橋梁耐候鋼Q345qDNH高溫力學性能試驗研究

劉未欽，劉禹堯，劉 鵬，強 斌，姚昌榮，李亞東

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

鋼材由于其強度高、塑性好、施工方便、污染小等特點，在橋梁工程領域得到廣泛應用。隨著橋梁技術的不斷變革和緩解鋼材產能過剩的需求不斷被提出，鋼橋將成為我國橋梁工程的重要發展方向[1]。然而，鋼結構橋梁也面臨著各種環境的考驗，其中大氣腐蝕是鋼橋結構中較為嚴重的病害。耐候鋼的出現很大程度上解決了這個問題，其耐大氣腐蝕性能為普通碳素鋼的2～8倍[2]，且使用時間愈長，耐蝕作用愈突出。耐候鋼在美國、加拿大、日本等國的橋梁中已有成熟的應用，近年來，高性能耐候鋼也引起國內橋梁設計人員高度重視，并陸續建設了一些示范工程。

鋼材的耐火性較差，高溫下鋼材的力學性能會發生明顯的下降，近年來橋梁火災事故層出不窮，一場嚴重的火災可能會導致橋梁破壞甚至倒塌，美國紐約州交通部在2008年進行的一項全國性調查顯示，因火災而倒塌的橋梁幾乎是地震的三倍[3]。如，2016年9月美國賓夕法尼亞州的自由大橋在重建施工時發生火災，火災產生巨大的熱量造成鋼桁梁下弦桿嚴重變形；2020年7月，美國亞利桑那州的鹽河聯合太平洋大橋一列貨運列車脫軌并引發大火，導致橋梁部分坍塌。

了解橋梁耐候鋼的高溫力學性能，是進行耐候鋼橋防火設計的理論前提。國內外學者針對鋼材的高溫力學性能展開一系列的研究，并提出相應的本構模型。1996年，趙金城等[4]提出一種高溫鋼結構材性模型，該模型為由4參數確定的三折線模型。2001年，李國強等[5]針對Q345鋼進行試驗研究，并利用試驗數據擬合Q345鋼高溫下力學性能參數模型。2003年，余志武等[6]針對高溫后鋼管高性能混凝土軸壓短柱力學性能開展相關研究，建立相應材料的應力-應變關系曲線計算公式及力學性能參數的經驗計算公式。2006年，溫東輝等[7]對耐火鋼B490RNQ進行高溫力學試驗，基于試驗數據建立可用于計算分析的等向強化理想彈塑性高溫材性模型。2009年，徐義波等[8]針對國產Q345D鋼進行高溫力學性能的試驗研究，通過回歸分析給出Q345D力學性能隨溫度變化的規律。2011年，胡輝等[9]對熱回復過程高強耐候鋼Q450NQR1的高溫力學性能進行研究，得出鋼材的強度、高溫塑性模量等變化規律和熱塑性曲線。同時，中國CECS200—2006《建筑鋼結構防火技術規范》[10]也給出高溫下鋼材力學性能參數取值建議。ECCS[11]和EN 1993-1-2《Eurocode 3:Design of Steel Structures—Part 1-2: General Rules—Structural Fire Design》[12]、美國AISC306-05《Specification for Structural Steel Buildings》[13]以及澳大利亞AS4100—1998《Australian Standards.Steel Structure》[14]等都給出材料高溫力學性能模型。

我國耐候鋼橋的設計應用尚處于初級階段，相關耐候鋼高溫力學性能參數匱乏；合金元素的添加會對耐候鋼高溫力學性能產生影響，不宜簡單套用其他鋼種的高溫力學性能參數。基于此，本文針對國產橋梁耐候鋼Q345qDNH開展8種不同溫度下(20～700 ℃)的試驗研究，得到主要力學性能參量和應力-應變曲線的演化規律。

1 高溫試驗

1.1 試驗材料

試驗采用國產橋梁耐候鋼Q345qDNH，滿足GB/T714—2015《橋梁結構用鋼》[15]要求，其化學成分見表1。與普通橋梁鋼Q345qD(化學成分見表1)相比，耐候鋼主要是添加了較多的Ni、Cr、Cu等合金元素。不同的合金元素含量，會使耐候鋼力學性能及抗腐蝕性能與普通鋼有明顯差異。

表1 橋梁用鋼化學成分質量分數表 %

1.2 試驗準備

Q345qDNH鋼高溫力學性能試驗在MTS370電液伺服材料試驗機上進行。該試驗機最大額定荷載為100 kN，加載行程為±75 mm，加載速度最大可達50 mm/s。加熱爐采用MTS653高溫爐，工作范圍為100～900 ℃，高溫爐采用上、中、下三段加溫，均溫帶長度為100 mm。采用MTS632接觸式引伸計進行變形測量。

高溫拉伸試驗采用啞鈴狀圓棒試樣，其幾何尺寸見圖1，試樣總長為93.3 mm，標距段長為15 mm，直徑為6 mm；過渡段采用圓弧光滑過渡，長度為9.2 mm；試樣兩端為加工長度30 mm的M10螺紋，通過轉換接頭與試驗機連接。

圖1 試驗試樣尺寸(單位：mm)

1.3 試驗過程

試驗溫度分別為20(室溫)、100、200、300、400、500、600、700 ℃，根據不同溫度對應設計8種不同工況。采用穩態試驗方法，升溫速率為10 ℃/min，達到目標溫度后保溫15 min，以保證試樣表面和內部溫度一致。其后以0.02 mm/s的加載速率進行拉伸直至斷裂，采樣間隔為0.05 s。為研究高溫對材料力學性能退化的影響，設置了室溫(20 ℃)對照試驗工況。

1.4 試驗現象

試驗中各溫度水平下Q345qDNH試樣破壞狀況及斷口形貌見圖2。由圖2可見，試樣的斷裂位置均位于標距段，并出現明顯的頸縮現象。常溫試樣表面呈銀白色，有明顯的金屬光澤，斷口形狀呈杯狀，斷口截面呈淺灰色；100 ℃時試樣表面略微泛黃，有金屬光澤，斷口形狀呈杯狀，斷口截面呈灰色；200 ℃時試樣表面呈金黃色，斷口形狀呈杯狀，端口尺寸略微變小，斷口截面呈灰色；300～400 ℃時試樣表面為墨綠色，金屬光澤逐漸黯淡，斷口形狀呈杯狀，斷口尺寸明顯變小，斷口截面呈灰黑色；500～700 ℃時試樣表面逐漸變黑，金屬光澤完全褪去，斷口形狀錐狀化加劇呈錐形杯狀，斷口截面呈灰黑色。試樣表面顏色變化主要是由于鋼材在高溫氧化反應后產生不同的產物，如氧化鐵等；隨著溫度逐漸升高，試樣表面層逐漸變成黑色甚至脫落。斷口形貌不同主要是由于隨著溫度的升高，耐候鋼的延性提高，韌性破壞的特征更加明顯。

圖2 各溫度水平下試樣破壞狀態及斷面形貌

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線

各溫度水平下耐候鋼Q345qDNH在8種不同溫度下的應力-應變全過程曲線見圖3。由圖3可知，曲線大致分為三個階段：彈性段、硬化段以及軟化段。在20～300 ℃時存在明顯屈服平臺，400 ℃后屈服平臺消失；隨著溫度的升高，曲線整體趨于平緩，彈性段和強化段范圍也逐漸縮短，斷裂應變和斷后伸長率逐漸提高；在600～700 ℃時，硬化段縮短，此時軟化速率大于硬化速率，曲線主要表現為彈性段和軟化段。室溫應力-應變曲線中硬化段較長，主要是由于在拉伸過程中材料發生塑性變形，加工硬化不斷累積導致曲線非線性增長；高溫應力-應變曲線中硬化段逐漸縮短，是因為在拉伸過程中除了存在塑性硬化，同時還伴隨著材料回復和再結晶的發生，使得應力被不斷釋放，曲線下降。

圖3 各溫度水平下的應力-應變曲線

2.2 力學性能參數

高溫下材料力學性能指標為結構防火設計提供重要的數據和理論支撐。為準確描述橋梁耐候鋼Q345qDNH的高溫力學性能，對屈服強度fu,θ、彈性模量Ep,θ、極限強度fpt,θ、斷后伸長率Aθ四個參數高溫折減系數展開進一步分析。Q345qDNH高溫力學性能參數及折減系數見表2，其中400 ℃之后的屈服強度取應變水平為0.005時的名義屈服強度。

表2 Q345qDNH橋梁耐候鋼高溫力學性能參數值及折減系數

2.2.1 屈服強度

目前鋼材高溫下屈服強度的取值沒有統一標準，通常采用較常溫更大應變所對應的強度值作為名義屈服強度。CECS 200—2006[10]和EN 1993-1-2—2005[12]規定名義屈服強度分別取0.01和0.02應變對應的強度值。文獻[11]規定:當溫度大于400 ℃時，取0.005應變水平下的強度值；當溫度低于400 ℃時，則在0.002(20 ℃時)和0.005應變之間線性差值。AS 4100—1998[14]對屈服強度的應變水平沒有具體規定。耐候鋼Q345qDNH在20～300 ℃時屈服平臺較為明顯，在大于400 ℃時屈服平臺消失。因此，對400 ℃之后的Q345qDNH鋼分別取0.002、0.005、0.010、0.015、0.020應變對應的屈服強度(f0.002,θ、f0.005,θ、f0.010,θ、f0.015,θ、f0.020,θ)來進行對比分析。

Q345qDNH 5種名義屈服強度折減系數隨溫度的演化對比見圖4。

圖4 Q345qDNH名義屈服強度折減系數對比

由圖4可見，Q345qDNH鋼400 ℃后5種名義屈服強度均隨著溫度升高而減小；各名義屈服強度值在溫度400～500 ℃時差異較大，在溫度500～700 ℃時差距逐漸縮小。相同溫度下名義屈服強度值隨應變取值的提高而提高，在溫度600 ℃時名義屈服強度折減系數f0.005、f0.010、f0.015、f0.020較為接近，均高于f0.002；在溫度700 ℃時，名義屈服強度折減系數f0.002、f0.005、f0.010、f0.015、f0.020幾乎重合。

應變為0.002、0.005、0.010時，Q345qDNH與Q345鋼名義屈服強度折減系數對比見圖5。由圖5可見，Q345qDNH鋼和Q345鋼的3種名義屈服強度折減系數演化規律相近。相同溫度下，Q345qDNH和Q345在溫度20～300 ℃時均存在明顯的屈服平臺，屈服強度折減系數較為接近；在溫度400 ℃時，Q345qDNH和Q345的f0.002值基本接近，而f0.005和f0.010值，Q345qDNH均高于Q345；在溫度400 ℃之后，耐候鋼Q345qDNH 名義屈服強度折減系數f0.002、f0.005、f0.010均高于普通鋼Q345。隨著溫度的升高，Q345qDNH屈服強度退化速率減緩，相較于普通鋼Q345其性能較優。

圖5 Q345qDNH和Q345名義屈服強度折減系數對比

Q345qDNH高溫屈服強度折減系數與部分規范中的材料模型和文獻[5,8]中的試驗結果對比見圖6。Q345qDNH在溫度400 ℃之后選用名義屈服強度f0.005用于計算屈服強度折減系數。

圖6 高溫屈服強度折減系數比較

由圖6可見，Q345qDNH屈服強度折減系數隨著溫度的升高不斷減少，在溫度20～200 ℃時下降較快，在溫度200～400 ℃時趨于平緩，在溫度400 ℃之后下降速率再次加快。與規范進行對比可見，Q345qDNH試驗值整體低于文獻[10，12-13]規范值，但高于文獻[11]規范值。在溫度20～200 ℃時Q345qDNH試驗值與文獻[11]規范值較為接近，在溫度500 ℃之后，Q345qDNH試驗值與文獻[10，12-13]規范值較為接近。徐義波等[8]測定的Q345D試驗值在溫度500 ℃之后和本文測定的Q345qDNH試驗值相近，兩者均高于Q345的屈服強度折減系數試驗值。

2.2.2 彈性模量

Q345qDNH鋼彈性模量折減系數與已有研究結果[5，8]對比見圖7。

圖7 高溫彈性模量折減系數比較

由圖7可見，規范和文獻中給出的彈性模量折減系數離散性較大；Q345qDNH鋼彈性模量折減系數隨溫度的升高不斷減小，且減小速率不斷加快。與規范對比可見，Q345qDNH試驗值均高于文獻[10-14]規范值。所以采用上述5種規范推薦值來評價Q345qDNH的彈性模量折減系數是偏于安全的。李國強等[5]測定的Q345試驗值與本文Q345qDNH試驗值相近，均高于徐義波等[8]測定的Q345D試驗值，Q345qDNH與Q345彈性模量性能基本相同。

2.2.3 極限強度

Q345qDNH極限強度折減系數與已有研究[5，8，16]對比結果見圖8。

圖8 極限強度折減系數比較

由圖8可見，Q345qDNH鋼極限強度折減系數在溫度20～400 ℃時有輕微波動；在溫度300 ℃時出現峰值，其數值略高于常溫值；在溫度400 ℃后快速下降。Q345qDNH試驗值與文獻[13]規范值較為接近，因此可用AISC推薦值來近似表征Q345qDNH的極限強度折減系數。與李國強等[5]測定的Q345和徐義波等[8]測定的Q345D值對比，三者隨溫度的變化規律基本一致，但是Q345qDNH試驗值在全溫度范圍內均高于Q345和Q345D試驗值，在溫度400～500 ℃時差異更為明顯。國外學者針對50級(345 MPa)A588鋼[17]、A242鋼[18]進行試驗研究。由圖8可見,Q345qDNH試驗值與A242耐候鋼試驗值相近，高于A588耐候鋼試驗值，而A588耐候鋼試驗值與Q345、Q345D試驗值基本一致。

2.2.4 斷后伸長率

Q345qDNH鋼斷后伸長率折減系數與已有Q345[5]試驗結果對比見圖9。由圖9可見，Q345qDNH斷后伸長率折減系數曲線在溫度20～200 ℃時持續下降；在溫度200 ℃時達到最小值(為常溫的0.74倍)；在溫度200 ℃之后斷后伸長率折減系數非線性增長，且增長率不斷增加；在溫度700 ℃時斷后伸長率為常溫的2倍多，表現出良好的延性。與李國強等[5]測定的Q345試驗值相比，二者隨溫度的演化趨勢基本一致：僅在溫度400～600 ℃時，Q345qDNH試驗值明顯高于Q345試驗值。

圖9 斷后伸長率折減系數比較

3 公式擬合

3.1 力學性能參數擬合

綜上所述，Q345qDNH鋼高溫力學性能與已有研究結果存在明顯差異。為提高抗火設計的便利性和準確性，基于試驗數據，采用多項式進一步擬合Q345qDNH鋼高溫力學性能折減系數公式，各公式的回歸系數在0.956～0.997之間，擬合精度較高。式中fu,20、Ep,20、fpt,20、A20分別表示對應變量為20 ℃時的值。

屈服強度折減系數多項式擬合式為

(1)

彈性模量折減系數多項式擬合式為

2.21×10-4θ+1 20 ℃≤θ≤700 ℃

(2)

極限強度折減系數多項式擬合公式為

2.668×10-5θ2-3.804×10-3θ+1.085

20 ℃≤θ≤700 ℃

(3)

斷后伸長率折減系數多項式擬合式為

(4)

3.2 應力-應變曲線擬合

為方便工程應用，已有文獻中給出了結構鋼高溫應力-應變曲線的近似模型：美國的鋼材高溫通用模型[19]、ECCS[11]三折線模型、EC3[12]模型、AS4100[14]理想彈塑性模型等。但這些模型都沒有考慮鋼材的強化階段，其中EC3[12]模型在屈服階段后考慮極限應變到斷裂應變的下降段。為真實反映國產橋梁耐候鋼高溫應力-應變曲線的演化特征，文中參考EC3模型分段建立考慮屈服平臺及應力強化的耐候鋼高溫材性模型，主要分為：彈性階段、彈性極限到屈服應變的過渡階段、屈服階段、屈服應變到極限應變的強化階段、極限應變到斷裂應變的下降階段。其中比例極限為εpp,θ，屈服應變開始值為εub,θ，屈服應變結束值為εue,θ，極限應變為εpt,θ、斷裂應變為εpu,θ，分段形式見圖10。

圖10 應力應變曲線分段擬合示意圖

Q345qDNH鋼在溫度20～300 ℃時有明顯的屈服平臺，在溫度400 ℃之后沒有明顯的屈服平臺。因此在應力-應變曲線模型擬合時，以溫度300 ℃為分界點，對擬合多項式進行分段處理，應力σ的表達式為

(1)當20 ℃≤θ≤300 ℃時

(5)

(2)當300 ℃<θ≤700 ℃時

(6)

式中：a1、a2、a3、a4；b1、b2、b3、b4；c1、c2、c3、c4；d1、d2、d3；f1、f2、f3、f4、f5；P1、P2、P3、P4均為擬合系數，具體擬合值見表3，表中各式回歸系數為1。

表3 分段擬合系數匯總表

上述高溫應力-應變關系模型考慮國產橋梁耐候鋼應力-應變曲線多階段、全過程的真實演化規律，實際使用時可按需選取所關注階段，方便應用于實際結構遭遇火災時的力學性能模擬。

4 結論

本文針對國產耐候鋼Q345qDNH開展高溫力學性能試驗，研究8種不同溫度水平下(20～700 ℃)Q345qDNH屈服強度、彈性模量、極限強度、斷后伸長率的高溫折減系數以及高溫應力-應變關系。得出以下結論：

(1)現有文獻和規范中相近鋼種的相關研究成果，不能全面反映Q345qDNH鋼的高溫力學性能演化規律。橋梁耐候鋼Q345qDNH高溫力學性能的研究彌補了這一研究的不足。

(2)隨著溫度升高，屈服強度、彈性模量以及極限強度水平整體下降；斷后伸長率呈先減小后增大趨勢。高溫應力-應變曲線大體上分為彈性段、硬化段和軟化段；在溫度20～300 ℃時有明顯屈服平臺，在溫度400 ℃后屈服平臺消失；在溫度600～700 ℃時，硬化段縮短，曲線主要表現為彈性段和軟化段。

(3)文中基于試驗數據，采用多項式擬合耐候鋼Q345qDNH高溫力學性能參數折減系數和應力-應變曲線公式。相關研究成果可進一步應用于耐候鋼橋梁的結構抗火設計與安全評估。