高温下与高温后Q550D高强钢材料力学性能试验

范圣刚，刘 平，石 可，肖韩杰，钱 峰，方 超



高温下与高温后Q550D高强钢材料力学性能试验

范圣刚1, 2，刘 平2，石 可2，肖韩杰2，钱 峰2，方 超2

(1. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096；2. 东南大学土木工程学院，南京 210096)

高强钢具有强度高、韧性好、可焊性优良等优点，其在土木工程中的应用越来越广泛．高强钢在火灾下的力学性能是钢结构抗火设计的重要影响因素．为获取高温下与高温后Q550D高强钢材料的力学性能，基于稳态试验方法，对Q550D高强钢开展了拉伸试验，考察了不同冷却方式(自然冷却与浸水冷却)与过火温度对Q550D高强钢力学性能的影响，获取了不同温度工况下Q550D高强钢的应力-应变曲线和高温下与高温后各项力学性能参数指标(弹性模量、屈服强度、抗拉强度和极限伸长率)的折减系数，并将试验结果与已有规范和文献结果进行了对比分析．结果表明：高温下Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度随着试验温度的升高而逐渐下降，其折减系数均低于各国规范的取值；当温度超过400℃时，高温下Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度和抗拉强度下降明显，当温度超过700℃时，3个力学性能指标均接近于零；不同冷却方式与过火温度对Q550D高强钢的弹性模量影响不大；当温度低于600℃时，高温冷却后Q550D高强钢的屈服强度和抗拉强度的折减并不明显，当温度超过600℃时，屈服强度和抗拉强度显著下降，且自然冷却方式下的下降程度更大；高强钢与普通钢高温冷却后的屈服强度与抗拉强度存在较大差别．

高强钢；力学性能；稳态试验；高温冷却；折减系数

与普通钢材相比，高强度钢具有高强度、良好的韧性与可焊性等优点，能够有效减轻结构自重与焊接工作量，降低建筑的全寿命周期成本，因此被越来越多地应用于国内外的建筑结构、桥梁工程、输电线路等领域．高强钢在结构受力性能、建筑使用功能以及社会效益和环保效益等方面具有明显优势．高强钢不仅能够进一步提高结构的安全性和可靠性；而且还能有效地减小构件尺寸，从而降低用钢量、减小构件的焊接量以及降低钢构件的运输和吊装难度．目前，高强钢在国内外的建筑结构领域中已有少量的应用，典型工程案例[1-2]有国家体育场、中央电视台新台址主楼、深圳市深圳会展中心、扬州体育公园体育场、澳大利亚悉尼市Grosvenor Place大楼、美国休斯敦Reliant Stadium．

然而，无论是普通钢还是高强钢，其在实际应用中都面临着一个难以忽视的问题：高温下钢材的力学性能将会产生显著的下降，且过火后的钢材会经受二次破坏．自911恐怖事件过后，钢结构的抗火性能引起了工程界的广泛关注，对钢结构进行抗火设计以及火灾后的鉴定修复设计至关重要．因此亟需对高强钢在火灾下的力学性能进行研究，使其在结构中的应用不被高温所限制．

传统的碳素结构钢和低合金结构钢相比，新的钢材生产工艺技术能使高强钢化学成分具有更高的洁净度，使高强钢具有细化的晶粒组织、良好的塑性和较高的机械强度．目前，国内外学者对高温下和过火后普通钢材力学性能的研究已经较为成熟，且提出了合理的本构模型与力学性能参数计算方法[3-9]．然而国内对高温下高强钢力学性能的研究很少，主要开展了在Q460[10-11]、S690[12]高强钢以及G550[13]冷成型钢的高温力学性能试验研究，而对于Q550D高强钢火灾下材料力学性能研究尚鲜见研究．上述试验结果表明高温下与过火后高强钢的力学性能折减系数与普通钢材差别较大，现行的钢结构抗火设计方法并不适用于高强钢．因此，对高温下与高温后Q550D高强钢力学性能进行试验研究是很有必要的，对完善钢结构抗火设计与灾后鉴定加固设计具有重要的理论意义与工程实践价值．

本文通过拉伸试验对高温下与高温后Q550D高强钢材料的应力-应变曲线与弹性模量、屈服强度、抗拉强度的折减系数进行了研究，揭示了不同温度和不同冷却方式对其力学性能的影响规律，为Q550D高强钢的抗火设计提供材性基础．最后，本文将试验结果与其他高强钢试验结果以及各国规范进行对比．

1 试验方案

1.1 试验方法

1) 常温拉伸试验

根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T228.1—2010)[14]的要求，常温拉伸试验加载通过位移控制，分两阶段进行加载：第１阶段加载过程主要用于测量Q550D高强钢材料的初始弹性模量和名义屈服强度，以0.6mm/min的加载速率加载至1.0mm，弹性模量和应变数据由标距范围内引伸计获得；第２阶段加载过程主要用于测量Q550D高强钢材料的抗拉强度，以5mm/min的加载速率拉伸至试件断裂，试件的断后伸长率采用游标卡尺测量．

2)高温稳态试验

高温稳态试验方法采用了恒温加载方法，即在试验过程中先将试件升温至某一控制温度，然后恒定此控制温度不变，按照一定加载速率拉伸直至试件断裂.

高温稳态试验温度设置范围为100～900℃，每间隔100℃设置一个对应的温度工况，每一温度工况下设置两个试验试件．文献[13，15]表明，试验炉升温速率选取为20℃/min 时，炉内热电偶的温度与试件温度较为接近，故本试验取升温速率为20℃/min．

在稳态试验中，首先将高温炉按设计的升温速率(20℃/min)升至指定温度，保温30min，升温及保温过程试验机荷载为0，即允许试件自然膨胀[16]．其次，根据《金属材料高温拉伸试验方法》(GB/T 4338—2006)[17]的要求，稳态试验中试件的加载方式同常温下拉伸试件的加载方法，第１阶段加载速率为0.1mm/min，直至试件应变为2.0mm；第２阶段加载速率为1.0mm/min，拉伸至试件断裂．在加载过程中始终恒定控制温度不变．

3) 高温后拉伸试验

高温冷却后试验温度设置范围为100～900℃，每间隔100℃设置一个对应的温度工况，每一温度工况下设置两个试验试件．按设定升温速率20℃/min将试件升至指定温度，保温15min，然后将试件取出进行降温．

采取自然冷却和浸水冷却两种方式将试件冷却至室温．自然冷却是将试件从升温炉中取出后放在空气中自然冷却至室温；浸水冷却是将试件从升温炉中取出后放在装满室温水的铁桶中冷却至室温．试件冷却后在自然状态下放置3d，观察并记录试件冷却后的表观特征，再进行常温拉伸试验，具体加载过程与常温拉伸试验相同．

1.2 试验设备

高温稳态试验在东南大学土木交通实验平台进行，采用的仪器为UTM5305电子万能试验机．测量设备为UTM5305高温引伸计，用于测量拉伸应变，采样频率为5Hz，量程为50mmm，如图1(a)所示．

高温冷却后高强钢力学性能试验分为升温、冷却与常温下拉伸3个阶段，主要在东南大学材料科学与工程学院的金属材料重点实验室与玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心完成．升温过程采用SX2-5-12 型号的箱式电阻升温炉，如图1(b)所示，最高可升至1200℃；升温炉利用电阻丝发热进行升温；升温炉内设置热电偶用于监测与调控炉内温度．常温加载采用 10TCMT5105微机控制电子万能试验机，试验装置如图1(c)所示；测量设备为试验机配套的位移传感器、力传感器以及常温引伸计.

1.3 试件制作

进行高温稳态试验的UTM5305电子万能试验机夹具最大夹持厚度为4mm，将6mm厚Q550D高强钢板铣平为4mm厚钢板，再将4mm厚钢板线切割加工成试件．试件尺寸按照《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》(GB/T228.1—2010)[14]和《金属材料高温拉伸试验方法》(GB/T4338—2006)[17]中相关规定进行设计，具体尺寸如图2所示.

图1 试验设备

图2 试件尺寸

试件数量共计57个，分成4组．其中，常温试验试件3个，以获得常温下Q550D高强钢材料的力学性能参数；高温稳态试验试件18个，以获得高温下Q550D高强钢材料的力学性能参数；高温冷却后试验试件36个，其中自然冷却和浸水冷却试件各18个，以获得高温冷却后Q550D高强钢材料的力学性能参数．试件分组及尺寸详见表1所示．

表1 试件分组与尺寸

Tab.1 Groups and sizes of specimens

注：A组为常温下试件；B组为高温稳态试件；C组为高温后自然冷却试件；D组为高温后浸水冷却试件．

2 常温试验结果

通过常温拉伸试验，可获得常温下Q550D高强钢力学性能的基本参数，详见表2．表中的各项参数为3个试验试件(A1、A2和A3)的平均值．其中，、y、u、分别为常温下Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和极限伸长率．Q550D高强钢材的屈服强度取0.2%残余变形对应的应力值．

在本次常温下拉伸试验中，试件A1弹性模量的试验结果出现异常；相较于试件A2和A3，试件A1弹性模量的试验结果超出了20%．分析导致此误差的原因主要有两方面：①在试件A1测量过程中，引伸计测出的变形值可能存在着少许误差；②在高强度钢弹性模量的线性拟合中，试件A1的数据存在一定的误差．为此，在后续高强度钢力学性能数据的对比分析中，摒弃了试件A1弹性模量的试验数据．

表2 常温试验Q550D高强钢力学性能参数

Tab.2 Mechanical property indexes of Q550D high-strength steel at roomtemperature tensile test

3 高温稳态试验结果与分析

3.1 试件表观特征

高温稳态试验后试件表观特征如图3所示.在图3中从左至右各试件的过火温度分别为100℃、200℃、300℃、…、900℃．

图3 高温稳态试验后试件表观特征

由图3可知：当温度为100℃时，试件颜色与常温相同；200～300℃时，试件为黄褐色；400℃时试件表面为淡蓝色；500℃时试件表面变为灰白色；600～900℃时，试件颜色加深，为黑褐色．由此可见，Q550D高强度钢表面的碳化程度随温度的升高而逐渐加重，钢材表面颜色逐渐变深．

3.2 高温下高强钢的力学性能

由高温稳态试验结果，可以获得不同温度条件下Q550D高强钢的应力-应变曲线，如图4所示．由图4可知：随着温度的升高，Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度和抗拉强度不断减小．

图4 稳态试验获得的Q550D高强钢应力-应变曲线

表3 稳态试验获得的Q550D高强钢力学性能的折减系数

Tab.3 Reduction factors of mechanical properties of Q550D high-strength steel obtained by steady-state test

由表3可知：①随着温度的升高，Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度均有所下降．②当温度低于400℃时，Q550D高强钢的弹性模量略有降低，且在小范围内波动，主要原因为：在测量过程中引伸计存在着误差，且弹性模量在线性拟合时也存在数值误差，与此同时由于试验试件数量较少(样本容量小)，而无法完全消除上述误差；当温度超过400℃时，弹性模量大幅度下降；当温度超过700℃时，弹性模量接近于零，表明Q550D高强钢此时已经失去承载能力．③屈服强度与抗拉强度在高温下的变化趋势与弹性模量接近：在400℃之前缓慢下降，并无波动；在400～700℃之间迅速下降；超过700℃后趋近于零．屈服强度与抗拉强度折减程度比弹性模量小．

3.3 高温稳态试验结果对比

为了便于对比分析高温下Q550D高强钢与其他高强度钢材力学性能的差异，将本次试验结果与文献[10-13]以及欧洲、美国、澳大利亚钢结构设计规  范[18-20]的已有结果进行对比．高温下高强度钢弹性模量、屈服强度和抗拉强度折减系数对比结果分别如图5(a)～(c)所示．

由图5可知：①通过稳态试验获得高温下Q550D高强钢弹性模量、屈服强度和抗拉强度折减系数变化趋势与其他各国规范(Eurocode 3，AS4100和AISC)给出的曲线较为接近，但试验值均低于各国规范结果．由于现行的钢结构设计规范中抗火设计指标主要基于普通钢材的试验结果，因此各国规范中钢材力学性能参数的取值方法对于高温下Q550D高强钢力学性能是不适用的．②与其他高强钢相比，Q550D高强钢弹性模量折减系数整体低于Q460高强钢，与G550冷成型钢较为接近；Q550D高强钢屈服强度与抗拉强度折减系数均低于Q460高强钢；在温度为300℃前，Q550D冷成型钢的屈服强度与抗拉强度折减系数略低于G550高强钢；当温度超过300℃后，下降趋势和折减程度明显低于G550高强钢．

图5 高温下高强度钢力学参数折减系数对比

4 高温冷却后试验结果与分析

4.1 试件表观特征

高温过火后经自然冷却和浸水冷却两种方式的试件表观特征分别如图6(a)、(b)所示．图中从左至右各试件的过火温度分别为100℃、200℃、300℃、…、900℃．

由图6可知：①在自然冷却和浸水冷却条件下，Q550D高强度钢表面的氧化程度随过火温度的升高而逐渐加重，由于氧化程度的增加，各试件表面呈现的颜色逐渐变深，由金属本色逐渐向炭黑色过渡；在温度为900℃时，试件表面严重氧化，表面颜色呈炭黑色．②在温度工况为100～500℃时，两种冷却方式下试件表观特征基本保持一致；在温度工况为500℃后，浸水冷却试件的表面颜色加深，而自然冷却试件表面呈暗红色．

图6 高温过火后经不同冷却方式后试件的表观特征

4.2 高温冷却后高强钢应力-应变曲线

高温自然冷却和浸水冷却后不同温度工况下Q550D高强钢的应力-应变曲线如图7所示．

由图7可知：①常温下Q550D高强钢的应力-应变曲线有屈服平台；在自然冷却方式下，除了温度工况为700℃，其余温度条件下其应力-应变曲线都存在屈服平台；在浸水冷却方式下，在100℃和600℃的温度区间，Q550D高强钢应力-应变曲线有屈服平台，超过600℃时，应力-应变曲线表现出非线性特征，没有屈服平台．②在过火温度为600℃及之前，过火温度的高低对Q550D高强钢应力-应变曲线影响不大；在过火温度为600℃后，随着温度的提高，Q550D高强钢屈服强度与抗拉强度显著下降．③在20～700℃范围内，Q550D高强钢的延性基本保持不变；当温度超过700℃时，自然冷却方式下Q550D高强钢的延性大大提高；而在浸水冷却方式下Q550D高强钢的延性略有下降，可能是浸水冷却相当于淬火处理，使钢材延性下降．

图7 高温冷却后Q550D高强钢应力-应变曲线

4.3 高温冷却后高强钢力学性能指标

表4的数据表明：①过火温度的高低和冷却方式的不同对Q550D高强钢弹性模量的影响较小，折减幅度在15%以内，因此过火温度的高低并不会使Q550D高强钢的弹性模量显著变化．②当过火温度不超过600℃时，自然冷却与浸水冷却方式下Q550D高强钢的屈服强度略有折减，但变化不大；当过火温度超过 600℃时，两种冷却方式下Q550D高强钢的屈服强度随温度的升高逐渐减小，且自然冷却下屈服强度的折减程度略大于浸水冷却下的折减程度；当过火温度为900℃时自然冷却方式下Q550D高强钢屈服强度的折减高达53%．③当过火温度不超过700℃时，两种冷却方式下Q550D高强钢的抗拉强度基本没有变化；当过火温度超过700℃时，两种冷却方式下Q550D高强钢的屈服强度随温度的升高开始下降，且自然冷却方式下抗拉强度的折减明显大于浸水冷却方式下的折减；当过火温度为900℃时两者相差23%．④当过火温度不超过600℃时，自然冷却和浸水冷却方式下Q550D高强钢的极限伸长率无明显变化；当温度超过600℃时，浸水冷却后钢材的极限伸长率随温度的升高略有折减，而自然冷却后钢材的极限伸长率在800℃时显著增加，900℃时极限伸长率提高了53%．

表4 Q550D高强钢不同冷却方式下力学性能的折减系数

Tab.4 Reduction factors of mechanical properties of Q550D high-strength steel after cooling using different methods

4.4 高温冷却后试验结果对比

为了全面地考察高温冷却后Q550D高强钢与其他级别的普通钢或高强钢力学性能的差异，本文将本次试验结果与已有文献给出的高温冷却后Q235  钢[5]、Q460高强钢[11]和Q690[21]高强钢力学性能试验结果进行对比分析．

1) 弹性模量的对比

由图8可知：不同冷却方式和过火温度对不同钢材弹性模量的影响较小；无论是高强钢还是普通钢，在自然冷却和浸水冷却条件下，随着过火温度的升高，弹性模量折减系数仅在小范围内波动．

图8 高温冷却后不同材料弹性模量折减系数对比

2) 屈服强度的对比

图9 高温冷却后不同材料屈服强度折减系数对比

由图9可知：①在自然冷却方式下，随着温度的增加，Q460、Q550D、Q690高强钢屈服强度折减系数先基本保持不变，过火温度到达450℃后迅速减小，且Q550D和Q690的下降幅度比Q460大；Q235普通钢屈服强度随过火温度的升高缓慢下降，下降幅度最小．②在浸水冷却方式下，随着过火温度的升高，3种高强钢的屈服强度折减系数变化趋势与自然冷却情况下相似；当过火温度达到900℃时，Q690高强钢的屈服强度大幅度提高；Q235普通钢的屈服强度折减系数随温度升高变化不大，且在过火温度为900℃时其屈服强度有一定的提高．综上所述，过火温度和冷却方式对4种钢材的屈服强度均有影响，高强钢和普通钢高温冷却后的屈服强度变化趋势存在一定的差异．

3) 抗拉强度的对比

图10 高温冷却后不同材料抗拉强度折减系数对比

由图10可知：①在自然冷却方式下，Q235钢与Q460钢的抗拉强度变化趋势比较接近，均随过火温度的升高有缓慢下降；对Q550D和Q690高强钢，随着温度的升高，抗拉强度折减系数先保持不变，后产生明显下降，当过火温度为900℃时降至常温下抗拉强度的60%．②在浸水冷却方式下，当过火温度在100～700℃时，Q235、Q460、Q690的抗拉强度折减系数无明显变化；当过火温度超过700℃时，Q235和Q460的抗拉强度明显增加，Q550D的抗拉强度有一定的下降；Q690高强钢的抗拉强度折减系数在过火温度400℃前基本保持不变，过火温度超过400℃后开始下降，过火温度700℃后又有大幅度上涨，比常温下的强度增长了57%．③在两种冷却方式下，4种材料的抗拉强度变化趋势都存在着明显区别，可见不同冷却方式对高强钢和普通钢的抗拉强度有着较大的影响．

5 结 论

本文对高温下与高温后Q550D高强钢力学性能进行了试验研究，通过高温稳态试验方法考察了高温下Q550D高强钢力学性能变化趋势以及不同冷却方式和过火温度对材料力学性能的影响，并与已有试验结果和各国规范(Eurocode3、AS4100和AISC)进行对比分析，得出了以下结论．

(1) 在高温稳态试验下，随着温度的升高，Q550D高强钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度逐渐下降；当温度达400℃后折减速度明显加快；当温度达到800℃，各项力学指标均已下降至零．

(2) 各国钢结构设计规范中高温下钢材力学性能参数的取值方法对高温下Q550D高强钢力学性能是不适用的；与其他高强钢相比，高温下Q550D高强钢力学性能试验结果与G550冷成型钢比较接近，而各项力学性能折减系数均低于Q460高强钢．

(3) 不同冷却方式和过火温度对Q550D高强钢的弹性模量影响较小；当过火温度超过600℃时，不同冷却方式和过火温度对Q550D高强钢的屈服强度和抗拉强度的影响较为显著．

(4) 高温冷却后不同钢材的弹性模量受过火温度和冷却方式的影响不大，高温冷却后不同钢材屈服强度和抗拉强度变化规律存在一定差异．

［1］ 施 刚，石永久，王元清. 超高强度钢材钢结构的工程应用[J]. 建筑钢结构进展，2008，10(4)：32-38.

Shi Gang，Shi Yongjiu，Wang Yuanqing. Engineering application of ultra-high strength steel structures[J]. Progress in Steel Building Structures，2008，10(4)：32-38(in Chinese).

［2］ 罗永峰，任楚超，强旭红，等. 高强钢结构抗火研究进展[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2016，49(增)：104-121.

Luo Yongfeng，Ren Chuchao，Qiang Xuhong，et al. State-of-the-art on fire-resistance behavior of high strength steel strructures[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2016，49(Suppl)：104-121(in Chinese).

［3］ 丁发兴，余志武，温海林. 高温后Q235钢材力学性能试验研究[J]. 建筑材料学报，2006，9(2)：245-249.

Ding Faxing，Yu Zhiwu，Wen Hailin. Experimental research on mechanical properties of Q235 steel after high temperature treatment[J]. Journal of Building Materials，2006，9(2)：245-249(in Chinese).

［4］ 张有桔，朱 跃，赵 升，等. 高温后不同冷却条件下钢材力学性能试验研究[J]. 结构工程师，2009，25(5)：108-113.

Zhang Youjie，Zhu Yue，Zhao Sheng，et al. Experimental research on mechanical properties of steel cooled in different modes after high temperature treatment[J]. Structural Engineers，2009，25(5)：108-113(in Chinese).

［5］ 陈建锋，曹平周. 高温后结构钢力学性能试验[J]. 解放军理工大学：自然科学版，2010，11(3)：328-333.

Chen Jianfeng，Cao Pingzhou. Experimental investigation into mechanical properties of steel post high temperatures[J]. Journal of PLA University of Science and Technology：Natural Science Edition，2010，11(3)：328-333(in Chinese).

［6］ 李国强，陈 凯，蒋首超，等. 高温下Q345钢的材料性能试验研究[J]. 建筑结构，2001，31(1)：53-55.

Li Guoqiang，Chen Kai，Jiang Shouchao，et al. Experimental study on material properties of Q345 steel at elevated temperatures[J]. Building Structure，2001，31(1)：53-55(in Chinese).

［7］ 屈立军，李焕群. Q420钢材高温强度试验研究[J]. 消防科学与技术，2004，23(3)：223-225.

Qu Lijun，Li Huanqun. Study on strength of Q420 steel section at elevated temperature[J]. Fire Science and Technology，2004，23(3)：223-225(in Chinese).

［8］ Outinen J，Maekelaeinen P. Mechanical properties of structural steel at elevated temperatures[C]// Proceedings of the 3rd International Conference on Advances in Steel Structures. Hong Kong，China，2002：1103-1110.

［9］ Outinen J，Mäkeläinen P. Mechanical properties of structural steel at elevated temperatures and after cooling down[J]. Fire & Materials，2004，28(2/3/4)：237-251.

［10］ 王卫永，刘 兵，李国强. 高强度Q460钢材高温力学性能试验研究[J]. 防灾减灾工程学报，2012，32(增1)：34-39.

Wang Weiyong，Liu Bing，Li Guoqiang. Experimental study on mechanical properties of Q460 high strength steel at elevated temperature[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2012，32(S1)：34-39(in Chinese).

［11］ 王卫永，刘天姿. 高强Q460钢高温冷却后力学性能研究[J]. 建筑材料学报，2016，19(1)：171-176.

Wang Weiyong，Liu Tianzi. Study on mechanical properties of high strength Q460 steel after cooling from high temperature[J]. Journal of Building Materials，2016，19(1)：171-176(in Chinese).

［12］ 强旭红，吴钟艳，姜 旭，等. 高强结构钢S690高温力学性能[J]. 同济大学学报：自然科学版，2016，44(5)：685-694.

Qiang Xuhong，Wu Zhongyan，Jiang Xu，et al. Mechanical properties of high strength steel S690 at elevated temperatures[J]. Journal of Tongji University：Natural Science，2016，44(5)：685-694(in Chinese).

［13］ 陈 伟，叶继红. G550高强度冷成型钢高温力学性能稳态试验研究[J]. 土木工程学报，2012，45(6)：33-42.

Chen Wei，Ye Jihong. Steady state experimental investigation of G550 high strength cold-formed steel material at elevated temperatures[J]. China Civil Engineering Journal，2012，45(6)：33-42(in Chinese).

［14］ GB/T 228.1—2010 金属材料拉伸试验第一部分：室温实验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2010.

GB/T 228.1—2010 Metallic Materials-Tensile Testing-Part 1：Method of Test at Room Temperature[S]. Beijing：Standards Press of China，2010(in Chinese).

［15］ 范圣刚，郑家珵，孙文隽，等. S30408奥氏体不锈钢高温力学性能试验研究[J]. 工程力学，2017，34(4)：167-176.

Fan Shenggang，Zheng Jiacheng，Sun Wenjun，et al. Experimental investigation on mechanical properties of S30408 austenitic stainless steel at elevated temperatures[J]. Engineering Mechanics，2017，34(4)：167-176(in Chinese).

［16］ 范圣刚，张岁寒，孟 畅. 高温冷却后奥氏体不锈钢力学性能试验研究[J]. 浙江大学学报：工学版，2017，51(12)：2348-2354.

Fan Shenggang，Zhang Suihan，Meng Chang. Experimental investigation on mechanical properties of austenitic stainless steel with elevated temperature cooling[J]. Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2017，51(12)：2348-2354(in Chinese).

［17］ GB/T 4338—2006 金属材料高温拉伸试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

GB/T 4338—2006 Metallic Materials-Tensile Testing at Elevated Temperature[S]. Beijing：Standards Press of China，2006(in Chinese).

［18］ European Committee for Standardization. EN 1993-1-2 Eurocode 3-Design of Steel Structures-Part 1-2：General Rules—Structural Fire Design[S]. Brussels：CEN，2005.

［19］ Standards Australia Committee. BD/1. AS4100：1998 Steel structures[S]. Sydney：Standards Australia，1998.

［20］ American Institution of Steel Construction. Specification for Structural Steel Buildings[S]. Chicago：AISC，2005.

［21］ 李国强，吕慧宝，张 超. Q690钢材高温后的力学性能试验研究[J]. 建筑结构学报，2017，38(5)：109-116.

Li Guoqiang，Lü Huibao，Zhang Chao. Experimental research on post-fire mechanical properties of Q690 steel[J]. Journal of Building Structures，2017，38(5)：109-116(in Chinese).

Experiment on Mechanical Properties of Q550D High-Strength Steel Exposed to Overall Stage of Fire Exposure

Fan Shenggang1, 2，Liu Ping2，Shi Ke2，Xiao Hanjie2，Qian Feng2，Fang Chao2

(1. Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China；2. School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

High-strength steels are widely used in civil engineering because of their high strength，good toughness，and excellent weldability. Their mechanical properties in fire are critical influence factors on the fire resistance design of steel structures. To investigate mechanical properties of Q550D high-strength steel at elevated temperatures and after cooling from elevated temperatures，tensile tests based on steady-state test technique were conducted，including steady-state method and post-fire tensile tests. Influences of different cooling conditions(natural cooling and water cooling)and various temperatures on the mechanical properties of Q550D high-strength steel were investigated. Stress-strain curves and reduction factors of mechanical performance indexes(elastic modulus，yield strength，tensile strength and elongation)at different temperatures were obtained. Test results were compared with those of similar studies and design standards of various countries. The results showed that with the increase of test temperatures，elastic modulus，yield strength and tensile strength of Q550D high-strength steel gradually decreased at elevated temperatures and the reduction factors were lower than the values in design standards. When the heating temperature exceeded 400℃，the elastic modulus，yield strength and tensile strength of Q550D high strength steel significantly decreased at elevated temperature，and when the heating temperature exceeded 700℃，these three mechanical properties were close to zero. Different cooling methods and various temperatures had little influence on the elastic modulus of Q550D high-strength steel. When the heating temperature was under 600℃，the reduction of yield strength and tensile strength of Q550D high-strength steel was not obvious after cooling from elevated temperatures，whereas，when the temperature was over 600℃，there was a significant reduction in yield strength and tensile strength. The yield strength and tensile strength of naturally cooled specimens decreased more than those cooled in water. Large differences existed between both yield strengths and tensile strengths of high-strength steels and ordinary structural steels after cooling from elevated temperatures.

high-strength steel；mechanical property；steady-state test；cooling from elevated temperature；reduction factor

10.11784/tdxbz201809030

TU391.1

A

0493-2137(2019)07-0680-10

2018-09-11；

2018-12-10.

范圣刚（1974—  ），男，博士，教授.

范圣刚，101010393@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51878146，51378105)；江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人资助项目(2016)；江苏省“六大人才高峰”高层次人才选拔培养资助项目(JZ-001).

the National Natural Science Foundation of China(No.51878146，No.51378105)，the Jiangsu Provincial Qing Lan Project (2016)，the Jiangsu Provincial Six Talent Peaks(No.JZ-001).

(责任编辑：樊素英)