火灾后钢材损伤评定的试验研究

刘殿忠,于 哲,王武刚

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

钢材强度的检测与评价关系到火灾后钢结构的修复和重建.为进一步建立火灾后钢材强度与硬度的关系提供依据，本文通过无损检测法测定钢材里氏硬度[1-2]，试验选择工程中常用的H型钢进行火灾现场模拟试验,并进行硬度测量.

1 试验设计

选用H型钢为H 100 mm×100 mm×6 mm×8 mm,长度为500 mm,钢材强度等级分别是Q 235,Q 345和Q 390共3种,加工成长度为500 mm的短柱.为完全还原火灾现场的真实状态,试验中考虑恒温时间、冷却方式、钢材强度等级、受力状态以及H型钢不同部位等因素.其中受火温度从100 ℃～600 ℃分为6个等级;恒温保持时间分别为5 min,10 min和15 min;冷却方式采用浇水冷却和自然冷却等两种[3].

设计受火试件108个、常温试件12个,共120个,具体试件参数及编号如表1所示.

表1 试件参数及编号Table 1 Specimen parameters and numbe

表1中A,B,C分别代表Q 235，Q 345和Q 390钢材的强度等级;W,N分别代表冷却方式为水冷和自然冷;下角标1～6分别代表温度100 ℃～600 ℃;上角标5～15分别代表在具体试验温度下的恒温时间5 min～15 min.试验用拉压开启式电加热炉如图1所示.

1.1 硬度测量

在硬度测试方案中考虑了受力和非受力两种状态[4-5],同时考虑H型钢翼缘、腹板的厚度变化,以及翼缘和腹板的不同部位进行硬度测量.在非受力状态下,要防止试件在弹击过程中发生位移或者晃动造成的部分能量损失,此项测试借助反力架、反力墙和机械式千斤顶来固定试件.在受力状态下,采用在高温试验炉内对试件施加荷载,更能反映火灾后钢结构构件的实际状态及火灾后现场情况.

1.2 试验温度

钢材在600 ℃高温下几乎没有任何强度和刚度[6],对钢结构建筑后续的鉴定和加固工作已无任何意义.因此,本次试验设定的最高温度为600 ℃.依据有关研究结论[7],钢构件在600 ℃温度下持续20 min,其强度和刚度已经损失殆尽,试验设定受火温度下恒温时间分别为 5 min,10 min和15 min.

图1 电加热炉Fig.1 Electric heating furnace

图2 在400 ℃～600 ℃时试件屈曲现象Fig.2 Specimen buckling phenomenon at 400 ℃～600 ℃

2 试验结果分析

由试验可知,在温度上升区段100 ℃～300 ℃时,试件工作正常,承载力几乎没有变化.当温度达到400 ℃～600 ℃区段时,承载力开始下降,试件的翼缘及腹板先后屈曲.由于试件发生屈曲变形,导致加载作动器出现小幅的上下抖动现象,试件屈曲现象如图2所示.

2.1 冷却方式及恒温时间对里氏硬度的影响

在受火温度、受力状态以及检测部位等因素不变的情况下,对于Q 235钢材试件,只进行不同冷却方式里氏硬度测量值的比较,结果如图3所示.

(a) 里氏硬度与恒温时间的关系(100 ℃)(a) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(100 ℃)

(b) 里氏硬度与恒温时间的关系(200 ℃)(b) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(200 ℃)

(c) 里氏硬度与恒温时间的关系(300 ℃)(c) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(300 ℃)

(d) 里氏硬度与恒温时间的关系(400 ℃)(d) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(400 ℃)

(e) 里氏硬度与恒温时间的关系(500 ℃)(e) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(500 ℃)

(f) 里氏硬度与恒温时间的关系(600 ℃)(f) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(600 ℃)

图3为试验温度达到100 ℃～600 ℃时其恒温时间与里氏硬度之间的关系曲线.恒温时间增加,里氏硬度增大,增长幅度大约为3 HLD,恒温时间的影响效果有限.在恒温时间相同的情况下,采用浇水冷却比自然冷却的里氏硬度平均高出35 HLD左右.试件在高温状态下突遇浇水,相当于对钢材有一个淬火的过程,导致其表面硬度增大.因此,冷却方式对里氏硬度的影响较大.

2.2 钢材强度等级对里氏硬度的影响

试验共设了6处恒温时间,每增加100 ℃作为一处恒温时间,选取不同冷却方式下3种钢材强度等级的里氏硬度与受火温度之间的关系进行分析,详见图4，图5.

(a) 里氏硬度与温度的关系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度与温度的关系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c)里氏硬度与温度的关系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)图4 浇水冷却里氏硬度与温度的关系Fig.4 The relationship between Leeb hardness and temperature under water cooling

(a) 里氏硬度与温度的关系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度与温度的关系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c)里氏硬度与温度的关系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)图5 自然冷却里氏硬度与温度的关系Fig.5 The relationship between Leeb hardness and temperature under natural cooling

由图4和图5可知,在冷却方式和恒温时间不变的情况下,钢材强度等级增加,里氏硬度增大;受火温度升高,里氏硬度增大,受火温度从100 ℃到600 ℃时,里氏硬度约增大12 HLD.在浇水冷却及受火温度一样时,Q 345钢材的里氏硬度高于Q 235钢材约28 HLD;Q 390钢材的里氏硬度高于Q 345钢材约43 HLD.试验结果表明,钢材强度提高,里氏硬度呈线性增加,钢材强度等级是影响里氏硬度的主要因素.

2.3 受力状态对里氏硬度的影响

受力状态是对经过高温试验炉恒温冷却后的试件施加压力,施加压力的大小等于试件剩余承载力的70 %,在试件受力状态下进行里氏硬度的测试.采用自然冷却和浇水冷却的Q 235试件翼缘上部的里氏硬度测量结果如图6和图7所示.

(a) 里氏硬度与温度的关系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度与温度的关系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c) 里氏硬度与温度的关系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)图6 自然冷却受力状态对里氏硬度的影响Fig.6 Effect of stress state on Leeb hardness under natural cooling

(a) 里氏硬度与温度的关系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度与温度的关系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c) 里氏硬度与温度的关系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature (15 min)图7 浇水冷却受力状态对里氏硬度的影响Fig.7 Effect of stress state on Leeb hardness under water cooling

由图6可知,在自然冷却及恒温时间不变的情况下,钢材强度等级为Q 235的试件,随受火温度升高,两种状态下的里氏硬度均增大;在受火温度相同时,受力状态的里氏硬度高于非受力状态,大约高5 HLD左右,表明二者的影响差别不大.

在浇水冷却及恒温时间不变的情况下,受力状态的里氏硬度与非受力状态的里氏硬度比较接近,一般变化幅度在3 HLD左右,详见图7.

综上,受力状态与非受力状态的里氏硬度比较接近,前者略高,其受力状态对里氏硬度的影响较小.

3 结论

在H型钢试件受火试验中,研究了有关因素对钢材里氏硬度的影响,可得如下结论:

(1) 里氏硬度随受火温度的提高而增大,受火温度从100 ℃升到600 ℃时,里氏硬度平均增加12 HLD,增加幅度不大.

(2) 随着恒温时间增加,里氏硬度呈现出小幅增长,恒温时间从5 min至15 min,其里氏硬度增长幅度在3 HLD左右,其影响效果有限.

(3) 在恒温时间相同的情况下,浇水冷却比自然冷却的里氏硬度平均高出35 HLD左右,冷却方式对里氏硬度的影响较大.

(4) 在其它因素不变的情况下,钢材强度等级提高,里氏硬度呈线性增加,钢材强度等级对里氏硬度的影响最大.

(5) 在恒温时间相同时,受力状态和非受力状态下的里氏硬度都随受火温度的增加略有增长;在同一温度下,受力状态下里氏硬度高于非受力状态,但其影响不明显.