高強結(jié)構(gòu)鋼S690高溫力學(xué)性能

強旭紅， 吳鐘艷， 姜　旭， 羅永峰

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

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高強結(jié)構(gòu)鋼S690高溫力學(xué)性能

強旭紅， 吳鐘艷， 姜旭， 羅永峰

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

摘要：在火災(zāi)下，材料力學(xué)性能的退化是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)承載力降低的主要因素.對高強結(jié)構(gòu)鋼S690進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)火災(zāi)試驗研究，并將S690的高溫材性試驗結(jié)果與歐洲、美國、澳大利亞、英國和中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行對比，結(jié)果表明，依據(jù)各國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行高強鋼S690鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計是不安全的.另外，對試驗得出的高溫下高強鋼S690的彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數(shù)進行數(shù)值擬合，給出可準確表征S690高溫下材料性能退化的預(yù)測公式，可用于指導(dǎo)含高強鋼S690構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計，并為相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考依據(jù).

關(guān)鍵詞：高強鋼； S690； 力學(xué)性能； 折減系數(shù)； 高溫

近20多年來，隨著冶金和焊接技術(shù)的發(fā)展，高性能的工程用鋼在各個工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已取得長足進步[1].目前，關(guān)于高強度結(jié)構(gòu)鋼的定義，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode 3(EC 3)[2]定義高強鋼的名義屈服強度不小于460 MPa；澳大利亞規(guī)范AS 4100[3]定義高強鋼的名義屈服強度大于450 MPa；香港規(guī)范[4]定義高強鋼的名義屈服強度在460～690 MPa之間；我國國家標準《鋼分類》[5]定義屈服強度大于等于420 MPa的鋼材為高強鋼.

早期的高強鋼在材料韌性和可焊性方面往往不盡人意，這在一定程度上限制了其使用范圍.現(xiàn)在的高強鋼通過微合金化、淬火回火等技術(shù)，不僅實現(xiàn)了較高的強度，而且在韌性、延性、可焊性、抗腐蝕以及疲勞性能等方面都比普通鋼材有明顯的改善.另外，高強鋼的應(yīng)用能帶來較好的社會經(jīng)濟效益，比如減少用鋼量、減少焊接工作量、節(jié)省運輸費用、減輕結(jié)構(gòu)自重等[6].

自美國“911”恐怖事件后，有關(guān)高溫下結(jié)構(gòu)用鋼的力學(xué)性能受到關(guān)注.然而，目前的研究主要針對常規(guī)強度的結(jié)構(gòu)鋼(普通鋼)；而對于火災(zāi)下和火災(zāi)后的高強鋼力學(xué)性能的研究極其有限，涉及的強度等級主要有BISPLATE80[7]、S460[8-16]、S690[16-17]、國產(chǎn)Q460[18-19]、S960[20]以及名義屈服強度為1 400 MPa的超高強鋼[21]，結(jié)果導(dǎo)致目前的高強鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計遠未成熟.王衛(wèi)永等[18]對國產(chǎn)高強鋼Q460高溫下的強度和彈性模量進行了試驗研究，得到Q460的力學(xué)性能隨溫度變化的函數(shù)表達式，結(jié)果表明，高強鋼Q460的強度和彈性模量隨溫度的升高而降低；Q460高溫下的強度折減系數(shù)比普通鋼低.Schneider和Lange[12]通過試驗得出的S460在高溫下的屈服強度折減系數(shù)都不能滿足EC 3中1-2部分的規(guī)定[2].由于EC 3的規(guī)定是基于大量普通鋼的研究成果得出的，并不一定適用于高強鋼，因此，針對高強鋼進行研究并給出其高溫下材料性能的特定規(guī)定是非常重要的.

鋼材的力學(xué)性能對鋼構(gòu)件性能的評定和結(jié)構(gòu)整體性能的預(yù)測和分析均具有重要意義.在火災(zāi)情況下，鋼材的力學(xué)性能隨著溫度的升高而逐漸退化.世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，一般都通過高溫力學(xué)性能折減系數(shù)來表征鋼材在火災(zāi)下力學(xué)性能的退化.對于高強鋼，目前現(xiàn)有文獻僅報道過高溫下S460力學(xué)性能的退化[8-15]以及BISPLATE80力學(xué)性能的退化[7].近期Chiew等[17]研究了RQT-S690(經(jīng)過二次加熱和淬火回火處理的S690)火災(zāi)下及火災(zāi)后力學(xué)性能的退化.而對于高強鋼S690，目前尚沒有系統(tǒng)的研究成果.

本文對高強鋼S690進行了高溫力學(xué)性能試驗，目的在于揭示S690在高溫下的力學(xué)性能，以驗證現(xiàn)有高強鋼力學(xué)性能數(shù)據(jù)的正確性，以及為高強鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的相關(guān)研究項目提供材性數(shù)據(jù)支撐.本試驗進行了高強鋼S690的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)火災(zāi)試驗.通過試驗得到不同溫度下S690的彈性模量、屈服強度和極限強度，并與名義屈服強度相近的高強鋼BISPLATE 80以及一些世界領(lǐng)先的現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行對比,包括EC 3[2]，AS 4100[3]，AISC[22]， ASCE[23]，BS 5950[24]和CECS 200[25])，結(jié)果表明，按照上述規(guī)范進行S690鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計是不安全的.在此基礎(chǔ)上，給出高強鋼S690高溫下材料性能退化的預(yù)測公式，并驗證其準確性.

1試驗研究

1.1試驗設(shè)備

高溫拉伸試驗通過Gleeble 3800系統(tǒng)進行，該系統(tǒng)是全數(shù)字閉環(huán)控制熱與力學(xué)耦合測試系統(tǒng)，如圖1與圖2所示.Gleeble 3800的加熱系統(tǒng)能以最高10 000 °C·s-1的速率加熱試件，并且能準確保持溫度穩(wěn)定.本試驗通過3對熱電偶來控制試件溫度，見圖2.爐內(nèi)的空氣溫度由Gleeble 3800系統(tǒng)自動獲取.Gleeble 3800系統(tǒng)是力學(xué)與熱學(xué)耦合的一體化系統(tǒng)，最大能施加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(yīng)變，通過QuikSim軟件預(yù)先設(shè)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　Gleeble 3800系統(tǒng)

圖2　試驗爐內(nèi)的拉伸裝置

1.2試驗材料和試件設(shè)計

所有的試驗試件都由同一塊名義厚度為5 mm的S690QL鋼板切割而來.S690QL鋼是一種符合歐洲標準EN 10025-6[26]的高強度結(jié)構(gòu)用鋼.該材料經(jīng)過淬火回火技術(shù)熱處理，具有良好的抗彎性和可焊性.S690QL是鋼材等級名稱縮寫，S指結(jié)構(gòu)用鋼，690指名義屈服強度為690 MPa，Q指淬火回火技術(shù)，L指低溫韌性.本試驗所用高強鋼S690的化學(xué)成分見表1.試件的形狀和尺寸符合歐洲標準EN 10002-5[27]和ASTM E21-09[28]的要求.如圖3所示，為將試件固定到Gleeble 3800系統(tǒng)的夾具上，在試件的每一端預(yù)留一個小洞，以便固定試件.

表1　高強鋼S690QL的化學(xué)組成

1.3試驗方法

常用的評估鋼材高溫力學(xué)性能的方法是進行穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)火災(zāi)拉伸試驗.與瞬態(tài)火災(zāi)試驗方法相比，穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗方法更為常用，因為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗操作相對容易并且能直接獲得應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線.然而，瞬態(tài)火災(zāi)試驗方法能更真實地模擬火災(zāi)情況下鋼構(gòu)件的性能，因為瞬態(tài)火災(zāi)試驗方法更合理地考慮了徐變的影響.為比較這兩種試驗方法對高強鋼產(chǎn)生的影響，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)火災(zāi)試驗方法在本試驗中均被采用.

a 試件

b 尺寸(單位：mm)

1.4試驗步驟

1.4.1穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗

在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗中，試件被加熱到指定的溫度并穩(wěn)定在該溫度，然后加載直到破壞.穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗的升溫速率為50 °C·min-1，試驗火災(zāi)溫度分別為100，200，300，400，500，550，600和700 °C.在每個試驗溫度下，至少進行3次試驗.在達到試驗溫度之后，令溫度穩(wěn)定大約10 min，以使試件中部的溫度分布均勻.然后在該預(yù)定火災(zāi)溫度下對試件施加拉力直到破壞.本試驗采用應(yīng)變控制的方法施加荷載，應(yīng)變率為0.005 min-1，滿足ASTM E21-09的相關(guān)規(guī)定[28].為比較高溫對S690的影響，本試驗也同時進行了S690常溫下的拉伸試驗.

1.4.2瞬態(tài)火災(zāi)試驗

在瞬態(tài)火災(zāi)試驗中，試件在恒定的拉應(yīng)力作用下，試件的溫度以一定的速率升高直到試件發(fā)生破壞.本試驗預(yù)選的應(yīng)力等級分別為100,200,250,300,400,500,600,650,700,800,850和900 MPa.所有瞬態(tài)火災(zāi)試驗的升溫速率均為10 °C·min-1，相當于正常防火保護的鋼構(gòu)件在火災(zāi)中的升溫速率.整個試驗過程中，試件的總應(yīng)變和溫度被記錄下來.另外，試件的熱應(yīng)變應(yīng)從總應(yīng)變中減去，以得到在不同溫度下試件的應(yīng)變.采用Maljaars等[29]和Outinen等[8-10]在以往研究中使用過的轉(zhuǎn)換方法，可將瞬態(tài)火災(zāi)試驗得出的應(yīng)變-溫度(ε-T)曲線轉(zhuǎn)換成不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示.

圖4　瞬態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)換方法[29]

2結(jié)果與討論

2.1彈性模量

彈性模量是影響鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段的斜率可得到該溫度下的彈性模量E，見圖5.

在高溫條件下，鋼材彈性模量的退化常用折減系數(shù)來評估.彈性模量折減系數(shù)是指相應(yīng)溫度的彈性模量與常溫下彈性模量的比值.由于折減系數(shù)的使用十分簡單便捷，中國、歐洲、美國和澳大利亞的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范都推薦使用折減系數(shù)來進行鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計與計算.因此，本試驗研究了S690在不同火災(zāi)溫度下的彈性模量折減系數(shù)，以便了解高溫對S690彈性模量的影響.

2.1.1穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗的結(jié)果

穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗得到的S690高溫下彈性模量及其折減系數(shù)列于表2中.

圖5　鋼材力學(xué)性能的確定方法

溫度/°C彈性模量/MPa折減系數(shù)202046901.001002045921.002001791460.883001718190.844001586080.785001401270.695501117880.55600761050.37700288480.14

2.1.2瞬態(tài)火災(zāi)試驗的結(jié)果

瞬態(tài)火災(zāi)試驗得到的S690高溫下彈性模量及其折減系數(shù)，如表3所示.

表3　瞬態(tài)火災(zāi)試驗中S690高溫下彈性模量及其折減系數(shù)

2.1.3比較與分析

將試驗結(jié)果與世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(EC 3，AISC，AS 4100和CECS 200)以及現(xiàn)有的高強鋼BISPLATE80的研究結(jié)果進行比較，比較結(jié)果見圖6.從圖6中可以看出，如果采用EC 3和AISC中給出的彈性模量折減系數(shù)來預(yù)測高強鋼S690的彈性模量是偏于保守的；但如果采用AS 4100和CECS 200來預(yù)測，則是偏于不安全的.

另外，將本試驗對高強鋼S690彈性模量的研究結(jié)果與Chen等[7]所報道的高強鋼BISPLATE80的高溫材性相關(guān)結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖6所示.從圖6中可以看出，當溫度低于500 °C時，瞬態(tài)火災(zāi)試驗得出的結(jié)果中，BISPLATE80的彈性模量折減系數(shù)明顯低于S690；當溫度高于500 °C時，BISPLATE80的彈性模量折減系數(shù)高于S690.然而，Chen等由穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗得出的BISPLATE80的彈性模量折減系數(shù)遠遠高于本試驗對S690的實測值.綜上所述，雖然名義屈服強度相近，但高強度BISPLATE80的彈性模量折減系數(shù)并不適用于高強鋼S690.

圖6　高溫下彈性模量折減系數(shù)對比

2.2屈服強度

在世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，EC 3取2%應(yīng)變作為名義應(yīng)變來確定鋼材的名義屈服強度；BS 5950分別取0.5%,1.5%,2.0%應(yīng)變作為名義應(yīng)變來確定鋼材的名義屈服強度，以滿足各類構(gòu)件的不同要求；在AISC，ASCE，AS 4100和CECS 200中，沒有明確給出名義應(yīng)變的取值.在高溫條件下，由于沒有明確統(tǒng)一的定義，不同的學(xué)者常采用不同的名義應(yīng)變(0.2%,0.5%,1.5%,2.0%)對應(yīng)的應(yīng)力來確定鋼材的名義屈服強度.因此，本文分別研究0.2%,0.5%,1.5%,2.0%各應(yīng)變對應(yīng)的S690的名義屈服強度，并對比以上4個名義應(yīng)變所對應(yīng)的名義屈服強度的異同.相應(yīng)應(yīng)變水平所對應(yīng)的名義屈服強度的確定方法已在圖5中給出.0.2%名義屈服強度(f0.2)是由應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原點處切線平移到0.2%應(yīng)變處的直線的交點來確定.而0.5%,1.5%,2.0%應(yīng)變水平所對應(yīng)的屈服強度是由其應(yīng)變水平處的垂直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的交點來確定.

2.2.1折減系數(shù)

屈服強度折減系數(shù)是指高溫下屈服強度與常溫下屈服強度的比值.穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗得出的4種不同名義應(yīng)變對應(yīng)的屈服強度的折減系數(shù)列于表4中，瞬態(tài)火災(zāi)試驗得出的上述4種名義應(yīng)變對應(yīng)的屈服強度折減系數(shù)列于表5中.

表4　穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗中不同應(yīng)變水平的屈服強度折減系數(shù)

表5　瞬態(tài)火災(zāi)試驗中不同應(yīng)變水平的屈服強度折減系數(shù)

2.2.2比較與分析

圖7～10將由兩種火災(zāi)試驗方法得出的不同名義應(yīng)變對應(yīng)的屈服強度折減系數(shù)與歐洲、美國、澳大利亞、英國和中國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中推薦的屈服強度折減系數(shù)進行對比.

圖7中，屈服強度折減系數(shù)對應(yīng)的名義應(yīng)變?yōu)?.2%.從圖7中可以看出，AISC推薦的屈服強度折減系數(shù)明顯高于S690的實測值；而AS 4100推薦的屈服強度折減系數(shù)用于預(yù)測S690時，在400～550 °C溫度區(qū)間是偏于保守的，但在其他溫度則是偏于不安全的；相似的還有ASCE，在300～550 °C時是偏于保守的，但在其他溫度是偏于不安全的；CECS 200推薦的屈服強度折減系數(shù)則明顯高于S690的實測值，是偏于不安全的.在圖8中，屈服強度折減系數(shù)對應(yīng)的名義應(yīng)變?yōu)?.5%.圖8表明，AISC推薦的屈服強度折減系數(shù)高于S690的實測值；BS 5950推薦的屈服強度折減系數(shù)與瞬態(tài)火災(zāi)試驗得到的S690實測值基本一致，但與穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗得到的S690實測值相比，在除400～600 °C的溫度范圍內(nèi)，是偏于不安全的；AS 4100的屈服強度折減系數(shù)在350～500 °C時是偏于保守的，但在其他溫度則是偏于不安全的；CECS 200推薦的屈服強度折減系數(shù)明顯高于S690的實測值.圖9中，屈服強度折減系數(shù)對應(yīng)的名義應(yīng)變?yōu)?.5%.如圖9所示，AISC和BS 5950推薦的屈服強度折減系數(shù)高于S690的實測值；AS 4100推薦的屈服強度折減系數(shù)用于S690時在400～550 °C溫度區(qū)間是偏于保守的，但在其他溫度是偏于不安全的；類似的有ASCE推薦的屈服強度折減系數(shù)在300～550 °C時是偏于保守的，但在其他溫度是偏于不安全的；CECS 200推薦的屈服強度折減系數(shù)用于S690時整體偏于不安全.圖10中，屈服強度折減系數(shù)對應(yīng)的名義應(yīng)變?yōu)?.0%.圖10表明，EC 3推薦的屈服強度折減系數(shù)高于S690的實測值，而其他設(shè)計規(guī)范的預(yù)測值與名義應(yīng)變?yōu)?.5%時的結(jié)論相似.

圖7　溫度-屈服強度折減系數(shù)對比(名義應(yīng)變?yōu)?.2%)

Fig.7Temperatures versus yield strength reduction factors (strain level 0.2%)

圖8　溫度-屈服強度折減系數(shù)對比(名義應(yīng)變?yōu)?.5%)

Fig.8Temperatures versus yield strength reduction factors (strain level 0.5%)

圖9　溫度-屈服強度折減系數(shù)對比(名義應(yīng)變?yōu)?.5%)

Fig.9Temperatures versus yield strength reduction factors (strain level 1.5%)

圖10　溫度-屈服強度折減系數(shù)對比(名義應(yīng)變?yōu)?.0%)

Fig.10Temperatures versus yield strength reduction factors (strain level 2.0%)

Chen等[7]試驗得到的BISPLATE80的上述4種名義應(yīng)變所對應(yīng)的屈服強度折減系數(shù)遠高于本試驗得到的S690的實測值.因此，盡管BISPLATE80與S690的名義屈服強度相近，但用BISPLATE80的屈服強度折減系數(shù)來預(yù)測S690的屈服強度是不安全的.

從本試驗結(jié)果與各國現(xiàn)行主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及高強鋼BISPLATE80的研究結(jié)果的對比中可以看出,高溫下屈服強度折減系數(shù)與鋼材等級密切相關(guān).因此，提出針對高強鋼材的火災(zāi)下屈服強度折減系數(shù)非常必要.

2.3極限強度

鋼材的極限強度通常取應(yīng)力-應(yīng)變曲線最高點對應(yīng)的應(yīng)力值.鋼材的極限強度折減系數(shù)為高溫下極限強度與常溫下極限強度的比值.穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗和瞬態(tài)火災(zāi)試驗得出的S690高溫下極限強度及其折減系數(shù)匯總于表6中.

表6　高溫下S690極限強度及其折減系數(shù)

將本試驗得出的高強鋼S690的極限強度折減系數(shù)與Chen等[7]得到的高強鋼BISPLATE80的極限強度折減系數(shù)及美國規(guī)范AISC[22]進行對比，結(jié)果繪于圖11中.從圖11中可以看出，AISC推薦的極限強度折減系數(shù)明顯高于S690的實測值；另外，BISPLATE80的極限強度折減系數(shù)大多高于S690的極限強度折減系數(shù).這說明在高溫條件下采用ASIC的推薦值和BISPLATE80的極限強度折減系數(shù)來估算S690的極限強度折減系數(shù)都是不安全的.

圖11　高溫下極限強度折減系數(shù)對比

2.4應(yīng)力-應(yīng)變曲線與破壞模式

鋼材延性的高低是由鋼材在斷裂之前的變形程度確定的.穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗得出的S690在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖12所示.可通過對比高強鋼S690在斷裂時應(yīng)變的大小來研究S690的延性與溫度的關(guān)系.鋼材延性的變化是由不同溫度下發(fā)生在鋼材內(nèi)部的晶相變化引起的.

圖12　不同溫度下穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖13為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗中高強鋼S690拉伸試件在不同溫度下的典型破壞模式.從圖13中可以看出，所有的試件在破壞前都發(fā)生了頸縮現(xiàn)象，試件表面顏色隨溫度升高而加深，到300 °C以后，試件出現(xiàn)不同層次的顏色.在20～700 °C的所有溫度范圍內(nèi)，試件都沒有發(fā)生脆性破壞，這表明高強鋼S690鋼構(gòu)件在火災(zāi)下破壞時具有良好的延性.

圖14為瞬態(tài)火災(zāi)試驗中高強鋼S690拉伸試件在不同應(yīng)力水平下的典型破壞模式.由圖14可以看出，所有的試件在破壞前都發(fā)生了頸縮現(xiàn)象.在100～900 MPa的應(yīng)力水平范圍內(nèi)，試件都沒有發(fā)生脆性破壞，這表明高強鋼S690鋼構(gòu)件在火災(zāi)下發(fā)生破壞時具有良好的延性.瞬態(tài)火災(zāi)試驗中試件在某恒定拉應(yīng)力作用下發(fā)生破壞時的溫度稱為該應(yīng)力水平下的破壞溫度.高強鋼S690在不同應(yīng)力水平下的破壞溫度列于表7中.從表7中可以看出，較高的拉應(yīng)力水平下高強鋼S690試件的破壞溫度較低，特別是當應(yīng)力水平為900 MPa時.然而，在名義屈服強度以下，高強鋼S690的破壞溫度高于470 °C.

圖13　穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗中試件在不同溫度下的破壞模式

圖14　瞬態(tài)火災(zāi)試驗中試件在不同應(yīng)力水平

應(yīng)力水平/MPa100200250300400500600650700800850900破壞溫度/°C77570268562360256252050747039936883

3預(yù)測公式

綜上所述，各國現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范推薦的高溫下鋼材力學(xué)性能的折減系數(shù)不適用于高強鋼S690.為指導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師進行正確的S690鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計，本文對上述試驗所得的高強度S690高溫下彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數(shù)進行數(shù)值擬合，給出S690高溫下材料性能退化的預(yù)測公式.由于火災(zāi)溫度是鋼材力學(xué)性能退化的主要因素，所以各力學(xué)性能折減系數(shù)是試件所經(jīng)歷的火災(zāi)溫度θ的函數(shù).

3.1彈性模量

基于試驗結(jié)果以折減系數(shù)的形式給出S690高溫下彈性模量的退化，如式(1),(2)所示.圖15將公式(1),(2)與試驗結(jié)果以及歐洲、美國、澳大利亞和中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行對比.從圖15中可以看出，公式(1),(2)和試驗結(jié)果吻合較好.

(1)

100 ℃<θ≤700 ℃

(2)

式(1),(2)中:Eθ為溫度為θ時S690的彈性模量；E20為常溫下S690的彈性模量.

圖15　公式(1),(2)與試驗結(jié)果以及各國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的對比Fig.15　Comparisons of Eqs.(1) and (2) with test results and current design standards

3.2屈服強度

由于穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗和瞬態(tài)火災(zāi)試驗得出的S690屈服強度折減系數(shù)相差較大，所以本文分別根據(jù)穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗和瞬態(tài)火災(zāi)試驗擬合出名義應(yīng)變?yōu)?.0%的屈服強度折減系數(shù)公式，以預(yù)測不同火災(zāi)情況下S690的屈服強度退化程度.公式(3),(4)是根據(jù)穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗下S690的屈服強度折減系數(shù)結(jié)果擬合所得.圖16將公式(3),(4)與穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗結(jié)果以及歐洲、美國、澳大利亞、英國和中國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行了對比.從圖16中可以看出，公式(3),(4)和試驗結(jié)果吻合較好.

圖16　公式(3),(4)與試驗結(jié)果以及各國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的對比Fig.16　Comparisons of Eqs.(3) and (4) with test results and current design standards

(3)

5.185×10-3θ+0.4

300 ℃<θ≤700 ℃

(4)

式(3),(4)中:fyθ為溫度為θ時S690的屈服強度；fy20為常溫下S690的屈服強度.

公式(5),(6)是由瞬態(tài)火災(zāi)試驗得出的S690的屈服強度折減系數(shù)擬合所得.圖17將公式(5),(6)與瞬態(tài)火災(zāi)試驗結(jié)果以及歐洲、美國、澳大利亞、英國和中國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行比較.從圖17中可以看出，公式(5),(6)和試驗結(jié)果吻合較好.

20 ℃≤θ≤500 ℃

(5)

6.818×10-3θ+3.251

500 ℃<θ≤700 ℃

(6)

式(5),(6)中:fyθ為溫度為θ時S690的屈服強度；fy20為常溫下S690的屈服強度.

圖17　公式(5),(6)與試驗結(jié)果以及各國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的對比Fig.17　Comparisons of Eqs.(5) and (6) with test results and current design standards

3.3極限強度

公式(7),(8)可用于預(yù)測S690在20～700 °C溫度范圍內(nèi)的極限強度折減系數(shù).圖18將公式(7),(8)與試驗結(jié)果以及美國設(shè)計規(guī)范ASIC進行比較.從圖18中可以看出，公式(7),(8)和試驗結(jié)果吻合較好.

(7)

2.442×10-4θ+1.27

350 ℃<θ≤700 ℃

(8)

式(7),(8)中:fuθ為溫度θ時S690的極限強度；fu20為常溫下S690的極限強度.

圖18　公式(7),(8)與試驗結(jié)果以及美國設(shè)計規(guī)范的對比

Fig.18Comparisons of Eqs.(7) and (8) with test results and current design standards

4結(jié)論

本文詳細介紹了高強鋼S690高溫力學(xué)性能的試驗研究.對名義厚度為5 mm的高強鋼S690試件進行了不同火災(zāi)條件下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)火災(zāi)拉伸試驗.試驗得到不同火災(zāi)溫度下S690彈性模量、屈服強度、極限強度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和典型破壞模式.本文將試驗所得的S690在不同火災(zāi)溫度下的彈性模量、屈服強度和極限強度的折減系數(shù)與高強鋼BISPLATE80以及世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(EC 3,AISC,AS 4100,ASCE,BS 5950和CECS 200)的推薦值進行對比研究.結(jié)果表明,對高強鋼S690的高溫彈性模量而言，現(xiàn)行的歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC 3和美國規(guī)范AISC的推薦值偏于保守，而澳大利亞規(guī)范AS 4100和中國規(guī)范CECS 200偏于不安全；對于高溫屈服強度，EC 3,AISC和CECS 200的推薦值整體高于S690的實測值， ASCE,AS 4100和BS 5950在某些高溫下是偏于不安全的；對于極限強度，AISC的推薦值高于S690的實測值，是不安全的.因此，根據(jù)各國現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行高強鋼S690鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計是不安全的.這是因為世界各國現(xiàn)行的主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范均基于普通鋼試驗研究成果得到，而普通鋼與高強鋼在化學(xué)成分、生產(chǎn)加工工藝等方面的差異導(dǎo)致了其力學(xué)性能的差別.

另外，本文將S690的火災(zāi)試驗結(jié)果與高強鋼BISPLATE80的火災(zāi)試驗結(jié)果進行對比.對比表明,盡管BISPLATE80的名義屈服強度與S690相似，但它們的力學(xué)性能隨溫度的退化程度是不同的.因此，關(guān)于BISPLATE80的力學(xué)性能在火災(zāi)下退化的研究成果不適用于S690.

再者，在所有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)火災(zāi)試驗中，試件都沒有發(fā)生脆性破壞，這表明S690高強度鋼構(gòu)件在火災(zāi)下具有良好的延性.

最后，本文對試驗得出的高溫下高強鋼S690的彈性模量、屈服強度和極限強度的折減系數(shù)結(jié)果進行數(shù)值擬合，給出S690高溫下力學(xué)性能退化的預(yù)測公式.本試驗研究填補了高強鋼S690高溫下力學(xué)性能研究的空白，可為使用S690的高強鋼結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下性能的相關(guān)研究提供材性數(shù)據(jù)支撐，可用于實現(xiàn)準確的有限元模擬與理論計算，從而確保含有S690的高強鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計安全進行.

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Mechanical Properties of High Strength Steel S690 at Elevated Temperatures

QIANG Xuhong, WU Zhongyan, JIANG Xu, LUO Yongfeng

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

Abstract：Under fire conditions, the load bearing capacity of steel structures reduces mainly due to the deterioration of its mechanical properties. In this paper, an experimental investigation was conducted, using both steady state and transient state methods. The comparison of test results with European, American, Australian, British and Chinese design standards of steel structures shows that fire-resistance design of steel structures with S690 is unsafe according to the current design standards. Based on the reduction factors of the elastic modulus, and the yield strength and the ultimate strength of S690 obtained from this study, some specified predictive equations were proposed to describe the deterioration of mechanical properties of S690 at elevated temperatures. The predictive equations can be employed for practical fire-resistance design of steel structures with members made of S690, providing reference for the revision of current worldwide leading design standards.

Key words：high strength steel; S690; mechanical properties; reduction factor; elevated temperatures

收稿日期：2015-06-26

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

通訊作者：姜旭(1982—)，男，助理教授，工學(xué)博士，主要研究方向為鋼結(jié)構(gòu)和鋼與組合橋.E-mail：jiangxu@#edu.cn

中圖分類號：TU392

文獻標志碼：A

第一作者： 強旭紅(1984—)，女，助理教授，工學(xué)博士，主要研究方向為鋼結(jié)構(gòu)抗火及高強鋼在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用.

E-mail：qiangxuhong@#edu.cn