國產(chǎn)高強(qiáng)度Q960鋼高溫蠕變及其對鋼柱抗火性能影響

　　摘要: 為獲得國產(chǎn)高強(qiáng)度 Q960 鋼高溫下蠕變應(yīng)變，對 Q960 鋼進(jìn)行高溫拉伸蠕變試驗，得到不同溫度和應(yīng)力水平下的蠕變應(yīng)變-時間曲線，基于試驗數(shù)據(jù)，提出適用于 Q960 鋼結(jié)構(gòu)抗火分析的蠕變模型。采用有限元模型分析蠕變效應(yīng)對 Q960 鋼柱抗火性能的影響，得到標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下無防火保護(hù) Q960 鋼柱的臨界溫度，并與 《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》( GB 51249) 計算的結(jié)果進(jìn)行對比。研究表明: 當(dāng)溫度超過 600℃ 時，Q960 鋼材具有明顯的蠕變效應(yīng)，且溫度越高，斷裂前蠕變總變形越大; 蠕變效應(yīng)會顯著降低 Q960 鋼柱的臨界溫度和耐火極限; 《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》( GB 51249) 中的臨界溫度法不適用于 Q960 鋼柱，當(dāng)荷載比小于 0. 75 時，計算結(jié)果不安全，而荷載比大于 0. 75 時，計算結(jié)果偏于保守。

　　本文源自李翔; 王衛(wèi)永; 張艷紅， 土木工程學(xué)報 發(fā)表時間：2021-06-09

　　關(guān)鍵詞: 國產(chǎn)高強(qiáng) Q960 鋼; 高溫蠕變; 蠕變模型; 有限元分析

　　引 言

　　與普通鋼相比，高強(qiáng)鋼因其強(qiáng)度高，在相同荷載下，可以減小截面尺寸，從而降低結(jié)構(gòu)自重，提高抗震性能，節(jié)約鋼材，降低成本。近年來有較多的學(xué)者[1-3]開展高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的受力性能和設(shè)計方法研究，清華大學(xué)聯(lián)合多所高校和多家企業(yè)編寫了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》( JGJ/T 483—2020) [4]，可以預(yù)見，不 久 的 將 來，建筑結(jié)構(gòu)中將大量采用高強(qiáng)鋼。

　　在正常使用情況下，鋼結(jié)構(gòu)的變形隨時間的變化很小; 而在高溫下，鋼結(jié)構(gòu)的變形隨時間的變化比較明顯，這種變形是由鋼材的高溫蠕變引起的。有一些學(xué)者已經(jīng)開展了鋼材的高溫蠕變研究，張昊宇等[5]對高溫下 1770 級 P 5 鋼絲蠕變及應(yīng)力松弛性能開展了試驗研究; 王俊等[6]對預(yù)應(yīng)力鋼筋在高溫下的蠕變性能進(jìn)行了試驗并將其應(yīng)用于有限元分析中; Brnic 等[7-8] 通過試驗研究了高強(qiáng)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(jìn)行了擬合; Schneider 等[9]對 S460 鋼進(jìn)行了高溫下的蠕變試驗，得到了蠕變曲線的三個階段，并從中分離出與時間有關(guān)的應(yīng)變分量，考慮溫度補(bǔ)償時間的概念，提出試驗蠕變法則，能夠在任意升溫歷程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中考慮蠕變效應(yīng); 王衛(wèi)永等[10-12]對低合金 Q345 鋼、高強(qiáng)度 Q460 鋼和高強(qiáng)度 Q690 鋼材進(jìn)行高溫蠕變試驗，得到不同溫度和不同應(yīng)力水平下的蠕變曲線，基于試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)有蠕變模型，擬合得到了低合金 Q345 鋼、高強(qiáng)度 Q460 和 Q690 鋼材的高溫蠕變模型。以上研究表明: 鋼材高溫蠕變效應(yīng)與鋼材的類型有關(guān)，已有的蠕變模型不適用于多種鋼材。王衛(wèi)永等[13-15]引入 Q345 鋼和 Q460 鋼蠕變模型分析了鋼柱和鋼梁的火災(zāi)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)蠕變對結(jié)構(gòu)的變形性能和承載力產(chǎn)生較大的影響。

　　目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于國產(chǎn)高強(qiáng)度 Q960 鋼材的高溫蠕變性能研究，本文采用高溫蠕變試驗機(jī)對國產(chǎn)高強(qiáng)度 Q960 鋼進(jìn)行高溫蠕變試驗，得到了不同溫度和應(yīng)力水平條件下的蠕變曲線，通過擬合得到適用于 Q960 鋼材的蠕變模型，并采用 ABAQUS 有限元軟件分析了蠕變對 Q960 鋼柱抗火性能的影響。

　　1 試驗概況

　　1. 1 材料力學(xué)性能

　　試驗所采用的鋼材為國產(chǎn) Q960 鋼板，厚度為 20mm，鋼材除了鐵之外的主要化學(xué)成分見表 1。為了得到 Q960 鋼材的力學(xué)性能，依據(jù) 《金屬材料 拉伸試驗 第 1 部分: 室溫試驗方法》( GB/T 228. 1—2010) [16]的規(guī)定設(shè)計拉伸試件，取樣位置和加工精度符合《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》( GB / T 2975—2018) [17]的要求，進(jìn)行了 Q960 鋼 材 常 溫拉伸試驗，得到 Q960 鋼材常溫下的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，由于高強(qiáng)鋼沒有明顯的屈服平臺，本文取殘余應(yīng)變?yōu)?0. 2%對應(yīng)的應(yīng)力值作為名義屈服強(qiáng)度，用 f0. 2表示。Q960 鋼材常溫下的力學(xué)性能測試結(jié)果見表 2。

　　按照 《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》 ( GB /T 2975—2018) [17] 和《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》( GB /T 2039—2012) 的規(guī)定，設(shè)計了高強(qiáng)度 Q960 鋼高溫蠕變試驗試件( 見圖 1) ，試件蠕變測試段長度為 100mm，兩端有兩個凸臺。各組試件的溫度和應(yīng)力條件見表 3，表中高溫下鋼材屈服強(qiáng)度 fyT為文獻(xiàn)[19]提出的 Q960 鋼高溫下屈服強(qiáng)度折減系數(shù)和本次試驗所用鋼材常溫下屈服強(qiáng)度 fy的乘積，應(yīng)力比 R 為施加的應(yīng)力值 σ 與相應(yīng)溫度下屈服強(qiáng)度 fyT的比值。

　　1. 2 試驗儀器

　　蠕變試驗設(shè)備為 RMT-D5 電子式高溫蠕變持久強(qiáng)度試驗機(jī)，如圖 2 所示，最大試驗力 50kN，試驗誤差在±5%以內(nèi)，主要包括熱電爐、位移采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。熱電爐的溫度控制范圍為 200 ～ 1100℃，控溫精度±3℃，通過固定于試件上、中、下三個部位的熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)，反饋到控制系統(tǒng)從而調(diào)節(jié)熱電爐功率，實(shí)現(xiàn)加熱和保溫功能。上下兩對連桿緊扣試件的凸臺，凸臺之間的相對位移由連桿傳遞到位移計，通過位移計記錄試件蠕變變形。

　　1. 3 試驗過程

　　采用恒溫恒載單軸拉伸的試驗方法得到預(yù)設(shè)溫度和應(yīng)力水平下 Q960 鋼材的蠕變曲線。試驗開始前先對試件進(jìn)行編號，測量并記錄其幾何尺寸，待試件、熱電偶和位移計安裝好后，打開熱電爐。熱電爐的升溫速率為 20℃ /min，空載加熱到預(yù)設(shè)溫度后再保溫 10min。保溫結(jié)束后，按照 5kN/min 的加載速率加載到目標(biāo)荷載后，保持荷載和溫度恒定，直到試件斷裂或加載時間超過 6h，結(jié)束試驗并保存試驗數(shù)據(jù)。

　　2 試驗結(jié)果

　　2. 1 試件破壞現(xiàn)象

　　試驗后試件的破壞形態(tài)如圖 3 所示，根據(jù)溫度和應(yīng)力的大小，將試驗后的試件按照從左到右的順序排列?？梢杂^察到: ①大部分試件都發(fā)生了斷裂破壞，斷裂位置均發(fā)生在標(biāo)距段范圍內(nèi)，且溫度越高，斷口截面越小，頸縮現(xiàn)象越明顯; ②800℃ 和 900℃ 時，由于試件的蠕變變形較大，超出了蠕變試驗機(jī)的最大位移量程，大部分試件均未拉斷; ③溫度越高，斷裂前的蠕變變形量越大，說明高溫下 Q960 鋼材具有良好的塑性性能; ④不同溫度下，試件表面的顏色有明顯的差異。溫度越高，試驗后試件表面的顏色越深，當(dāng)溫度高于 700℃ 時，試件存在明顯的氧化層脫落現(xiàn)象。

　　2. 2 蠕變-時間曲線

　　試驗采集得到的蠕變數(shù)據(jù)包括彈性應(yīng)變和蠕變應(yīng)變，忽略加載過程中產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變，根據(jù) Q960 鋼材高溫下的彈性模量和施加應(yīng)力大小，去除彈性應(yīng)變后得到不同溫度和應(yīng)力水平條件下高強(qiáng)度 Q960 鋼的蠕變曲線，如圖 4 所示。一般情況下，蠕變可分為三個階段，即瞬時蠕變階段( 蠕變率逐漸降低) 、穩(wěn)態(tài)蠕變階段( 蠕變率保持恒定) 和加速蠕變階段( 蠕變率迅速增加) 。圖中表示蠕變第二階段和蠕變第三階段的分界點(diǎn)，表示蠕變第三階段末期試件發(fā)生蠕變斷裂破壞。

　　根據(jù)試驗結(jié)果可以看出:

　　( 1) 蠕變第一階段占比非常小，蠕變曲線主要由蠕變第二階段和第三階段組成; 蠕變第二階段，應(yīng)變增長緩慢且速率幾乎不變; 蠕變第三階段，由于發(fā)生頸縮導(dǎo)致橫截面上應(yīng)力較大，應(yīng)變增長速率顯著加快，直到斷裂破壞。

　　( 2) 不同溫度下，蠕變應(yīng)變的發(fā)展程度不同。例如: 450℃ ～700℃的溫度條件下( 圖 4( a) ～圖 4( d) ) ，大部分試件均拉斷。由于蠕變試驗機(jī)器量程的限制， 800℃和 900℃ ( 圖 4( e) 、圖 4( f) ) 高溫條件下，試件均未拉斷，導(dǎo)致蠕變第三階段試件臨近斷裂時的數(shù)據(jù)未能采集到。但可以觀察到: 溫度越高，試件斷裂前的蠕變總變形量越大。450℃ ～ 600℃ 中等溫度條件下，試件斷裂時的最大蠕變應(yīng)變不 超 過 15%， 700℃時試件斷裂時的蠕變應(yīng)變超過 30%，800℃ 和 900℃的高溫條件下，最大蠕變應(yīng)變超過 40%。說明高溫條件下 Q960 鋼材由于受熱軟化，表現(xiàn)出良好的延性，且溫度越高，Q960 鋼材的蠕變變形量越大。

　　( 3) 相同溫度下，蠕變曲線與試件的應(yīng)力水平有關(guān)。當(dāng)應(yīng)力較大時，蠕變第二階段持續(xù)很短時間便直接進(jìn)入蠕變第三階段; 當(dāng)應(yīng)力較小時，蠕變第二階段可以維持很長時間。以 450℃ ( 圖 4( a) ) 為例，當(dāng)應(yīng)力為 820MPa 時，蠕變第二階段僅持續(xù)了 30min; 而當(dāng)應(yīng)力為 780MPa 時，蠕變第二階段持續(xù)時間超過了 400min。

　　有關(guān)研究表明[20]，蠕變的發(fā)生與否，與材料的熔點(diǎn)溫度 Tm有關(guān)，當(dāng)溫度低于 1 /3Tm時，蠕變較小，可忽略其影響。鋼材的熔點(diǎn)為 1500℃ 左右，1 /3Tm≈ 450℃，對比試驗結(jié)果可以看出: 450℃時，若要產(chǎn)生較為明顯的蠕變效應(yīng)則需要較大的荷載比 R，荷載比較小時，蠕變變形發(fā)展十分緩慢，幾乎可以不考慮其影響; 而當(dāng)溫度高于 450℃ 時，溫度越高，蠕變效應(yīng)越顯著，即使較小的荷載比，蠕變變形發(fā)展也十分迅速。如 700℃、R = 0. 5 時，150min 后試件便發(fā)生了蠕變斷裂破壞。因此，在對高強(qiáng)度 Q960 鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火分析時，當(dāng)溫度高于 450℃，蠕變的影響不可忽略，需要考慮蠕變效應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)高溫下受力性能的影響。

　　2. 3 不同種類鋼材蠕變性能對比

　　因化學(xué)成分和冶煉工藝的不同，不同種類鋼材的蠕變性能存在顯著的差異。為了比較高強(qiáng)度 Q960 鋼與其他鋼材蠕變性能的差異，將本文得到的 Q960 鋼材 蠕 變 試 驗 結(jié) 果 與 Q345 鋼[10]、Q460 鋼[11] 和 Q690 鋼[12]的蠕變試驗結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖 5所示。其中，應(yīng)力比 α 為施加的應(yīng)力與常溫下鋼材屈服強(qiáng)度的比值，以便研究不同種類鋼材蠕變性能的差異。

　　從圖 5 可 以 看 出: 550℃ 時，相 同 的 應(yīng) 力 比，經(jīng)歷相同的蠕變時間，Q960 鋼材蠕變應(yīng)變明顯小于其他種類的鋼材; 900℃ 時，相同的應(yīng)力比，經(jīng)歷相同的蠕變時間，Q960 鋼材蠕變應(yīng)變顯著大于其他種類的鋼 材。對 比 表 明，與其他種類的鋼材相比，當(dāng)溫度較低時，Q960 鋼材蠕變現(xiàn)象并不顯著，而當(dāng)溫度較高時，Q960 鋼材的蠕變現(xiàn)象將非常明顯。

　　3 蠕變模型

　　關(guān)于鋼材的蠕變模型，比較常用的有: Dorn [21]模 型、 Harmathy [22] 模 型、 Williams-Leir [23] 模 型 和 Fields & Fields [24]模型等，上述模型均假定應(yīng)力、溫度和時間的作用可以分開，試驗過程中荷載保持不變，可以用來描述蠕變第一階段和第二階段。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，蠕變第三階段預(yù)示著即將破壞失效，對結(jié)構(gòu)抗火分析意義不大，因此本文僅對蠕變第一階段和第二階段進(jìn)行擬合。

　　Fields & Fields 蠕變方程表達(dá)式為: εcr = at b σc 式中: t 為時間，min; σ 為應(yīng)力，MPa; a、b、c 為與溫度有關(guān)的參數(shù)。該模型形式簡單，未知參數(shù)少，擬合得到的參數(shù)值見表 4，模型計算值與試驗值的對比見圖 6。

　　從圖 6 中可以看出，F(xiàn)ields & Fields 蠕變模型計算值與試驗數(shù)據(jù)擬合較好，可用于結(jié)構(gòu)的抗火性能分析。

　　4 Q960 鋼柱抗火性能分析

　　4. 1 有限元模型

　　目前尚未發(fā)現(xiàn) Q960 鋼柱抗火性能的試驗，選取文獻(xiàn)[25]中高強(qiáng) Q960 鋼焊接 H 形軸心受壓鋼柱常溫下的試驗數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行驗證，鋼柱截面尺寸如表 5 所示。

　　單元類型采用 S4R 殼單元，鋼材的本構(gòu)關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)[25]拉伸試驗結(jié)果取值，初始?xì)堄鄳?yīng)力根據(jù)文獻(xiàn)[26]提出的殘余應(yīng)力分布模型和計算公式，施加在有限元模型中，如圖 7 所示。有限元分析計算過程分為兩步: 第一步特征值屈曲分析，得到第一階屈曲模態(tài)作為有限元模型的初始幾何缺陷模態(tài)，如圖 8 所示，模態(tài)的幅值大小采用文獻(xiàn)[25]中的實(shí)測值。

　　第二步非線性屈曲分析，考慮初始?xì)堄鄳?yīng)力和幾何缺陷的影響，采用弧長法進(jìn)行求解，得到試件的極限承載力大小。試驗得到的鋼柱承載力 PE和有限元分析計算得到的結(jié)果 PF對比如表 6 所示，從表中可以看出，兩者最大誤差在 4%以內(nèi)，說明有限元模型可靠，能夠較準(zhǔn)確地模擬高強(qiáng) Q960 鋼軸心受壓鋼柱的受力性能。

　　采用上述有限元模型，引入 Q960 鋼材高溫下的力學(xué)性能[19]和 Fields & Fields 蠕變模型，其他參數(shù)均與常溫下模型保持一致，對試驗編號為 H2-960 鋼柱進(jìn)行恒載升溫分析，計算得到 Q960 鋼柱失效時的臨界溫度和柱中側(cè)向位移隨時間變化的曲線。鋼柱的升溫曲線按照 《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》 ( GB 51249—2017) [27]提出的火災(zāi)下無防火保護(hù)鋼構(gòu)件的溫度計算公式計算。空氣溫度按照 ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線計算。

　　4. 2 臨界溫度

　　有限元計算得到的不同荷載比下 Q960 鋼柱的臨界溫度和規(guī)范[27]計算結(jié)果對比如圖 9 所示，其中，荷載比 R 為施加的恒荷載 P 與鋼柱常溫下穩(wěn)定承載力 Pcr的比值?？梢钥闯? 相同的荷載比，考慮蠕變效應(yīng)的有限元計算結(jié)果遠(yuǎn)低于不考慮蠕變效應(yīng)的計算結(jié)果，兩者最少相差 48℃，最大相差 102℃ ; 當(dāng)荷載比大于 0. 75 時，考慮蠕變效應(yīng)的有限元計算結(jié)果高于規(guī)范的計算結(jié)果，當(dāng)荷載比 R 小于 0. 75 時，考慮蠕變效應(yīng)的有限元計算結(jié)果低于規(guī)范的計算結(jié)果，兩者最大溫差為 40℃。由此發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行規(guī)范中計算鋼構(gòu)件臨界溫度的設(shè)計方法并不適用于 Q960 鋼柱，當(dāng)荷載比較小時，計算結(jié)果偏于不安全，當(dāng)荷載比較大時，計算結(jié)果偏于保守。

　　4. 3 耐火極限

　　為了考察蠕變效應(yīng)對 Q960 鋼柱耐火極限的影響，對不同荷載比下 Q960 鋼柱中央高度處側(cè)向位移隨時間的變化進(jìn)行了有限元分析，計算結(jié)果如圖 10 所示。從圖中可以看出，當(dāng)荷載比 R = 0. 2 時，不考慮蠕變效應(yīng)鋼柱的耐火極限為 19min，考慮蠕變效應(yīng)后耐火時間降低到 13min; 當(dāng)荷載比 R = 0. 7 時，不考慮蠕變效應(yīng)鋼柱的耐火極限為 10min，考慮蠕變效應(yīng)后耐火時間降到 8min。主要原因是蠕變增大了鋼柱的變形，加劇了二階效應(yīng)，從而降低了鋼柱的臨界溫度，且荷載比越小，降幅越大，并導(dǎo)致鋼柱提前失穩(wěn)破壞。

　　5 結(jié) 論

　　( 1) 高強(qiáng) Q960 鋼蠕變第一階段占比非常小，蠕變曲線主要由蠕變第二階段和蠕變第三階段組成; 不同溫度下，相同時間內(nèi)蠕變應(yīng)變的發(fā)展程度不同。相同溫度下，應(yīng)力越大，蠕變經(jīng)歷的時間越短; 溫度越高，蠕變總變形量越大。450 ～ 600℃ 條件下，最大蠕變應(yīng)變不超過 15%，800～ 900℃ 條件下，最大蠕變應(yīng)變超過 40%。

　　( 2) 與其他種類的鋼材相比，當(dāng)溫度較低時， Q960 鋼材蠕變現(xiàn)象并不顯著，而 當(dāng) 溫 度 較 高 時， Q960 鋼材的蠕變現(xiàn)象將非常明顯。

　　( 3) 現(xiàn) 行 《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》 ( GB 51249) 計算鋼構(gòu)件臨界溫度的設(shè)計方法不適用 于 Q960 鋼柱，荷載比較小時，計算結(jié)果偏于不安全，荷載比較大時，計算結(jié)果偏于保守。

　　( 4) 蠕變效應(yīng)降低了鋼柱的臨界溫度，縮短了鋼柱的耐火極限。