超高强钢S960火灾后力学性能试验研究

强旭红， 武念铎， 姜　旭， 罗永峰

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)



超高强钢S960火灾后力学性能试验研究

强旭红， 武念铎， 姜旭， 罗永峰

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)

摘要：通过试验研究超高强钢S960过火冷却至常温后的力学性能，得到过火高温对超高强钢S960弹性模量、屈服强度、极限强度以及应力-应变曲线的影响规律.结果表明，钢材火灾后的力学性能取决于钢材的等级和生产加工工艺.通过对试验数据进行数值拟合，给出可准确表达S960火灾高温后材料力学性能剩余程度的预测公式.

关键词：超高强钢； 火灾高温后； 力学性能； 剩余系数； 预测公式

高强钢的应用能带来可观的社会经济效益，比如：减少用钢量；有效地解决构件尺寸问题，创造更大的建筑使用空间；减少焊接工作量；节省运输、吊装费用；减轻结构自重；减少基础造价等[1].此外，高强钢的应用还能节约能源、减少碳排放，是一种环境友好型材料，符合我国节约环保型社会的建设需求.因此一些结构形式及构件宜采用高强钢，如受拉构件、大跨度结构以及高层结构中的短粗柱等[2].近年来，许多重要建筑结构已采用高强钢.随着材料科学的进步，高强钢的应用前景将更加广泛，所以对高强钢进行深入的研究势在必行.

钢材在常温下具有良好的力学性能，随着温度升高，钢材的力学性能显著降低.但是，钢材过火冷却至常温后可恢复大部分的初始力学性能，因此火灾后钢材的再利用具有一定的空间.若结构火灾后未倒塌，构件将随着火势减小及环境温度降低而冷却至常温.降温过程中，结构的内力和变形不断重分布，此时的结构可能比火灾下更危险.钢结构火灾后是否需要拆除、维修或者直接继续使用，需要可靠的检测与鉴定，而钢材火灾后力学性能是结构火灾后性能检测与鉴定的重要依据之一.

自美国“911”恐怖事件后，研究火灾下材料性能退化、热约束和结构构件的偶然移除对结构性能的综合影响成为结构工程领域的当务之急.目前的研究主要针对常规强度的结构钢(普通钢)[3-5]，对于高强钢火灾下力学性能的研究有限，涉及的强度等级主要有S460[6-12]和BISPLATE 80[13].至于钢材火灾高温后力学性能，仅文献[14]对高强钢S460和S690进行研究，即使对于普通钢火灾后力学性能的研究也很有限[7-8,15-17].BS 5950-8(2003)附录B[18]针对普通钢的火灾后力学性能及继续使用提出若干建议：若火灾后热处理钢和铸钢的变形在限值内，则可以继续使用；火灾后的普通钢S235和S275可恢复常温下(未过火)90%的力学性能；当过火温度超过600 °C，S355冷却至常温后的强度可恢复至常温下(未过火)的75%以上.但是对于高强钢，世界范围内现行的设计规范还没有给出任何相关建议.

本文对超高强钢S960进行火灾高温后力学性能试验，旨在揭示S960火灾后的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度和极限强度的剩余情况，并与现有研究及现行设计规范中的其他等级钢材对比，同时给出超高强钢S960火灾后力学性能剩余情况的预测公式，并验证其准确性.

1　试验过程

1.1试验设备

试件的升温在可控温的电热炉中完成(见图1).高温后的拉伸试验通过Gleeble 3800系统进行，如图2和3所示.Gleeble 3800系统是力学与热学耦合的一体化系统，最大可施加20 t的压力和10 t的拉力.本试验采用非接触式激光变形测量仪测量试件的应变，通过QuikSim软件预先设定的程序来控制试验过程.试验过程中得出的所有试验数据由电脑存储，并可由屏幕实时显示，进行试验监测.

图1　可控温电热炉

图2　Gleeble 3800系统

图3　试验炉内的拉伸装置

1.2试验材料和试件设计

所有试件从同一块S960QL钢板上切割而来，钢板名义厚度为5 mm.S960QL钢是一种符合欧洲标准EN 10025-6[19]的超高强度结构用钢.该钢材经过淬火回火技术处理，具有良好的抗弯性和可焊性.S960QL是钢材等级名称的缩写，其中S指结构用钢，960指钢材的名义屈服强度为960 MPa，Q指淬火回火技术，L指低温韧性.本试验所用超高强钢S960QL(下文简称S960)的化学成分见表1.试件的形状和尺寸符合欧洲标准EN 10002-5[20]和美国标准ASTM E21-09[21]的要求.为将试件固定到Gleeble 3800系统的夹具上，在试件的两端预留孔洞，以便固定试件(见图4).

表1　超高强钢S960QL的化学组成

a 尺寸

b 试件

1.3试验方法

常用的评估钢材高温力学性能的方法是进行稳态或瞬态火灾拉伸试验.与瞬态火灾试验方法相比，稳态火灾试验方法更为常用，这是因为稳态火灾试验操作相对容易并且能直接获得材料的应力-应变曲线.因此，本文采用稳态试验方法对S960进行试验研究，即试件升温至指定温度后自然冷却至常温，随后对试件进行拉伸试验.

1.4试验步骤

试件在电热炉中从常温升温至指定温度，为模拟自然火灾，升温速率取10 °C·min-1.本试验共选取11个火灾温度：300、400、500、600、650、700、750、800、850、900和1 000 °C.前期研究表明[14]，升温至100 °C和200 °C后自然冷却至常温，钢材可恢复其基本力学性能，因此本试验并未选取100 °C和200 °C作为火灾温度.试件升温至指定温度后，令温度稳定大约10 min，使试件中部的温度分布均匀，随后自然冷却至常温，在常温下对试件施加拉力直至破坏.本试验采用应变控制的方法施加荷载，应变率为0.005 min-1，满足ASTM E21-09的相关规定[21].为比较过火温度对S960高温后力学性能的影响，本试验同时进行S960常温下(未过火)的拉伸试验.

2　试验结果

2.1弹性模量

弹性模量是影响钢结构承载能力的重要参数之一.高温下钢材的弹性模量取决于相应温度的应力-应变曲线.类似地，钢材火灾高温后的弹性模量也由钢材高温后的应力-应变曲线得到.钢材高温后力学性能的剩余程度常用剩余系数评估.弹性模量剩余系数是指钢材高温后的弹性模量与常温下(未过火)弹性模量的比值.由于剩余系数的使用十分便捷，欧洲、美国和澳大利亚的钢结构设计规范，都推荐采用剩余系数进行钢结构的抗火设计与计算.因此，本试验以弹性模量剩余系数的形式，研究过火温度对S960高温后弹性模量的影响.

试验得到的S960高温后弹性模量和弹性模量剩余系数列于表2.从表2可看出：过火温度不超过600 °C时，S960冷却后的弹性模量与常温下(未过火)相同；过火温度超过600 °C后，冷却后的弹性模量显著降低.值得注意的是，当过火温度为800 °C和1 000 °C时，S960冷却后的弹性模量仍可达到常温下(未过火)的75%和65%.

表2　S960火灾后弹性模量和弹性模量剩余系数

2.2屈服强度

常温下一般取0.2%作为钢材的名义应变，取此应变对应的应力作为钢材的名义屈服强度.高温下，由于没有明确统一的定义，有学者采用0.5%、1.5%和2.0%分别作为名义应变，取其对应的应力为钢材的名义屈服强度[6-7,13].本文研究过火温度对S960高温后名义屈服强度的影响(名义应变分别取0.2%、0.5%、1.5%和2.0%)，并对比以上4个名义应变所对应的名义屈服强度剩余情况的异同.名义应变0.2%对应的名义屈服强度(f0.2)是由应力-应变曲线与原点处切线平移到0.2%应变处的直线的交点确定；而0.5%、1.5%和2.0%应变所对应的屈服强度是由其应变水平处的垂直线与应力-应变曲线的交点确定.

钢材的屈服强度剩余系数是指钢材高温后的屈服强度与常温下(未过火)屈服强度的比值.试件经拉伸试验得到的4个不同名义应变对应的名义屈服强度见表3，屈服强度剩余系数见表4.

表3　S960火灾后屈服强度

从表3和4可看出，过火温度不超过600 °C时，S960冷却后的名义屈服强度与常温下(未过火)相同，这对超高强钢S960火灾后的再利用是十分有利的.出于安全考虑，若采用超高强钢S960的建筑结构经历火灾的温度在600 °C以下，建议火灾后S960的名义屈服强度取常温下(未过火)的90%.因此采用超高强钢S960的构件若经历火灾温度在600 °C以下，同时构件的平直度在限值内，则火灾后可继续使用.

值得注意的是，当过火温度为800 °C且名义应变取1.5%和2.0%时，S960冷却至常温后的名义屈服强度较750 °C时有显著提高；当过火温度超过800 °C后，其冷却至常温后的屈服强度显著降低.

2.3极限强度

钢材的极限强度剩余系数是指钢材火灾后的极限强度与常温下(未过火)极限强度的比值.试验得出的S960火灾后极限强度和极限强度剩余系数汇总于表5.从表5可看出，过火温度不超过600 °C时，S960冷却后的极限强度与常温下(未过火)相同；即使过火温度达到1 000 °C，S960冷却后的极限强度仍可达到常温下(未过火)的60%.与屈服强度相似，过火温度为800 °C时，S960冷却后的极限屈服强度有所提高；过火温度超过800 °C后，其冷却后的极限强度显著降低，这与超高强钢S960的生产加工工艺有关.

表5　S960火灾后极限强度和极限强度剩余系数

2.4应力-应变曲线与破坏模式

钢材的延性好坏是由钢材断裂之前的变形程度确定的.试验得出的S960火灾高温后应力-应变曲线如图5所示.从图5看出，过火温度不超过800 °C时，S960冷却后的应力-应变曲线与常温下(未过火)相似，具有明显的屈服平台；过火温度超过800 °C后，其冷却后的应力-应变曲线逐渐丧失屈服平台.

当过火温度为800 °C时，S960冷却后的强度较750 °C显著提高，随后随着过火温度升高，其冷却后的强度逐渐降低.试件火灾高温后的典型破坏模式如图6所示.从图6可看出，试件颈缩明显，无脆性破坏，这表明超高强钢S960在火灾后具有良好的延性.

图6　试件不同过火温度冷却后拉伸试验下的破坏模式

3　对比分析

现有研究鲜有涉及钢材的火灾下及火灾后力学性能，BS 5950-8(2003)附录B[18]对火灾后普通钢的继续使用提出相关建议，也对铸钢和预应力钢筋的火灾下及火灾后力学性能提出相关建议，但并未提及高强钢.世界范围内现行的其他设计规范未对钢材火灾后的继续使用给出建议.

Outinen等[7-8]从升温至710 °C的S355和S350构件上截取试件，对试件进行常温下拉伸试验,基于试验结果建议：若钢结构火灾后的变形满足限值要求，材料的强度仍可满足要求.遗憾的是，现阶段定量的钢材火灾后材性数据仍不足.

本节对本文试验结果与现有研究成果进行对比分析.

3.1弹性模量

S960、S355、S460和S690火灾高温后的弹性模量剩余系数如图7所示.从图7可看出，当过火温度低于600 °C时，4种钢材冷却后的弹性模量剩余系数相差不大，均可达到常温下(未过火)的90%以上.值得注意的是，当过火温度超过600 °C后，S960冷却后的弹性模量剩余系数与S690相差不大，但与S460有一定的差别，这是由钢材生产加工工艺决定的.

图7　火灾后弹性模量剩余系数对比

3.2屈服强度

本节比较S960、S355、S460和S690火灾高温后屈服强度的剩余系数，以及BS 5950针对S235和S275给出的火灾后力学性能建议(见图8).从图8可看出，BS 5950针对S235和S275火灾后屈服强度提出的建议并不适用于高强钢S460、S690和超高强度钢S960；针对S355火灾后屈服强度提出的建议对于S460偏保守，对于S690和S960偏不安全，尤其是当过火温度超过700 °C后.此外，当名义应变取0.2%和0.5%时，S960火灾后的屈服强度剩余系数与S690相似；当名义应变取1.5%和2.0%且过火温度超过800 °C后，S960冷却后的名义屈服强度剩余系数与S690有较大差别.综上所述，钢材火灾后的屈服强度剩余系数取决于钢材的等级和生产加工工艺.

a 0.2%名义应变

b 0.5%名义应变

c 1.5%名义应变

d 2.0%名义应变

图8火灾后屈服强度剩余系数对比

Fig.8Comparison of post-fire yield strength residual factors

3.3极限强度

本节比较S960、S355、S460和S690过火冷却后极限强度的剩余系数，以及BS 5950针对S235和S275给出的火灾后力学性能建议(见图9).从图9可看出，BS 5950针对普通钢S235和S275火灾后极限强度提出的建议并不适用于高强钢S460、S690和超高强度钢S960；针对S355火灾后极限强度提出的建议对于S460偏保守，但对于S690和S960并不适用，特别是当过火温度超过700 °C后.此外，当过火温度低于800 °C时，S960火灾高温后的极限强度剩余系数与S690相似；当过火温度超过800 °C后，S960冷却后的极限强度剩余系数与S690有较大差别.因此，钢材火灾后的极限强度剩余系数取决于钢材的等级和生产加工工艺.综上，采用BS 5950针对普通钢火灾后力学性能的建议来预测高强钢的火灾后力学性能是十分危险的，各国规范针对高强钢火灾后力学性能及其可否继续使用提出相应的建议迫在眉睫.本文在试验结果的基础上提出了相应的预测公式.

图9　火灾后极限强度剩余系数对比

4　预测公式

过火温度是钢材力学性能退化的主要因素，因此钢材的各力学性能剩余系数是试件过火温度θ的函数.

4.1弹性模量

S960火灾后的弹性模量剩余系数与S690相同，前期研究[14]给出S690火灾高温后弹性模量剩余系数的预测公式，本文采用该公式(见式(1)和(2))与试验结果进行对比(见图10).从图10可看出，预测公式与试验结果吻合较好，且该公式形式简单，故建议采用该公式预测超高强钢S960火灾高温后的弹性模量剩余程度.

图10　式(1)～(2)计算结果与试验结果的对比

Fig.10Comparison of predicted elastic modulus residual factor from Eqs. (1) and (2) with test results

(1)

10-3θ-0.806,600<θ≤1 000

(2)

式中：Eθ为S960过火温度θ时冷却后的弹性模量；E20为S960常温下(未过火)的弹性模量.

4.2屈服强度

由于0.5%、1.5%和2.0%的名义应变应用范围有限，故本文仅提出0.2%名义应变对应的S960名义屈服强度剩余系数预测公式.

图11列出2种预测公式(见式(3)～(6))与试验结果的对比情况.从图11可看出，式(3)～(4)与试验结果吻合较好，但有时偏于不安全.因此出于安全考虑，建议采用式(5)～(6)预测超高强钢S960火灾后屈服强度的剩余程度.

图11　式(3)～(6)计算结果与试验结果对比

Fig.11Comparison of predicted yield strength residual factor from Eqs. (3)～(6) with test results

(3)

9.388×10-3θ-0.333,600<θ≤1 000

(4)

(5)

4.596,600<θ≤1 000

(6)

式中：fyθ为S960过火温度θ时冷却后的屈服强度；fy20为S960常温下(未过火)的屈服强度.

4.3极限强度

通过试验可看出，过火温度为800 °C时，S960冷却后的极限强度较750 °C显著提高，因此本文采用3段公式拟合试验结果(见图12).从图12可看出，预测公式(7)～(9)与试验结果吻合较好.

(7)

(8)

10-2θ+8.564,800<θ≤1 000

(9)

式中：fuθ为S960过火温度θ时冷却后的极限强度；fu20为S960常温下(未过火)的极限强度.

图12　式(7)～(9)计算结果与试验结果的对比

Fig.12Comparison of predicted ultimate strength residual factor from Eqs. (7)～(9) with test results

5　结语

本文对超高强钢S960进行不同过火温度冷却至常温后的拉伸试验，得到过火温度对S960弹性模量、屈服强度、极限强度、应力-应变曲线的影响规律和典型破坏模式.试验结果表明，S960火灾后的力学性能与S460、S690及普通钢不同，钢材过火冷却后的力学性能取决于钢材的等级和生产加工工艺，因此BS 5950针对普通钢火灾后力学性能及可否继续使用提出的建议并不适用于高强钢，应对高强钢提出针对性建议.值得注意的是，与其他等级钢材相似，当过火温度低于600 °C时，超高强钢S960冷却后可恢复其基本力学性能.因此，当火灾温度不超过600 °C且采用S960构件火灾后的平直度满足限值要求时，构件可以继续使用.出于安全考虑，建议此时S960的力学性能取常温下(未过火)的90%.为便于评估S960过火温度超过600 °C甚至达到1 000 °C冷却后的力学性能，本文提出一系列公式预测S960火灾后的弹性模量、屈服强度和极限强度剩余情况.通过与试验结果对比，验证预测公式的准确性，这为高强钢结构火灾后性能的检测鉴定及可否继续使用提供理论依据，也为各国相关规范的修订提供参考.

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收稿日期：2015-12-22

基金项目：国家自然科学基金(51408150)；中央高校基本科研业务费专项资金(2014KJ044)

通讯作者：姜旭(1982—)，男，工学博士，主要研究方向为钢结构和钢与组合桥.E-mail：jiangxu@tongji.edu.cn

中图分类号：TU392

文献标志码：A

Experimental Study on Post-fire Mechanical Properties of Very High Strength Steel S960

QIANG Xuhong， WU Nianduo， JIANG Xu， LUO Yongfeng

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：This paper presents an experimental study on very high strength steel S960 after cooling down from elevated temperatures and its post-fire elastic modulus, yield strength, ultimate strength and stress-strain curves are obtained. The results show that the material properties of steels after fire are dependent on their grade and process of manufacture. Based on the experimental results, this paper proposes some unique predictive equations for evaluating the post-fire mechanical properties of S960.

Key words：very high strength steel; post-fire; mechanical properties; residual factor; predictive equation

第一作者： 强旭红(1984—)，女，工学博士，主要研究方向为钢结构抗火及高强钢在土木工程领域的应用.

E-mail：qiangxuhong@tongji.edu.cn