超高強鋼S960火災后力學性能試驗研究

強旭紅， 武念鐸， 姜　旭， 羅永峰

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

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超高強鋼S960火災后力學性能試驗研究

強旭紅， 武念鐸， 姜旭， 羅永峰

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

摘要：通過試驗研究超高強鋼S960過火冷卻至常溫后的力學性能，得到過火高溫對超高強鋼S960彈性模量、屈服強度、極限強度以及應力-應變曲線的影響規(guī)律.結果表明，鋼材火災后的力學性能取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝.通過對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值擬合，給出可準確表達S960火災高溫后材料力學性能剩余程度的預測公式.

關鍵詞：超高強鋼； 火災高溫后； 力學性能； 剩余系數(shù)； 預測公式

高強鋼的應用能帶來可觀的社會經(jīng)濟效益，比如：減少用鋼量；有效地解決構件尺寸問題，創(chuàng)造更大的建筑使用空間；減少焊接工作量；節(jié)省運輸、吊裝費用；減輕結構自重；減少基礎造價等[1].此外，高強鋼的應用還能節(jié)約能源、減少碳排放，是一種環(huán)境友好型材料，符合我國節(jié)約環(huán)保型社會的建設需求.因此一些結構形式及構件宜采用高強鋼，如受拉構件、大跨度結構以及高層結構中的短粗柱等[2].近年來，許多重要建筑結構已采用高強鋼.隨著材料科學的進步，高強鋼的應用前景將更加廣泛，所以對高強鋼進行深入的研究勢在必行.

鋼材在常溫下具有良好的力學性能，隨著溫度升高，鋼材的力學性能顯著降低.但是，鋼材過火冷卻至常溫后可恢復大部分的初始力學性能，因此火災后鋼材的再利用具有一定的空間.若結構火災后未倒塌，構件將隨著火勢減小及環(huán)境溫度降低而冷卻至常溫.降溫過程中，結構的內(nèi)力和變形不斷重分布，此時的結構可能比火災下更危險.鋼結構火災后是否需要拆除、維修或者直接繼續(xù)使用，需要可靠的檢測與鑒定，而鋼材火災后力學性能是結構火災后性能檢測與鑒定的重要依據(jù)之一.

自美國“911”恐怖事件后，研究火災下材料性能退化、熱約束和結構構件的偶然移除對結構性能的綜合影響成為結構工程領域的當務之急.目前的研究主要針對常規(guī)強度的結構鋼(普通鋼)[3-5]，對于高強鋼火災下力學性能的研究有限，涉及的強度等級主要有S460[6-12]和BISPLATE 80[13].至于鋼材火災高溫后力學性能，僅文獻[14]對高強鋼S460和S690進行研究，即使對于普通鋼火災后力學性能的研究也很有限[7-8,15-17].BS 5950-8(2003)附錄B[18]針對普通鋼的火災后力學性能及繼續(xù)使用提出若干建議：若火災后熱處理鋼和鑄鋼的變形在限值內(nèi)，則可以繼續(xù)使用；火災后的普通鋼S235和S275可恢復常溫下(未過火)90%的力學性能；當過火溫度超過600 °C，S355冷卻至常溫后的強度可恢復至常溫下(未過火)的75%以上.但是對于高強鋼，世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的設計規(guī)范還沒有給出任何相關建議.

本文對超高強鋼S960進行火災高溫后力學性能試驗，旨在揭示S960火災后的應力-應變曲線、彈性模量、屈服強度和極限強度的剩余情況，并與現(xiàn)有研究及現(xiàn)行設計規(guī)范中的其他等級鋼材對比，同時給出超高強鋼S960火災后力學性能剩余情況的預測公式，并驗證其準確性.

1　試驗過程

1.1試驗設備

試件的升溫在可控溫的電熱爐中完成(見圖1).高溫后的拉伸試驗通過Gleeble 3800系統(tǒng)進行，如圖2和3所示.Gleeble 3800系統(tǒng)是力學與熱學耦合的一體化系統(tǒng)，最大可施加20 t的壓力和10 t的拉力.本試驗采用非接觸式激光變形測量儀測量試件的應變，通過QuikSim軟件預先設定的程序來控制試驗過程.試驗過程中得出的所有試驗數(shù)據(jù)由電腦存儲，并可由屏幕實時顯示，進行試驗監(jiān)測.

圖1　可控溫電熱爐

圖2　Gleeble 3800系統(tǒng)

圖3　試驗爐內(nèi)的拉伸裝置

1.2試驗材料和試件設計

所有試件從同一塊S960QL鋼板上切割而來，鋼板名義厚度為5 mm.S960QL鋼是一種符合歐洲標準EN 10025-6[19]的超高強度結構用鋼.該鋼材經(jīng)過淬火回火技術處理，具有良好的抗彎性和可焊性.S960QL是鋼材等級名稱的縮寫，其中S指結構用鋼，960指鋼材的名義屈服強度為960 MPa，Q指淬火回火技術，L指低溫韌性.本試驗所用超高強鋼S960QL(下文簡稱S960)的化學成分見表1.試件的形狀和尺寸符合歐洲標準EN 10002-5[20]和美國標準ASTM E21-09[21]的要求.為將試件固定到Gleeble 3800系統(tǒng)的夾具上，在試件的兩端預留孔洞，以便固定試件(見圖4).

表1　超高強鋼S960QL的化學組成

a 尺寸

b 試件

1.3試驗方法

常用的評估鋼材高溫力學性能的方法是進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)火災拉伸試驗.與瞬態(tài)火災試驗方法相比，穩(wěn)態(tài)火災試驗方法更為常用，這是因為穩(wěn)態(tài)火災試驗操作相對容易并且能直接獲得材料的應力-應變曲線.因此，本文采用穩(wěn)態(tài)試驗方法對S960進行試驗研究，即試件升溫至指定溫度后自然冷卻至常溫，隨后對試件進行拉伸試驗.

1.4試驗步驟

試件在電熱爐中從常溫升溫至指定溫度，為模擬自然火災，升溫速率取10 °C·min-1.本試驗共選取11個火災溫度：300、400、500、600、650、700、750、800、850、900和1 000 °C.前期研究表明[14]，升溫至100 °C和200 °C后自然冷卻至常溫，鋼材可恢復其基本力學性能，因此本試驗并未選取100 °C和200 °C作為火災溫度.試件升溫至指定溫度后，令溫度穩(wěn)定大約10 min，使試件中部的溫度分布均勻，隨后自然冷卻至常溫，在常溫下對試件施加拉力直至破壞.本試驗采用應變控制的方法施加荷載，應變率為0.005 min-1，滿足ASTM E21-09的相關規(guī)定[21].為比較過火溫度對S960高溫后力學性能的影響，本試驗同時進行S960常溫下(未過火)的拉伸試驗.

2　試驗結果

2.1彈性模量

彈性模量是影響鋼結構承載能力的重要參數(shù)之一.高溫下鋼材的彈性模量取決于相應溫度的應力-應變曲線.類似地，鋼材火災高溫后的彈性模量也由鋼材高溫后的應力-應變曲線得到.鋼材高溫后力學性能的剩余程度常用剩余系數(shù)評估.彈性模量剩余系數(shù)是指鋼材高溫后的彈性模量與常溫下(未過火)彈性模量的比值.由于剩余系數(shù)的使用十分便捷，歐洲、美國和澳大利亞的鋼結構設計規(guī)范，都推薦采用剩余系數(shù)進行鋼結構的抗火設計與計算.因此，本試驗以彈性模量剩余系數(shù)的形式，研究過火溫度對S960高溫后彈性模量的影響.

試驗得到的S960高溫后彈性模量和彈性模量剩余系數(shù)列于表2.從表2可看出：過火溫度不超過600 °C時，S960冷卻后的彈性模量與常溫下(未過火)相同；過火溫度超過600 °C后，冷卻后的彈性模量顯著降低.值得注意的是，當過火溫度為800 °C和1 000 °C時，S960冷卻后的彈性模量仍可達到常溫下(未過火)的75%和65%.

表2　S960火災后彈性模量和彈性模量剩余系數(shù)

2.2屈服強度

常溫下一般取0.2%作為鋼材的名義應變，取此應變對應的應力作為鋼材的名義屈服強度.高溫下，由于沒有明確統(tǒng)一的定義，有學者采用0.5%、1.5%和2.0%分別作為名義應變，取其對應的應力為鋼材的名義屈服強度[6-7,13].本文研究過火溫度對S960高溫后名義屈服強度的影響(名義應變分別取0.2%、0.5%、1.5%和2.0%)，并對比以上4個名義應變所對應的名義屈服強度剩余情況的異同.名義應變0.2%對應的名義屈服強度(f0.2)是由應力-應變曲線與原點處切線平移到0.2%應變處的直線的交點確定；而0.5%、1.5%和2.0%應變所對應的屈服強度是由其應變水平處的垂直線與應力-應變曲線的交點確定.

鋼材的屈服強度剩余系數(shù)是指鋼材高溫后的屈服強度與常溫下(未過火)屈服強度的比值.試件經(jīng)拉伸試驗得到的4個不同名義應變對應的名義屈服強度見表3，屈服強度剩余系數(shù)見表4.

表3　S960火災后屈服強度

從表3和4可看出，過火溫度不超過600 °C時，S960冷卻后的名義屈服強度與常溫下(未過火)相同，這對超高強鋼S960火災后的再利用是十分有利的.出于安全考慮，若采用超高強鋼S960的建筑結構經(jīng)歷火災的溫度在600 °C以下，建議火災后S960的名義屈服強度取常溫下(未過火)的90%.因此采用超高強鋼S960的構件若經(jīng)歷火災溫度在600 °C以下，同時構件的平直度在限值內(nèi)，則火災后可繼續(xù)使用.

值得注意的是，當過火溫度為800 °C且名義應變?nèi)?.5%和2.0%時，S960冷卻至常溫后的名義屈服強度較750 °C時有顯著提高；當過火溫度超過800 °C后，其冷卻至常溫后的屈服強度顯著降低.

2.3極限強度

鋼材的極限強度剩余系數(shù)是指鋼材火災后的極限強度與常溫下(未過火)極限強度的比值.試驗得出的S960火災后極限強度和極限強度剩余系數(shù)匯總于表5.從表5可看出，過火溫度不超過600 °C時，S960冷卻后的極限強度與常溫下(未過火)相同；即使過火溫度達到1 000 °C，S960冷卻后的極限強度仍可達到常溫下(未過火)的60%.與屈服強度相似，過火溫度為800 °C時，S960冷卻后的極限屈服強度有所提高；過火溫度超過800 °C后，其冷卻后的極限強度顯著降低，這與超高強鋼S960的生產(chǎn)加工工藝有關.

表5　S960火災后極限強度和極限強度剩余系數(shù)

2.4應力-應變曲線與破壞模式

鋼材的延性好壞是由鋼材斷裂之前的變形程度確定的.試驗得出的S960火災高溫后應力-應變曲線如圖5所示.從圖5看出，過火溫度不超過800 °C時，S960冷卻后的應力-應變曲線與常溫下(未過火)相似，具有明顯的屈服平臺；過火溫度超過800 °C后，其冷卻后的應力-應變曲線逐漸喪失屈服平臺.

當過火溫度為800 °C時，S960冷卻后的強度較750 °C顯著提高，隨后隨著過火溫度升高，其冷卻后的強度逐漸降低.試件火災高溫后的典型破壞模式如圖6所示.從圖6可看出，試件頸縮明顯，無脆性破壞，這表明超高強鋼S960在火災后具有良好的延性.

圖6　試件不同過火溫度冷卻后拉伸試驗下的破壞模式

3　對比分析

現(xiàn)有研究鮮有涉及鋼材的火災下及火災后力學性能，BS 5950-8(2003)附錄B[18]對火災后普通鋼的繼續(xù)使用提出相關建議，也對鑄鋼和預應力鋼筋的火災下及火災后力學性能提出相關建議，但并未提及高強鋼.世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的其他設計規(guī)范未對鋼材火災后的繼續(xù)使用給出建議.

Outinen等[7-8]從升溫至710 °C的S355和S350構件上截取試件，對試件進行常溫下拉伸試驗,基于試驗結果建議：若鋼結構火災后的變形滿足限值要求，材料的強度仍可滿足要求.遺憾的是，現(xiàn)階段定量的鋼材火災后材性數(shù)據(jù)仍不足.

本節(jié)對本文試驗結果與現(xiàn)有研究成果進行對比分析.

3.1彈性模量

S960、S355、S460和S690火災高溫后的彈性模量剩余系數(shù)如圖7所示.從圖7可看出，當過火溫度低于600 °C時，4種鋼材冷卻后的彈性模量剩余系數(shù)相差不大，均可達到常溫下(未過火)的90%以上.值得注意的是，當過火溫度超過600 °C后，S960冷卻后的彈性模量剩余系數(shù)與S690相差不大，但與S460有一定的差別，這是由鋼材生產(chǎn)加工工藝決定的.

圖7　火災后彈性模量剩余系數(shù)對比

3.2屈服強度

本節(jié)比較S960、S355、S460和S690火災高溫后屈服強度的剩余系數(shù)，以及BS 5950針對S235和S275給出的火災后力學性能建議(見圖8).從圖8可看出，BS 5950針對S235和S275火災后屈服強度提出的建議并不適用于高強鋼S460、S690和超高強度鋼S960；針對S355火災后屈服強度提出的建議對于S460偏保守，對于S690和S960偏不安全，尤其是當過火溫度超過700 °C后.此外，當名義應變?nèi)?.2%和0.5%時，S960火災后的屈服強度剩余系數(shù)與S690相似；當名義應變?nèi)?.5%和2.0%且過火溫度超過800 °C后，S960冷卻后的名義屈服強度剩余系數(shù)與S690有較大差別.綜上所述，鋼材火災后的屈服強度剩余系數(shù)取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝.

a 0.2%名義應變

b 0.5%名義應變

c 1.5%名義應變

d 2.0%名義應變

圖8火災后屈服強度剩余系數(shù)對比

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

3.3極限強度

本節(jié)比較S960、S355、S460和S690過火冷卻后極限強度的剩余系數(shù)，以及BS 5950針對S235和S275給出的火災后力學性能建議(見圖9).從圖9可看出，BS 5950針對普通鋼S235和S275火災后極限強度提出的建議并不適用于高強鋼S460、S690和超高強度鋼S960；針對S355火災后極限強度提出的建議對于S460偏保守，但對于S690和S960并不適用，特別是當過火溫度超過700 °C后.此外，當過火溫度低于800 °C時，S960火災高溫后的極限強度剩余系數(shù)與S690相似；當過火溫度超過800 °C后，S960冷卻后的極限強度剩余系數(shù)與S690有較大差別.因此，鋼材火災后的極限強度剩余系數(shù)取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝.綜上，采用BS 5950針對普通鋼火災后力學性能的建議來預測高強鋼的火災后力學性能是十分危險的，各國規(guī)范針對高強鋼火災后力學性能及其可否繼續(xù)使用提出相應的建議迫在眉睫.本文在試驗結果的基礎上提出了相應的預測公式.

圖9　火災后極限強度剩余系數(shù)對比

4　預測公式

過火溫度是鋼材力學性能退化的主要因素，因此鋼材的各力學性能剩余系數(shù)是試件過火溫度θ的函數(shù).

4.1彈性模量

S960火災后的彈性模量剩余系數(shù)與S690相同，前期研究[14]給出S690火災高溫后彈性模量剩余系數(shù)的預測公式，本文采用該公式(見式(1)和(2))與試驗結果進行對比(見圖10).從圖10可看出，預測公式與試驗結果吻合較好，且該公式形式簡單，故建議采用該公式預測超高強鋼S960火災高溫后的彈性模量剩余程度.

圖10　式(1)～(2)計算結果與試驗結果的對比

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為S960過火溫度θ時冷卻后的彈性模量；E20為S960常溫下(未過火)的彈性模量.

4.2屈服強度

由于0.5%、1.5%和2.0%的名義應變應用范圍有限，故本文僅提出0.2%名義應變對應的S960名義屈服強度剩余系數(shù)預測公式.

圖11列出2種預測公式(見式(3)～(6))與試驗結果的對比情況.從圖11可看出，式(3)～(4)與試驗結果吻合較好，但有時偏于不安全.因此出于安全考慮，建議采用式(5)～(6)預測超高強鋼S960火災后屈服強度的剩余程度.

圖11　式(3)～(6)計算結果與試驗結果對比

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為S960過火溫度θ時冷卻后的屈服強度；fy20為S960常溫下(未過火)的屈服強度.

4.3極限強度

通過試驗可看出，過火溫度為800 °C時，S960冷卻后的極限強度較750 °C顯著提高，因此本文采用3段公式擬合試驗結果(見圖12).從圖12可看出，預測公式(7)～(9)與試驗結果吻合較好.

(7)

(8)

10-2θ+8.564,800<θ≤1 000

(9)

式中：fuθ為S960過火溫度θ時冷卻后的極限強度；fu20為S960常溫下(未過火)的極限強度.

圖12　式(7)～(9)計算結果與試驗結果的對比

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

5　結語

本文對超高強鋼S960進行不同過火溫度冷卻至常溫后的拉伸試驗，得到過火溫度對S960彈性模量、屈服強度、極限強度、應力-應變曲線的影響規(guī)律和典型破壞模式.試驗結果表明，S960火災后的力學性能與S460、S690及普通鋼不同，鋼材過火冷卻后的力學性能取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝，因此BS 5950針對普通鋼火災后力學性能及可否繼續(xù)使用提出的建議并不適用于高強鋼，應對高強鋼提出針對性建議.值得注意的是，與其他等級鋼材相似，當過火溫度低于600 °C時，超高強鋼S960冷卻后可恢復其基本力學性能.因此，當火災溫度不超過600 °C且采用S960構件火災后的平直度滿足限值要求時，構件可以繼續(xù)使用.出于安全考慮，建議此時S960的力學性能取常溫下(未過火)的90%.為便于評估S960過火溫度超過600 °C甚至達到1 000 °C冷卻后的力學性能，本文提出一系列公式預測S960火災后的彈性模量、屈服強度和極限強度剩余情況.通過與試驗結果對比，驗證預測公式的準確性，這為高強鋼結構火災后性能的檢測鑒定及可否繼續(xù)使用提供理論依據(jù)，也為各國相關規(guī)范的修訂提供參考.

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收稿日期：2015-12-22

基金項目：國家自然科學基金(51408150)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2014KJ044)

通訊作者：姜旭(1982—)，男，工學博士，主要研究方向為鋼結構和鋼與組合橋.E-mail：jiangxu@#edu.cn

中圖分類號：TU392

文獻標志碼：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： 強旭紅(1984—)，女，工學博士，主要研究方向為鋼結構抗火及高強鋼在土木工程領域的應用.

E-mail：qiangxuhong@#edu.cn