試驗表明，歷經火災后空心型材與普通型材力學性能折減有差異；LSB型材中不同位置(腹板、翼緣等)的鋼材高溫后力學性能折減程度也不同。

火災發生時，通常會使用噴水滅火，但當發生一般B類火災(如油制品、油脂等發生火災)時，無法使用噴水滅火而需要使用泡沫滅火。因此，研究泡沫冷卻對高溫后冷彎型鋼力學性能的影響具有十分重要的現實意義。雖然眾多學者對高溫后冷彎型鋼力學性能進行了不同程度的研究，但是不同強度不同冷卻方式對高溫后冷彎型鋼的力學性能仍可能有不同的影響，而目前鮮有學者研究高溫后泡沫冷卻條件下高強度G450鋼的力學性能。基于以上所述，筆者對高強度G450鋼開展了高溫力學性能試驗，將高強度G450鋼試件高溫加熱至200～800℃后，采用泡沫冷卻方式冷卻至室溫，再進行力學拉伸試驗，獲得應力—應變曲線、彈性模量、屈服強度和極限強度，考慮不同溫度對高強度G450鋼力學性能的影響，提出力學參數預測方程，以評估高溫泡沫冷卻后高強度G450鋼的殘余力學性能。

1 試驗概況

1.1 試件尺寸

試件采用高強度G450鋼材薄板切割而成，表面鍍鋅，厚度為1.5 mm，試件的尺寸根據GB/T 228—2010[12]的規范要求確定。試件詳細尺寸見圖1。

圖1 試件尺寸(單位：mm)Fig.1 Dimension of specimen(size: mm)

1.2 試驗方案

本試驗設置7 個溫度組，每個溫度設置A，B兩組對照組，分別將試件加熱至200，300，400，500，600，700，800 ℃，達到設定溫度后，將試樣保溫20 min后取出，使其均勻受熱，再使用泡沫冷卻方式進行冷卻，升溫曲線見圖2。通過試驗，得到高強度G450鋼應力—應變曲線、彈性模量、屈服強度及極限強度。試件加熱裝置采用萬能試驗機高溫加熱爐，拉伸試驗采用美國Instron英斯特朗萬能試驗機加載，試驗設備見圖3。拉伸試驗按照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[12]進行。

圖2 升溫曲線Fig.2 Temperature-time curve

圖3 試驗設備Fig.3 Test equipment

2 試驗結果及分析

2.1 表觀特征

試件經高溫冷卻后因氧化程度不同，其表觀會發生不同程度的變化。經200～300 ℃加熱冷卻后，表觀無明顯變化；高溫加熱至400 ℃冷卻后，試件表面出現氧化痕跡，試件表面泛黃，出現白色裂紋，表皮因氧化銹蝕而有脫落現象；高溫加熱至500～600 ℃冷卻后，試件表面出現塊狀剝落，并且出現氣孔，表面顏色泛黑。高溫加熱至700 ℃以上冷卻后，試件表面呈現塊狀紅色和藍色，試件表皮基本完全剝落。由圖4可知：隨著溫度升高，試件表面泛黑越來越嚴重。觀察試件的表觀特征，能夠初步判斷鋼材的受火情況，初步推測鋼材是否能夠繼續使用。

1—200 ℃；2—300 ℃；3—400 ℃；4—500 ℃；5—600 ℃；6—700 ℃；7—800 ℃。圖4 試件表觀特征Fig.4 Appearance characteristics of the test piece

2.2 彈性模量

彈性模量為構件應力—應變曲線的初始斜率。為保證數據的準確性，去除明顯偏離正常值的數值，取A，B兩組彈性模量的平均值。彈性模量的折減系數即高溫冷卻后的彈性模量(ET)與環境溫度下的彈性模量(E)之比，折減系數可以表示高溫后鋼材試件彈性模量的劣化程度。高溫冷卻后的彈性模量見表1，彈性模量折減系數隨溫度變化規律見圖5。

表1 高溫冷卻后高強度G450鋼力學參數值Table 1 Mechanical parameters of high-strength G450 steel after cooling from high temperature

圖5 各項力學參數折減系數Fig.5 Reduction factors of mechanical parameters

2.3 屈服強度

對于無明顯屈服的金屬材料，規范規定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服強度。為了將試驗數據進行對比，無論是否有屈服平臺，本試驗取應力—應變曲線和0.2%應變的比例線交點作為屈服強度。屈服強度的折減系數，即高溫冷卻后的屈服強度(fy.T)與環境溫度下的屈服強度(fy)之比。高溫冷卻后的屈服強度見表1，屈服強度折減系數隨溫度變化規律見圖5。

2.4 極限強度

將試件進行拉伸直至其頸縮，得到其極限強度。極限強度的折減系數即鋼材高溫冷卻后的極限強度(fu.T)與環境溫度下的極限強度(fu)之比。高溫冷卻后的極限強度見表1，極限強度折減系數隨溫度變化規律見圖5。

從圖5中可以發現：升溫至20～300 ℃后冷卻，高強度G450鋼的彈性模量、屈服強度及極限強度隨溫度升高而小幅增大。高溫加熱至300 ℃以上，各項力學參數隨溫度的升高呈大幅減小趨勢，即高溫加熱至300 ℃后冷卻，高強度G450鋼具有最大的彈性模量、屈服強度及極限強度。此外，高強度G450鋼經高溫加熱冷卻后至少可恢復原彈性模量的83.1%，恢復原屈服強度的54.3%，恢復原極限強度的62.8%。

3 不同冷卻條件下G450鋼力學性能的對比分析

為了研究不同冷卻方式對高溫冷卻后高強度G450鋼力學性能的影響，將高強度G450鋼經高溫泡沫冷卻后的力學性能試驗結果與文獻[10]中高強度G450鋼經高溫空氣冷卻后的力學性能試驗結果進行對比分析。彈性模量折減系數、屈服強度折減系數及極限強度折減系數對比結果如圖6所示。

圖6 不同冷卻條件下各力學參數折減系數對比圖Fig.6 Comparison of reduction factors of mechanical parameters under different cooling methods

由圖6可知：不同冷卻條件下高強度G450鋼各力學參數折減系數隨溫度整體變化趨勢基本相似。由于文獻[10]中缺少20～400 ℃溫度段的數據，因此筆者只對400～800 ℃溫度段的數據進行對比分析。由圖6(a)可知：除600 ℃外，泡沫冷卻條件下彈性模量折減系數略大于空氣冷卻條件下彈性模量折減系數。由圖6(b，c)可知：高強度G450鋼升溫至400～800 ℃后冷卻，不同冷卻條件下屈服強度折減系數和極限強度折減系數隨溫度的升高均逐漸減小，且泡沫冷卻條件下的屈服強度折減系數和極限強度折減系數均小于空氣冷卻條件下的屈服強度折減系數和極限強度折減系數。

綜上所述，不同冷卻條件下高強度G450鋼各力學參數折減系數隨溫度變化規律不盡相同，因此需要提出不同的預測方程來評估火災后不同冷卻條件下高強度G450的力學性能。

4 高溫后鋼材力學性能預測方程

為了預測火災后鋼材殘余力學性能，對火災后泡沫冷卻的鋼結構性能進行評估，筆者對高溫冷卻后所得各力學參數進行回歸分析，利用最小二乘法擬合測定值，提出歷經不同溫度后高強度G450鋼各力學參數的簡化公式。

由試驗結果可知：經高溫冷卻后的高強度G450鋼，其彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數在20～300 ℃隨溫度升高而小幅增大，300～800 ℃隨溫度升高而大幅減小。因此，采用兩段公式擬合試驗結果，可以得到更為吻合的擬合方程。方程擬合結果與試驗實測結果對比見圖7，由圖7可看出方程擬合結果與試驗實測結果基本吻合。

圖7 方程預測與實測數據對比圖Fig.7 Comparison between prediction equation and test data

4.1 彈性模量折減系數簡化預測方程

彈性模量折減系數簡化預測方程為

(1)

(2)

4.2 屈服強度折減系數簡化預測方程

屈服強度折減系數簡化預測方程為

(3)

(4)

4.3 極限強度折減系數簡化預測方程

極限強度折減系數簡化預測方程為

(5)

(6)

式中T為溫度。

5 結 論

高強度G450鋼加熱至不同溫度冷卻后會有不同的表觀特征，可通過觀察其表觀特征初步判斷鋼材受火情況。通過數據分析，高強度G450鋼的彈性模量、屈服強度、極限強度隨溫度的升高先小幅增大后大幅減小，高溫加熱至300 ℃后冷卻，鋼材的彈性模量、屈服強度、極限強度等各項力學參數達到最大值，隨后，隨溫度的升高而逐漸減小。基于試驗結果和對比分析，提出了鋼材經高溫泡沫冷卻后所得力學參數的預測方程，將方程擬合結果與試驗實測結果進行對比，兩者基本吻合。