高温后高强度钢的力学性能试验
2020-01-15
(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310023)
高强度冷弯型钢具有自重轻、强度高、延性好和工业化生产强度高等优点，同时也存在耐热不耐火的缺陷。因此，如何在规避缺点的同时将钢结构广泛地应用到实际工程中，是钢结构发展中亟待解决的问题。在实际工程中，火灾是无法预测和规避的常见灾难。火灾后，通过估算主要承重构件的残余强度，可以判断结构是否需要拆除、修理或重建。因此，研究高温后高强度冷弯型钢的力学性能具有十分重要的意义。迄今为止，众多学者对历经火灾后钢材的力学性能进行了不同程度的研究。丁发兴等[1]开展了高温后Q235钢材的力学性能试验，结果表明，钢材的屈服强度及极限强度随温度的升高而减小，而弹性模量和泊松比不变。Qiang等[2-3]对高温后高强度S460、S690和S960钢材的力学性能进行了试验研究，试验表明，高温后不同强度钢材的力学性能衰减程度有较大差别，钢材强度越高，衰减程度越大。Gunalan等[4]对三种不同强度不同厚度的钢材试件(G300-1.00 mm，G500-1.15 mm和G550-0.95 mm)开展了高温后力学性能试验，研究表明，钢种对钢材的屈服强度和弹性模量有影响，而厚度对其影响甚微。张有桔等[5-7]分别对高温后普通Q235钢材、高强度Q460钢材和高强度Q690钢材在自然冷却和浸水冷却两种冷却条件下的力学性能开展了试验研究，研究表明，冷却方式对钢材的力学性能影响显著。Chen等[8]对高温后不同强度的钢拉杆在空气冷却和水冷却两种冷却条件下的力学性能进行了试验研究，结果表明，钢拉杆等级和冷却方式均对高温后钢材力学性能有显著影响。Lu等[9]对高温后热轧和冷弯型钢进行了力学试验研究，对比分析了不同型号的热轧钢及不同形状的冷弯型钢经高温冷却后力学性能的差异。Kesawan等[10-11]对高温后矩形和方形空心型材的力学性能以及高温下LSB型材的力学性能进行了试验研究，试验表明，历经火灾后空心型材与普通型材力学性能折减有差异；LSB型材中不同位置(腹板、翼缘等)的钢材高温后力学性能折减程度也不同。
火灾发生时，通常会使用喷水灭火，但当发生一般B类火灾(如油制品、油脂等发生火灾)时，无法使用喷水灭火而需要使用泡沫灭火。因此，研究泡沫冷却对高温后冷弯型钢力学性能的影响具有十分重要的现实意义。虽然众多学者对高温后冷弯型钢力学性能进行了不同程度的研究，但是不同强度不同冷却方式对高温后冷弯型钢的力学性能仍可能有不同的影响，而目前鲜有学者研究高温后泡沫冷却条件下高强度G450钢的力学性能。基于以上所述，笔者对高强度G450钢开展了高温力学性能试验，将高强度G450钢试件高温加热至200～800℃后，采用泡沫冷却方式冷却至室温，再进行力学拉伸试验，获得应力—应变曲线、弹性模量、屈服强度和极限强度，考虑不同温度对高强度G450钢力学性能的影响，提出力学参数预测方程，以评估高温泡沫冷却后高强度G450钢的残余力学性能。
1 试验概况
1.1 试件尺寸
试件采用高强度G450钢材薄板切割而成，表面镀锌，厚度为1.5 mm，试件的尺寸根据GB/T 228—2010[12]的规范要求确定。试件详细尺寸见图1。
图1 试件尺寸(单位：mm)Fig.1 Dimension of specimen(size: mm)
1.2 试验方案
本试验设置7 个温度组，每个温度设置A，B两组对照组，分别将试件加热至200，300，400，500，600，700，800 ℃，达到设定温度后，将试样保温20 min后取出，使其均匀受热，再使用泡沫冷却方式进行冷却，升温曲线见图2。通过试验，得到高强度G450钢应力—应变曲线、弹性模量、屈服强度及极限强度。试件加热装置采用万能试验机高温加热炉，拉伸试验采用美国Instron英斯特朗万能试验机加载，试验设备见图3。拉伸试验按照GB/T 228—2010《金属材料室温拉伸试验方法》[12]进行。
图2 升温曲线Fig.2 Temperature-time curve
图3 试验设备Fig.3 Test equipment
2 试验结果及分析
2.1 表观特征
试件经高温冷却后因氧化程度不同，其表观会发生不同程度的变化。经200～300 ℃加热冷却后，表观无明显变化；高温加热至400 ℃冷却后，试件表面出现氧化痕迹，试件表面泛黄，出现白色裂纹，表皮因氧化锈蚀而有脱落现象；高温加热至500～600 ℃冷却后，试件表面出现块状剥落，并且出现气孔，表面颜色泛黑。高温加热至700 ℃以上冷却后，试件表面呈现块状红色和蓝色，试件表皮基本完全剥落。由图4可知：随着温度升高，试件表面泛黑越来越严重。观察试件的表观特征，能够初步判断钢材的受火情况，初步推测钢材是否能够继续使用。
1—200 ℃；2—300 ℃；3—400 ℃；4—500 ℃；5—600 ℃；6—700 ℃；7—800 ℃。图4 试件表观特征Fig.4 Appearance characteristics of the test piece
2.2 弹性模量
弹性模量为构件应力—应变曲线的初始斜率。为保证数据的准确性，去除明显偏离正常值的数值，取A，B两组弹性模量的平均值。弹性模量的折减系数即高温冷却后的弹性模量(ET)与环境温度下的弹性模量(E)之比，折减系数可以表示高温后钢材试件弹性模量的劣化程度。高温冷却后的弹性模量见表1，弹性模量折减系数随温度变化规律见图5。
表1 高温冷却后高强度G450钢力学参数值Table 1 Mechanical parameters of high-strength G450 steel after cooling from high temperature
图5 各项力学参数折减系数Fig.5 Reduction factors of mechanical parameters
2.3 屈服强度
对于无明显屈服的金属材料，规范规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服强度。为了将试验数据进行对比，无论是否有屈服平台，本试验取应力—应变曲线和0.2%应变的比例线交点作为屈服强度。屈服强度的折减系数，即高温冷却后的屈服强度(fy.T)与环境温度下的屈服强度(fy)之比。高温冷却后的屈服强度见表1，屈服强度折减系数随温度变化规律见图5。
2.4 极限强度
将试件进行拉伸直至其颈缩，得到其极限强度。极限强度的折减系数即钢材高温冷却后的极限强度(fu.T)与环境温度下的极限强度(fu)之比。高温冷却后的极限强度见表1，极限强度折减系数随温度变化规律见图5。
从图5中可以发现：升温至20～300 ℃后冷却，高强度G450钢的弹性模量、屈服强度及极限强度随温度升高而小幅增大。高温加热至300 ℃以上，各项力学参数随温度的升高呈大幅减小趋势，即高温加热至300 ℃后冷却，高强度G450钢具有最大的弹性模量、屈服强度及极限强度。此外，高强度G450钢经高温加热冷却后至少可恢复原弹性模量的83.1%，恢复原屈服强度的54.3%，恢复原极限强度的62.8%。
3 不同冷却条件下G450钢力学性能的对比分析
为了研究不同冷却方式对高温冷却后高强度G450钢力学性能的影响，将高强度G450钢经高温泡沫冷却后的力学性能试验结果与文献[10]中高强度G450钢经高温空气冷却后的力学性能试验结果进行对比分析。弹性模量折减系数、屈服强度折减系数及极限强度折减系数对比结果如图6所示。
图6 不同冷却条件下各力学参数折减系数对比图Fig.6 Comparison of reduction factors of mechanical parameters under different cooling methods
由图6可知：不同冷却条件下高强度G450钢各力学参数折减系数随温度整体变化趋势基本相似。由于文献[10]中缺少20～400 ℃温度段的数据，因此笔者只对400～800 ℃温度段的数据进行对比分析。由图6(a)可知：除600 ℃外，泡沫冷却条件下弹性模量折减系数略大于空气冷却条件下弹性模量折减系数。由图6(b，c)可知：高强度G450钢升温至400～800 ℃后冷却，不同冷却条件下屈服强度折减系数和极限强度折减系数随温度的升高均逐渐减小，且泡沫冷却条件下的屈服强度折减系数和极限强度折减系数均小于空气冷却条件下的屈服强度折减系数和极限强度折减系数。
综上所述，不同冷却条件下高强度G450钢各力学参数折减系数随温度变化规律不尽相同，因此需要提出不同的预测方程来评估火灾后不同冷却条件下高强度G450的力学性能。
4 高温后钢材力学性能预测方程
为了预测火灾后钢材残余力学性能，对火灾后泡沫冷却的钢结构性能进行评估，笔者对高温冷却后所得各力学参数进行回归分析，利用最小二乘法拟合测定值，提出历经不同温度后高强度G450钢各力学参数的简化公式。
由试验结果可知：经高温冷却后的高强度G450钢，其弹性模量、屈服强度和极限强度折减系数在20～300 ℃随温度升高而小幅增大，300～800 ℃随温度升高而大幅减小。因此，采用两段公式拟合试验结果，可以得到更为吻合的拟合方程。方程拟合结果与试验实测结果对比见图7，由图7可看出方程拟合结果与试验实测结果基本吻合。
图7 方程预测与实测数据对比图Fig.7 Comparison between prediction equation and test data
4.1 弹性模量折减系数简化预测方程
弹性模量折减系数简化预测方程为
(1)
(2)
4.2 屈服强度折减系数简化预测方程
屈服强度折减系数简化预测方程为
(3)
(4)
4.3 极限强度折减系数简化预测方程
极限强度折减系数简化预测方程为
(5)
(6)
式中T为温度。
5 结 论
高强度G450钢加热至不同温度冷却后会有不同的表观特征，可通过观察其表观特征初步判断钢材受火情况。通过数据分析，高强度G450钢的弹性模量、屈服强度、极限强度随温度的升高先小幅增大后大幅减小，高温加热至300 ℃后冷却，钢材的弹性模量、屈服强度、极限强度等各项力学参数达到最大值，随后，随温度的升高而逐渐减小。基于试验结果和对比分析，提出了钢材经高温泡沫冷却后所得力学参数的预测方程，将方程拟合结果与试验实测结果进行对比，两者基本吻合。
