高强度Q460钢高温蠕变性能

王卫永， 闫守海

(1. 重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045；2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)



高强度Q460钢高温蠕变性能

王卫永1, 2， 闫守海1

(1. 重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045；2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

摘要：为了研究高强度Q460钢的高温蠕变对钢结构抗火性能的影响，采用高温蠕变试验装置测试了高温下高强度Q460钢材在不同应力水平下的蠕变应变随时间的变化曲线.根据试验数据，在现有蠕变模型的基础上拟合了高强度Q460钢材的高温蠕变模型.在有限元结构分析中引入钢材高温材料力学性能和蠕变参数，分析了考虑高温蠕变后轴心受力Q460钢柱的抗火性能.研究表明，高强度Q460钢材在高温和应力作用下具有明显的蠕变变形，在同一温度和时间下，蠕变应变随应力水平的提高明显增加；考虑蠕变效应后，在标准(ISO-834)的升温条件下，钢柱的耐火极限明显降低；在恒定温度下，钢柱的极限承载力随着时间的增加急剧降低，因而结构的抗火承载力设计需要考虑受火时间的影响.

关键词：高强度Q460钢； 蠕变； 抗火性能； 有限元分析

近年来关于钢材高温力学性能的研究成果很多[1-5]，主要研究了材料的高温屈服强度、极限强度、弹性模量及应力-应变关系等.钢材在高温和应力作用下，变形随时间而增大的现象称为蠕变.研究表明[6-7]，蠕变对钢结构的抗火性能有较大的影响.目前关于钢材高温蠕变的研究成果还不多，主要有以下一些研究：Brinc等[8-9]通过试验研究了高强度低合金钢ASTM A618和不锈钢AISI 316Ti在高温下的蠕变性能，并采用Burger蠕变模型对ASTM A618钢试验数据进行了拟合.Schneider等[10]对S460钢进行了材料力学性能和蠕变试验，得到了蠕变曲线的3个阶段，并从其中分离出与时间有关的应变分量，根据温度补偿时间的概念，提出试验蠕变法则，能够在任意升温过程的应力应变关系中清楚地考虑蠕变效应，非线性分析表明，蠕变效应对结构的承载能力有显著的影响.Morovat等[11]对美国ASTM A992钢的高温蠕变性能进行了试验研究，得到了不同温度下的蠕变曲线.Kodur等[12]对美国ASTM A572钢的高温蠕变性能进行了拉伸试验研究，得到了不同温度下的蠕变曲线和断裂破坏模式.近年来，国内也开始有学者开展钢材的高温蠕变研究，张昊宇等[13]对1770级钢丝进行了高温蠕变和应力松弛试验研究，周焕廷等[14]对1860级预应力钢绞线进行了高温蠕变试验研究，目前尚未发现关于高强度Q460钢高温蠕变方面的研究报道.

高强钢具有较高的强度，在火灾高温下强度和刚度急剧降低；研究发现，高强钢与普通钢在高温下的强度和弹性模量折减系数不同，一般而言，相同温度下高强钢的折减系数稍低[5].本文进行了高强度Q460钢材的高温蠕变试验研究，得到了不同温度和不同应力下钢材的蠕变应变与受火时间的关系曲线，并在已有模型的基础上拟合了适用于Q460钢材的高温蠕变模型，可供结构抗火分析采用.最后采用ANSYS有限元软件建立钢柱的分析模型，考虑蠕变的影响分析了高强度Q460钢柱的抗火承载力和临界温度，通过与不考虑蠕变分析结果的对比得到了蠕变对高强度Q460钢柱抗火性能的影响.

1蠕变曲线

钢材的高温蠕变是指钢材在高温和应力作用下随着时间而增大的变形.在高温下给金属加载，在金属内部产生变形、位错和移动等现象.钢材高温下的蠕变可以分为3个阶段，见图1所示.图中，ε为应变，εcr为蠕变，t为时间.第Ⅰ阶段是瞬时蠕变阶段，对应曲线的AB部分，其应变速率随着时间增长而减小.第Ⅱ阶段是稳态蠕变阶段，对应曲线中的BC部分，在该阶段应变速率大体保持恒定，蠕变速率最小，又称为最小蠕变阶段.第Ⅲ阶段是加速蠕变阶段，对应曲线上的CD部分，在该阶段蠕变增长速率急剧增大.

图1　蠕变曲线3个阶段示意

2高温蠕变试验

为了得到高强度Q460钢的蠕变数据，采用高温蠕变试验机进行了高温下的蠕变试验，得到了不同温度、不同应力水平下蠕变应变-时间曲线.本文试验采用恒温加载的模式，即先将温度连续升高至设定温度值并保持恒定，然后连续加载至设定应力水平并保持恒定，采集恒定温度和应力下的蠕变应变.

2.1试件设计

蠕变试验试件取自20 mm厚高强度Q460钢板，加工蠕变试件前进行了材料的拉伸试验，得到了Q460钢材的力学性能指标，其中屈服强度为492 MPa、极限强度为621 MPa、极限伸长率为15.3%、弹性模量为202 GPa.根据蠕变试验装置并按照国家标准GB/T2975—1998[15]和GBT 4338—2006[16]的有关规定，蠕变试件设计尺寸如图2所示.试件数量为35个，温度范围为400～900 ℃.

2.2试验装置

高温蠕变试验机为电子式高温蠕变持久强度试验机，型号为RMT-D5，最大试验荷载为50kN，试验荷载控制精度在±0.5%以内，变形测量范围为0～10 mm，速率调整范围为0～50 mm·min-1，变形分辨率为0.001 mm，高温炉控温范围为200～1 100 ℃，均热带长为150 mm，温度控制精度：低于900 ℃时，温度波动度为±3 ℃，900～1 100 ℃时，温度波动度为±4 ℃.试验装置照片见图3所示.本试验在升温过程中试件处于无应力状态，因此试件可自由膨胀，而高温蠕变是在温度和应力共同作用下变形随时间增加，因此升温速率对蠕变没有影响.在加载过程中试件会产生一定程度的弹性变形，这些变形很难从总应变中分离出来，温度和应力恒定后，由于蠕变是随时间变化的量，因此通过尽量缩短加载时间来减小弹性变形对测量蠕变应变的影响.

图2　蠕变试验试件尺寸(单位：mm)

图3　蠕变试验机照片

2.3试验结果

在加载过程中试件会产生弹性变形和蠕变，在采集过程中很难将二者精确分离，可以根据高温下弹性模量和加载的大小计算出弹性变形并从采集结果中扣除，但处理后发现，加载过程中的蠕变很小.因此忽略加载过程中的蠕变，即认为在加载过程中试件的变形为弹性变形，恒载保持恒定后试件的变形为蠕变变形.

试验得到了不同温度和不同应力水平下蠕变应变随时间的变化曲线，见图4所示.其中符号“⊗”代表发生在蠕变第Ⅲ阶段末期的断裂，符号“⊕”代表蠕变第Ⅱ、第Ⅲ阶段分界点.从图4中可以看出，温度较低时(400 ℃)，大部分蠕变-时间曲线可分为2个阶段：第Ⅰ阶段蠕变和第Ⅱ阶段蠕变.第Ⅱ阶段蠕变随着时间的增长与温度和应力有关，持续时间可达10 h以上，应力水平较高时才出现第Ⅲ阶段.

a T=400 ℃

b T=450 ℃

c T=500 ℃

d T=550 ℃

e T=600 ℃

f T=700 ℃

g T=800 ℃

h T=900 ℃

在450 ℃～550 ℃中等温度下，第Ⅰ阶段蠕变随着应力水平的提高逐渐变短，第Ⅱ阶段蠕变和第Ⅲ阶段蠕变增长速度很快，大部分试样断裂；当应力很大的时候，断裂之前的蠕变应变相对较小，而相对较低的应力在断裂时的蠕变应变却很大.例如450 ℃，在断裂的试样中，应力为382MPa的试样极限蠕变应变比应力为394，400，406 MPa的大得多，在500 ℃，550 ℃情况下有相同的趋势.

在600～900 ℃较高温度下，蠕变曲线主要是由第Ⅱ阶段蠕变和第Ⅲ阶段蠕变组成，第Ⅰ阶段蠕变变得很短，在几分钟之内完成；由于受热软化，造成了第Ⅱ阶段蠕变的快速增长，其影响着整个蠕变响应，被认为是火灾情况下非常重要的阶段，其随着时间保持着恒定的增长速率；在第Ⅲ阶段蠕变中，试样发生明显的颈缩，导致横截面上出现很大的应力，增长速率明显加快.同时可以发现600～800 ℃试样随着温度的升高表现出了很好的塑性，蠕变很大.在900 ℃时，其蠕变和800 ℃的蠕变大小很接近.

3蠕变模型

用以描述金属蠕变的模型很多，比较著名的有Dorn模型[17]、Harmathy模型[18]、Fields模型[19]、 Burger模型[20]等.但由于应力历史、温度历史均对蠕变有影响，目前还没有一种理论和模型能全面地描述和解释蠕变中的种种现象.对于高温下结构钢瞬态蠕变的预测与计算，一般是在大量试验基础上通过统计分析的方法来得到一些回归公式.

ANSYS有限元软件内置了13种隐式蠕变模型可用于试验拟合，ANSYS自身也具有强大的非线性拟合功能.为了便于在有限元分析中直接引入钢材高温蠕变模型，本文选择ANSYS中的复合时间强化模型和Norton模型进行数据拟合，两者均不考虑时间和应力或钢材温度的耦合效应，可用来预测蠕变应变.

3.1复合时间强化模型

复合时间强化模型可考虑初始蠕变阶段和第Ⅱ蠕变阶段，方程中有7个拟合参数，其基础理论根据Zienkiewicz等[21]关于塑性和蠕变的统一理论.复合时间强化模型给出的蠕变εcr的表达式为

(1)

式中：εcr为钢材的蠕变；c1～c7为拟合参数，其中c1>0，c5>0；σ为应力；t为时间；Ts为钢材温度.

根据试验数据进行了非线性拟合，得到了不同温度下的拟合参数，见表1所示.

表1　复合时间强化蠕变模型参数

由于该模型中不同温度下参数不连续，不易直接分析升温情况下的结构抗火性能，可以用于恒定温度下的构件承载力分析及结构响应分析.为了验证拟合的精度，选择600 ℃和800 ℃下模型计算的结果和试验结果进行对比，见图5所示.从图中可见，结果吻合较好，验证了拟合的准确性.

a T=600 ℃

b T=800 ℃

3.2诺顿模型

(2)

式中：m1～m3为拟合参数，其中m1>0.

由于温度较低时蠕变较小，为了便于拟合，未考虑400 ℃下的数据，根据其余试验数据对Norton蠕变模型进行了非线性拟合，得到了一组拟合参数，m1=2.818 6×10-11，m2=1.42，m3=11 890.该组参数的适用温度范围为450～900 ℃.由于试验数据较大，拟合难度大，该组参数能吻合试验的部分数据，涵盖了大部分试验温度值.为了验证拟合的精度，选择4个温度下模型拟合的结果和试验结果进行对比，见图6所示，从图中可以看出，数据基本吻合.由于该模型中不同温度下参数为同一组，可以直接用于分析升温情况下的结构抗火性能.

aT=500℃bT=550℃cT=800℃dT=900℃

4蠕变对Q460钢柱抗火性能的影响

为了考察钢材的高温蠕变对Q460钢柱抗火性能的影响，采用上节提出的蠕变模型，使用ANSYS有限元软件分析了考虑蠕变后Q460钢柱的抗火性能，并对是否考虑蠕变得到的结果进行了对比.关于高温蠕变模型在有限元分析中的应用，仅是在普通抗火分析的基础上，在材料参数设置里定义蠕变模型即可，只要有限元模型正确，蠕变模型参数可靠，即可进行考虑蠕变的结构抗火性能分析，此方法已被多位学者[6]采用.

4.1有限元模型简介

单元类型采用BEAM188，自定义截面尺寸.根据钢柱的截面几何尺寸，先采用PLANE82单元将柱截面几何模型划分平面单元.截面划分及钢柱有限元模型见图7所示.分析时考虑残余应力和初始几何缺陷，残余应力根据文献[23]对Q460焊接H形截面的测试结果施加，残余应力施加在每个单元的4个积分点上.几何缺陷根据长度的0.1%施加于绕弱轴方向.材料的高温力学性能参数根据文献[5]对Q460钢材进行的高温试验值确定，应力-应变关系采用理想弹塑性模型.进行恒定温度下的承载力分析时，温度直接作为荷载施加在结构上，蠕变模型采用复合时间强化模型.进行标准升温条件下的临界温度分析时，温度值根据规范[24]中的计算方法计算出来后采用表格的方法输入.

a钢柱网格划分网格b钢柱有限元模型

4.2有限元验证

目前尚未发现高温下Q460轴心受压钢柱的试验数据，为了验证上述模型的正确性，采用文献[25]常温下10根焊接H型钢柱的轴心受压试验数据进行有限元模型的验证.在有限元分析中，屈服强度和弹性模量取试验实测值，截面高度为160 mm，宽度为10 mm，翼缘和腹板厚度为10 mm，焊脚尺寸为6 mm，钢柱几何长度为3.3 m.

表2　钢柱承载力试验结果和分析结果对比

4.3考虑蠕变的稳定承载力

a 荷载-轴向位移曲线

b 荷载-跨中挠度位移曲线

采用验证的有限元模型，首先分析了Q460钢柱常温下的极限承载力，钢柱的长度为3.3 m、截面高度为160 mm、宽度为10 mm、翼缘和腹板厚度为10 mm，分析得到的钢柱的荷载位移曲线见图8所示，从图8中得到极限承载力Fcr,0为1 045.6 kN.然后引入高强度Q460钢材的高温力学参数及复合时间强化蠕变模型，分析了恒定温度下钢柱的稳定承载力Fcr,T随时间的变化，分析结果见图9所示.从图9中可以看出，随着温度升高，钢柱的承载力明显降低；在某一温度下，并且随着受火时间的延长，钢柱的承载力也明显降低；高温持续时间较短时下降迅速，随着持续时间的进一步增加，承载力降低的幅度有所降低.产生这种现象的原因是，在高温持续的初始阶段，蠕变以第Ⅰ阶段蠕变为主，在这个阶段，蠕变率较大，且随持续时间逐渐降低.当蠕变到达第Ⅱ阶段时，蠕变率保持恒定不变.温度达到600 ℃及以上时，其耐高温时间明显变短，荷载水平越高，承载力降低越快.由于高强度Q460钢主要用于一些重要的结构构件中，往往其应力水平较高，在火灾下，高温蠕变对结构的耐火时间影响较大，故而在使用高强钢材时应该着重考虑蠕变对结构的影响.

a T为500～600 ℃

b T为700～900 ℃

4.4考虑蠕变的临界温度

采用Norton模型进行考虑高温蠕变后Q460钢柱的恒载升温分析，空气升温按照ISO-834标准升温曲线进行，计算得到的临界温度和规范计算结果的对比见图10所示.从图中可以看出，考虑蠕变影响的有限元分析的临界温度普遍低于CECS200：2006[24]计算结果，最低温差为13 ℃，最高温差为42 ℃，最大相对温差为9.6%.由于现行结构抗火设计规范[24]未充分考虑蠕变的影响，可能造成临界温度的计算结果偏于不安全.是否考虑蠕变的有限元计算结果差异甚大，最低温差为27 ℃，最高温差为154 ℃，相对温差高达17.3%.可见蠕变对临界温度影响较大.

4.5是否考虑蠕变的分析结果对比

为了定量对比考虑蠕变与否对Q460钢柱承载力的影响，在规范ISO-834升温条件下，对不同荷载比下是否考虑蠕变的钢柱轴向位移s和跨中挠度D随时间的变化进行了分析，分析结果见图11所示，从图11中可以看出，蠕变的影响主要是通过增大变形、减小刚度来降低构件的临界温度.荷载比较低时，考虑蠕变后的耐火极限降低很多，例如荷载比R为0.3时，耐火极限从25 min降为15 min，降低了40%.荷载比较大时，考虑蠕变后的耐火极限降低幅度下降.

a R=0.3

b R=0.4

c R=0.5

d R=0.6

e R=0.7

f R=0.8

5结论

通过对Q460钢材进行高温蠕变试验和对轴心受压Q460钢柱进行考虑蠕变后的抗火性能有限元分析，主要得到了以下几个结论：

(1)高强度Q460钢材高温下蠕变变形显著，温度低于400 ℃时，蠕变主要表现为瞬态蠕变阶段，温度介于600～900 ℃时，以稳态蠕变和加速蠕变阶段为主.

(2)考虑蠕变后，温度高于400 ℃时，随着温度升高，Q460钢柱的承载力明显降低；并且随着受火时间的延长，钢柱的承载力也明显降低，刚开始受热时下降迅速，随着受热时间的进一步增加，承载力降低的幅度有所降低.

(3)在规范ISO-834升温条件下考虑蠕变后Q460钢柱的临界温度低于现行结构抗火设计规范的计算结果，由于规范中未充分考虑蠕变的影响，导致计算结果偏于不安全.

(4)当荷载比较低时，对于Q460钢柱，考虑蠕变后的耐火极限与不考虑蠕变相比降低很多，荷载比较大时，考虑蠕变后的耐火极限降低幅度下降.

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收稿日期：2015-08-05

基金项目：中央高校基本科研业务费(CDJZR12200004)；重庆市自然科学基金(cstc2013jcyjA30010)

中图分类号：TU392

文献标志码：A

Creep Behavior in High Strength Q460 Steel

WANG Weiyong1, 2, YAN shouhai1

(1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China； 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of China Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Abstract：In order to investigate the effect of creep in high strength Q460 steel on the fire resistance of structures, creep-time curves for high strength Q460 steel under various temperature and stress was tested by using creep testing set-up. According to the test data, creep models for high strength Q460 steel were proposed based on current creep models. The fire resistance of axially compressed high strength Q460 steel column was analyzed by employing finite element modeling after taking material properties and creep at elevated temperatures into consideration. The study shows that the creep deformation under the action of temperature and stress in high strength Q460 steel is significant, and at the same temperature and time, the creep increase obviously with rise of stress. After considering the effect of creep, fire duration of steel column decrease seriously under the fire exposure to ISO-834 standard temperature curve. At a certain temperature, there is a pronounced reduction in load bearing capacity of steel column with the increase of time for fire exposure. Therefore, in the design of load bearing capacity of steel column, the time lasting in fire should be taken into consideration.

Key words：high strength Q460 steel; creep; fire resistance; finite element analysis

第一作者： 王卫永(1982—)，男，副教授，工学博士，主要研究方向为结构抗火性能.E-mail：wywang@cqu.edu.cn