高溫下與高溫后Q550D高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能試驗(yàn)

范圣剛，劉?平，石?可，肖韓杰，錢?峰，方?超

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高溫下與高溫后Q550D高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能試驗(yàn)

范圣剛1, 2，劉?平2，石?可2，肖韓杰2，錢?峰2，方?超2

(1. 東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；2. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

高強(qiáng)鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、可焊性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，其在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛．高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下的力學(xué)性能是鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的重要影響因素．為獲取高溫下與高溫后Q550D高強(qiáng)鋼材料的力學(xué)性能，基于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法，對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼開展了拉伸試驗(yàn)，考察了不同冷卻方式(自然冷卻與浸水冷卻)與過火溫度對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的影響，獲取了不同溫度工況下Q550D高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和高溫下與高溫后各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)指標(biāo)(彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率)的折減系數(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與已有規(guī)范和文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析．結(jié)果表明：高溫下Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的升高而逐漸下降，其折減系數(shù)均低于各國(guó)規(guī)范的取值；當(dāng)溫度超過400℃時(shí)，高溫下Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降明顯，當(dāng)溫度超過700℃時(shí)，3個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)均接近于零；不同冷卻方式與過火溫度對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量影響不大；當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，高溫冷卻后Q550D高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的折減并不明顯，當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著下降，且自然冷卻方式下的下降程度更大；高強(qiáng)鋼與普通鋼高溫冷卻后的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度存在較大差別．

高強(qiáng)鋼；力學(xué)性能；穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)；高溫冷卻；折減系數(shù)

與普通鋼材相比，高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度、良好的韌性與可焊性等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)自重與焊接工作量，降低建筑的全壽命周期成本，因此被越來越多地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的建筑結(jié)構(gòu)、橋梁工程、輸電線路等領(lǐng)域．高強(qiáng)鋼在結(jié)構(gòu)受力性能、建筑使用功能以及社會(huì)效益和環(huán)保效益等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)．高強(qiáng)鋼不僅能夠進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性；而且還能有效地減小構(gòu)件尺寸，從而降低用鋼量、減小構(gòu)件的焊接量以及降低鋼構(gòu)件的運(yùn)輸和吊裝難度．目前，高強(qiáng)鋼在國(guó)內(nèi)外的建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中已有少量的應(yīng)用，典型工程案例[1-2]有國(guó)家體育場(chǎng)、中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓、深圳市深圳會(huì)展中心、揚(yáng)州體育公園體育場(chǎng)、澳大利亞悉尼市Grosvenor Place大樓、美國(guó)休斯敦Reliant Stadium．

然而，無論是普通鋼還是高強(qiáng)鋼，其在實(shí)際應(yīng)用中都面臨著一個(gè)難以忽視的問題：高溫下鋼材的力學(xué)性能將會(huì)產(chǎn)生顯著的下降，且過火后的鋼材會(huì)經(jīng)受二次破壞．自911恐怖事件過后，鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能引起了工程界的廣泛關(guān)注，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)以及火災(zāi)后的鑒定修復(fù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要．因此亟需對(duì)高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下的力學(xué)性能進(jìn)行研究，使其在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不被高溫所限制．

傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼相比，新的鋼材生產(chǎn)工藝技術(shù)能使高強(qiáng)鋼化學(xué)成分具有更高的潔凈度，使高強(qiáng)鋼具有細(xì)化的晶粒組織、良好的塑性和較高的機(jī)械強(qiáng)度．目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高溫下和過火后普通鋼材力學(xué)性能的研究已經(jīng)較為成熟，且提出了合理的本構(gòu)模型與力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算方法[3-9]．然而國(guó)內(nèi)對(duì)高溫下高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的研究很少，主要開展了在Q460[10-11]、S690[12]高強(qiáng)鋼以及G550[13]冷成型鋼的高溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究，而對(duì)于Q550D高強(qiáng)鋼火災(zāi)下材料力學(xué)性能研究尚鮮見研究．上述試驗(yàn)結(jié)果表明高溫下與過火后高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能折減系數(shù)與普通鋼材差別較大，現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法并不適用于高強(qiáng)鋼．因此，對(duì)高溫下與高溫后Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究是很有必要的，對(duì)完善鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)與災(zāi)后鑒定加固設(shè)計(jì)具有重要的理論意義與工程實(shí)踐價(jià)值．

本文通過拉伸試驗(yàn)對(duì)高溫下與高溫后Q550D高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的折減系數(shù)進(jìn)行了研究，揭示了不同溫度和不同冷卻方式對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律，為Q550D高強(qiáng)鋼的抗火設(shè)計(jì)提供材性基礎(chǔ)．最后，本文將試驗(yàn)結(jié)果與其他高強(qiáng)鋼試驗(yàn)結(jié)果以及各國(guó)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比．

1?試驗(yàn)方案

1.1?試驗(yàn)方法

1) 常溫拉伸試驗(yàn)

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T228.1—2010)[14]的要求，常溫拉伸試驗(yàn)加載通過位移控制，分兩階段進(jìn)行加載：第１階段加載過程主要用于測(cè)量Q550D高強(qiáng)鋼材料的初始彈性模量和名義屈服強(qiáng)度，以0.6mm/min的加載速率加載至1.0mm，彈性模量和應(yīng)變數(shù)據(jù)由標(biāo)距范圍內(nèi)引伸計(jì)獲得；第２階段加載過程主要用于測(cè)量Q550D高強(qiáng)鋼材料的抗拉強(qiáng)度，以5mm/min的加載速率拉伸至試件斷裂，試件的斷后伸長(zhǎng)率采用游標(biāo)卡尺測(cè)量．

2)高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法采用了恒溫加載方法，即在試驗(yàn)過程中先將試件升溫至某一控制溫度，然后恒定此控制溫度不變，按照一定加載速率拉伸直至試件斷裂.

高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)溫度設(shè)置范圍為100～900℃，每間隔100℃設(shè)置一個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度工況，每一溫度工況下設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)試件．文獻(xiàn)[13，15]表明，試驗(yàn)爐升溫速率選取為20℃/min 時(shí)，爐內(nèi)熱電偶的溫度與試件溫度較為接近，故本試驗(yàn)取升溫速率為20℃/min．

在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中，首先將高溫爐按設(shè)計(jì)的升溫速率(20℃/min)升至指定溫度，保溫30min，升溫及保溫過程試驗(yàn)機(jī)荷載為0，即允許試件自然膨脹[16]．其次，根據(jù)《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T 4338—2006)[17]的要求，穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中試件的加載方式同常溫下拉伸試件的加載方法，第１階段加載速率為0.1mm/min，直至試件應(yīng)變?yōu)?.0mm；第２階段加載速率為1.0mm/min，拉伸至試件斷裂．在加載過程中始終恒定控制溫度不變．

3) 高溫后拉伸試驗(yàn)

高溫冷卻后試驗(yàn)溫度設(shè)置范圍為100～900℃，每間隔100℃設(shè)置一個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度工況，每一溫度工況下設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)試件．按設(shè)定升溫速率20℃/min將試件升至指定溫度，保溫15min，然后將試件取出進(jìn)行降溫．

采取自然冷卻和浸水冷卻兩種方式將試件冷卻至室溫．自然冷卻是將試件從升溫爐中取出后放在空氣中自然冷卻至室溫；浸水冷卻是將試件從升溫爐中取出后放在裝滿室溫水的鐵桶中冷卻至室溫．試件冷卻后在自然狀態(tài)下放置3d，觀察并記錄試件冷卻后的表觀特征，再進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，具體加載過程與常溫拉伸試驗(yàn)相同．

1.2?試驗(yàn)設(shè)備

高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)在東南大學(xué)土木交通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，采用的儀器為UTM5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)．測(cè)量設(shè)備為UTM5305高溫引伸計(jì)，用于測(cè)量拉伸應(yīng)變，采樣頻率為5Hz，量程為50mmm，如圖1(a)所示．

高溫冷卻后高強(qiáng)鋼力學(xué)性能試驗(yàn)分為升溫、冷卻與常溫下拉伸3個(gè)階段，主要在東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與玄武巖纖維生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心完成．升溫過程采用SX2-5-12 型號(hào)的箱式電阻升溫爐，如圖1(b)所示，最高可升至1200℃；升溫爐利用電阻絲發(fā)熱進(jìn)行升溫；升溫爐內(nèi)設(shè)置熱電偶用于監(jiān)測(cè)與調(diào)控爐內(nèi)溫度．常溫加載采用 10TCMT5105微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置如圖1(c)所示；測(cè)量設(shè)備為試驗(yàn)機(jī)配套的位移傳感器、力傳感器以及常溫引伸計(jì).

1.3?試件制作

進(jìn)行高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的UTM5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)夾具最大夾持厚度為4mm，將6mm厚Q550D高強(qiáng)鋼板銑平為4mm厚鋼板，再將4mm厚鋼板線切割加工成試件．試件尺寸按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T228.1—2010)[14]和《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T4338—2006)[17]中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體尺寸如圖2所示.

圖1?試驗(yàn)設(shè)備

圖2?試件尺寸

試件數(shù)量共計(jì)57個(gè)，分成4組．其中，常溫試驗(yàn)試件3個(gè)，以獲得常溫下Q550D高強(qiáng)鋼材料的力學(xué)性能參數(shù)；高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)試件18個(gè)，以獲得高溫下Q550D高強(qiáng)鋼材料的力學(xué)性能參數(shù)；高溫冷卻后試驗(yàn)試件36個(gè)，其中自然冷卻和浸水冷卻試件各18個(gè)，以獲得高溫冷卻后Q550D高強(qiáng)鋼材料的力學(xué)性能參數(shù)．試件分組及尺寸詳見表1所示．

表1?試件分組與尺寸

Tab.1?Groups and sizes of specimens

注：A組為常溫下試件；B組為高溫穩(wěn)態(tài)試件；C組為高溫后自然冷卻試件；D組為高溫后浸水冷卻試件．

2?常溫試驗(yàn)結(jié)果

通過常溫拉伸試驗(yàn)，可獲得常溫下Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的基本參數(shù)，詳見表2．表中的各項(xiàng)參數(shù)為3個(gè)試驗(yàn)試件(A1、A2和A3)的平均值．其中，、y、u、分別為常溫下Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率．Q550D高強(qiáng)鋼材的屈服強(qiáng)度取0.2%殘余變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值．

在本次常溫下拉伸試驗(yàn)中，試件A1彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異常；相較于試件A2和A3，試件A1彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果超出了20%．分析導(dǎo)致此誤差的原因主要有兩方面：①在試件A1測(cè)量過程中，引伸計(jì)測(cè)出的變形值可能存在著少許誤差；②在高強(qiáng)度鋼彈性模量的線性擬合中，試件A1的數(shù)據(jù)存在一定的誤差．為此，在后續(xù)高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能數(shù)據(jù)的對(duì)比分析中，摒棄了試件A1彈性模量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)．

表2?常溫試驗(yàn)Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能參數(shù)

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

3?高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1?試件表觀特征

高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)后試件表觀特征如圖3所示.在圖3中從左至右各試件的過火溫度分別為100℃、200℃、300℃、…、900℃．

圖3?高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)后試件表觀特征

由圖3可知：當(dāng)溫度為100℃時(shí)，試件顏色與常溫相同；200～300℃時(shí)，試件為黃褐色；400℃時(shí)試件表面為淡藍(lán)色；500℃時(shí)試件表面變?yōu)榛野咨?00～900℃時(shí)，試件顏色加深，為黑褐色．由此可見，Q550D高強(qiáng)度鋼表面的碳化程度隨溫度的升高而逐漸加重，鋼材表面顏色逐漸變深．

3.2?高溫下高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能

由高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，可以獲得不同溫度條件下Q550D高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示．由圖4可知：隨著溫度的升高，Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不斷減?。?/p>

圖4?穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)獲得的Q550D高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3?穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)獲得的Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的折減系數(shù)

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

由表3可知：①隨著溫度的升高，Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均有所下降．②當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量略有降低，且在小范圍內(nèi)波動(dòng)，主要原因?yàn)椋涸跍y(cè)量過程中引伸計(jì)存在著誤差，且彈性模量在線性擬合時(shí)也存在數(shù)值誤差，與此同時(shí)由于試驗(yàn)試件數(shù)量較少(樣本容量小)，而無法完全消除上述誤差；當(dāng)溫度超過400℃時(shí)，彈性模量大幅度下降；當(dāng)溫度超過700℃時(shí)，彈性模量接近于零，表明Q550D高強(qiáng)鋼此時(shí)已經(jīng)失去承載能力．③屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度在高溫下的變化趨勢(shì)與彈性模量接近：在400℃之前緩慢下降，并無波動(dòng)；在400～700℃之間迅速下降；超過700℃后趨近于零．屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度折減程度比彈性模量?。?/p>

3.3?高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了便于對(duì)比分析高溫下Q550D高強(qiáng)鋼與其他高強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能的差異，將本次試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[10-13]以及歐洲、美國(guó)、澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)??范[18-20]的已有結(jié)果進(jìn)行對(duì)比．高溫下高強(qiáng)度鋼彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比結(jié)果分別如圖5(a)～(c)所示．

由圖5可知：①通過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)獲得高溫下Q550D高強(qiáng)鋼彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)變化趨勢(shì)與其他各國(guó)規(guī)范(Eurocode 3，AS4100和AISC)給出的曲線較為接近，但試驗(yàn)值均低于各國(guó)規(guī)范結(jié)果．由于現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中抗火設(shè)計(jì)指標(biāo)主要基于普通鋼材的試驗(yàn)結(jié)果，因此各國(guó)規(guī)范中鋼材力學(xué)性能參數(shù)的取值方法對(duì)于高溫下Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能是不適用的．②與其他高強(qiáng)鋼相比，Q550D高強(qiáng)鋼彈性模量折減系數(shù)整體低于Q460高強(qiáng)鋼，與G550冷成型鋼較為接近；Q550D高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)均低于Q460高強(qiáng)鋼；在溫度為300℃前，Q550D冷成型鋼的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)略低于G550高強(qiáng)鋼；當(dāng)溫度超過300℃后，下降趨勢(shì)和折減程度明顯低于G550高強(qiáng)鋼．

圖5?高溫下高強(qiáng)度鋼力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)對(duì)比

4?高溫冷卻后試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1?試件表觀特征

高溫過火后經(jīng)自然冷卻和浸水冷卻兩種方式的試件表觀特征分別如圖6(a)、(b)所示．圖中從左至右各試件的過火溫度分別為100℃、200℃、300℃、…、900℃．

由圖6可知：①在自然冷卻和浸水冷卻條件下，Q550D高強(qiáng)度鋼表面的氧化程度隨過火溫度的升高而逐漸加重，由于氧化程度的增加，各試件表面呈現(xiàn)的顏色逐漸變深，由金屬本色逐漸向炭黑色過渡；在溫度為900℃時(shí)，試件表面嚴(yán)重氧化，表面顏色呈炭黑色．②在溫度工況為100～500℃時(shí)，兩種冷卻方式下試件表觀特征基本保持一致；在溫度工況為500℃后，浸水冷卻試件的表面顏色加深，而自然冷卻試件表面呈暗紅色．

圖6?高溫過火后經(jīng)不同冷卻方式后試件的表觀特征

4.2?高溫冷卻后高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

高溫自然冷卻和浸水冷卻后不同溫度工況下Q550D高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示．

由圖7可知：①常溫下Q550D高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有屈服平臺(tái)；在自然冷卻方式下，除了溫度工況為700℃，其余溫度條件下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線都存在屈服平臺(tái)；在浸水冷卻方式下，在100℃和600℃的溫度區(qū)間，Q550D高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線有屈服平臺(tái)，超過600℃時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出非線性特征，沒有屈服平臺(tái)．②在過火溫度為600℃及之前，過火溫度的高低對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響不大；在過火溫度為600℃后，隨著溫度的提高，Q550D高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度顯著下降．③在20～700℃范圍內(nèi)，Q550D高強(qiáng)鋼的延性基本保持不變；當(dāng)溫度超過700℃時(shí)，自然冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的延性大大提高；而在浸水冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的延性略有下降，可能是浸水冷卻相當(dāng)于淬火處理，使鋼材延性下降．

圖7?高溫冷卻后Q550D高強(qiáng)鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.3?高溫冷卻后高強(qiáng)鋼力學(xué)性能指標(biāo)

表4的數(shù)據(jù)表明：①過火溫度的高低和冷卻方式的不同對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼彈性模量的影響較小，折減幅度在15%以內(nèi)，因此過火溫度的高低并不會(huì)使Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量顯著變化．②當(dāng)過火溫度不超過600℃時(shí)，自然冷卻與浸水冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度略有折減，但變化不大；當(dāng)過火溫度超過 600℃時(shí)，兩種冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度隨溫度的升高逐漸減小，且自然冷卻下屈服強(qiáng)度的折減程度略大于浸水冷卻下的折減程度；當(dāng)過火溫度為900℃時(shí)自然冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的折減高達(dá)53%．③當(dāng)過火溫度不超過700℃時(shí)，兩種冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度基本沒有變化；當(dāng)過火溫度超過700℃時(shí)，兩種冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度隨溫度的升高開始下降，且自然冷卻方式下抗拉強(qiáng)度的折減明顯大于浸水冷卻方式下的折減；當(dāng)過火溫度為900℃時(shí)兩者相差23%．④當(dāng)過火溫度不超過600℃時(shí)，自然冷卻和浸水冷卻方式下Q550D高強(qiáng)鋼的極限伸長(zhǎng)率無明顯變化；當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，浸水冷卻后鋼材的極限伸長(zhǎng)率隨溫度的升高略有折減，而自然冷卻后鋼材的極限伸長(zhǎng)率在800℃時(shí)顯著增加，900℃時(shí)極限伸長(zhǎng)率提高了53%．

表4?Q550D高強(qiáng)鋼不同冷卻方式下力學(xué)性能的折減系數(shù)

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

4.4?高溫冷卻后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了全面地考察高溫冷卻后Q550D高強(qiáng)鋼與其他級(jí)別的普通鋼或高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的差異，本文將本次試驗(yàn)結(jié)果與已有文獻(xiàn)給出的高溫冷卻后Q235??鋼[5]、Q460高強(qiáng)鋼[11]和Q690[21]高強(qiáng)鋼力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析．

1) 彈性模量的對(duì)比

由圖8可知：不同冷卻方式和過火溫度對(duì)不同鋼材彈性模量的影響較?。粺o論是高強(qiáng)鋼還是普通鋼，在自然冷卻和浸水冷卻條件下，隨著過火溫度的升高，彈性模量折減系數(shù)僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)．

圖8?高溫冷卻后不同材料彈性模量折減系數(shù)對(duì)比

2) 屈服強(qiáng)度的對(duì)比

圖9?高溫冷卻后不同材料屈服強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比

由圖9可知：①在自然冷卻方式下，隨著溫度的增加，Q460、Q550D、Q690高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度折減系數(shù)先基本保持不變，過火溫度到達(dá)450℃后迅速減小，且Q550D和Q690的下降幅度比Q460大；Q235普通鋼屈服強(qiáng)度隨過火溫度的升高緩慢下降，下降幅度最?。谠诮鋮s方式下，隨著過火溫度的升高，3種高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)變化趨勢(shì)與自然冷卻情況下相似；當(dāng)過火溫度達(dá)到900℃時(shí)，Q690高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度大幅度提高；Q235普通鋼的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度升高變化不大，且在過火溫度為900℃時(shí)其屈服強(qiáng)度有一定的提高．綜上所述，過火溫度和冷卻方式對(duì)4種鋼材的屈服強(qiáng)度均有影響，高強(qiáng)鋼和普通鋼高溫冷卻后的屈服強(qiáng)度變化趨勢(shì)存在一定的差異．

3) 抗拉強(qiáng)度的對(duì)比

圖10?高溫冷卻后不同材料抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比

由圖10可知：①在自然冷卻方式下，Q235鋼與Q460鋼的抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)比較接近，均隨過火溫度的升高有緩慢下降；對(duì)Q550D和Q690高強(qiáng)鋼，隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)先保持不變，后產(chǎn)生明顯下降，當(dāng)過火溫度為900℃時(shí)降至常溫下抗拉強(qiáng)度的60%．②在浸水冷卻方式下，當(dāng)過火溫度在100～700℃時(shí)，Q235、Q460、Q690的抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)無明顯變化；當(dāng)過火溫度超過700℃時(shí)，Q235和Q460的抗拉強(qiáng)度明顯增加，Q550D的抗拉強(qiáng)度有一定的下降；Q690高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)在過火溫度400℃前基本保持不變，過火溫度超過400℃后開始下降，過火溫度700℃后又有大幅度上漲，比常溫下的強(qiáng)度增長(zhǎng)了57%．③在兩種冷卻方式下，4種材料的抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)都存在著明顯區(qū)別，可見不同冷卻方式對(duì)高強(qiáng)鋼和普通鋼的抗拉強(qiáng)度有著較大的影響．

5?結(jié)?論

本文對(duì)高溫下與高溫后Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法考察了高溫下Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能變化趨勢(shì)以及不同冷卻方式和過火溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響，并與已有試驗(yàn)結(jié)果和各國(guó)規(guī)范(Eurocode3、AS4100和AISC)進(jìn)行對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論．

(1) 在高溫穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)下，隨著溫度的升高，Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度逐漸下降；當(dāng)溫度達(dá)400℃后折減速度明顯加快；當(dāng)溫度達(dá)到800℃，各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均已下降至零．

(2) 各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中高溫下鋼材力學(xué)性能參數(shù)的取值方法對(duì)高溫下Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能是不適用的；與其他高強(qiáng)鋼相比，高溫下Q550D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與G550冷成型鋼比較接近，而各項(xiàng)力學(xué)性能折減系數(shù)均低于Q460高強(qiáng)鋼．

(3) 不同冷卻方式和過火溫度對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼的彈性模量影響較小；當(dāng)過火溫度超過600℃時(shí)，不同冷卻方式和過火溫度對(duì)Q550D高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響較為顯著．

(4) 高溫冷卻后不同鋼材的彈性模量受過火溫度和冷卻方式的影響不大，高溫冷卻后不同鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律存在一定差異．

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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，F(xiàn)ang 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.

范圣剛（1974—??），男，博士，教授.

范圣剛，101010393@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878146，51378105)；江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人資助項(xiàng)目(2016)；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才選拔培養(yǎng)資助項(xiàng)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).

(責(zé)任編輯：樊素英)