建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究

張吉玄

（山西八建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和彈性模量隨著溫度的升高而迅速下降，會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的倒塌[1-2]。為了改善鋼的高溫力學(xué)性能，耐火鋼（FRS）被提出和開發(fā)，F(xiàn)RS 主要用于提高鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)時(shí)的耐火性。通常加入Mo、Nb、Si、Cr 等合金元素以提高高溫下的鋼強(qiáng)度[3]，為降低成本，保證材料的高溫強(qiáng)度，研制了一種新型高強(qiáng)度FRS。

目前，F(xiàn)RS 構(gòu)件主要用作型材料，在焊接過(guò)程中，由于焊接構(gòu)件板的溫度場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致其膨脹和收縮不均勻。在冷卻至室溫后，焊接試樣內(nèi)部鎖定自平衡內(nèi)應(yīng)力，稱為焊接殘余應(yīng)力。由于鋼具有良好的延性，其內(nèi)部的自平衡殘余應(yīng)力構(gòu)件不會(huì)影響焊接截面的抗拉性能。然而在壓縮條件下，殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致鋼構(gòu)件過(guò)早屈服，從而影響鋼構(gòu)件的局部和整體屈曲行為[4-5]。為了保證FRS 在鋼結(jié)構(gòu)中安全有效的應(yīng)用，本文對(duì)FRS 焊接箱形截面殘余應(yīng)力的大小和分布進(jìn)行研究與分析。

1 FRS的力學(xué)性能

采用3組試驗(yàn)研究FRS在室溫、高溫下的材料性能和火災(zāi)后的力學(xué)性能。所有拉伸試樣均采用Q345FR和Q460FR鋼制造。

1.1 室溫下的機(jī)械性能

試驗(yàn)采用標(biāo)稱厚度為10mm 和20mm 的Q345FR 和Q460FR 鋼板。用10mm 厚的鋼板制作殘余應(yīng)力試件，用20mm厚的鋼板制作圓形棒材試件，以測(cè)試高溫和火災(zāi)后的力學(xué)性能。在每個(gè)試樣的中長(zhǎng)處附有一個(gè)伸長(zhǎng)計(jì)，以獲得縱向應(yīng)變。根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1-2010），F(xiàn)RS 室溫拉伸試驗(yàn)采用兩級(jí)加載速率控制。第一階段采用應(yīng)變速率控制，應(yīng)變速率為0.003/min。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.012 時(shí)，采用位移速率為0.26mm/min 的位移控制模式，直至第二階段破壞。兩種等級(jí)耐火鋼的室溫平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示，可以看出在室溫下，標(biāo)稱厚度為10mm的鋼板剪切拉伸試件的強(qiáng)度低于標(biāo)稱厚度為20mm 的鋼板剪切拉伸試件。

圖1 Q345FR和Q460FR在室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 高溫下的機(jī)械性能

采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法研究了復(fù)合材料在高溫下的力學(xué)性能，用標(biāo)稱厚度為20mm的Q345FR和Q460FR鋼板切割制作拉伸卷片。加載前，將試樣加熱至目標(biāo)溫度，升溫速率為10℃/min，并保持15min的高溫電子材料試驗(yàn)機(jī)。在加熱過(guò)程中，夾緊試件的上端，松開另一端，直至試件達(dá)到目標(biāo)溫度。然后在保持目標(biāo)溫度的情況下，加載試件直至失效，加載速率與室溫拉伸試驗(yàn)相同。將K型熱電偶插入高溫爐中，連接在試件中間，測(cè)量爐膛內(nèi)和試件內(nèi)的空氣溫度。用高溫伸長(zhǎng)儀測(cè)量了試件的變形，目標(biāo)溫度分別為200℃、300℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃和800℃。在每個(gè)目標(biāo)溫度下重復(fù)測(cè)試2次，圖2為Q345FR和Q460FR試樣在高溫下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖2 Q345FR 和Q460FR 鋼在高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.3 FRS火災(zāi)后力學(xué)性能

為評(píng)價(jià)FRS 的火災(zāi)后力學(xué)性能，以標(biāo)稱厚度為20mm 的Q345FR 和Q460FR 鋼板為材料，切割并制作了拉伸卷片，拉伸試樣的尺寸和目標(biāo)溫度與高溫下力學(xué)性能研究的試樣相同，在每個(gè)目標(biāo)溫度下重復(fù)測(cè)試2次。將試樣放入高溫爐中，以10℃/min 的速率加熱，恒溫保存15min 后達(dá)到目標(biāo)溫度，保證爐膛內(nèi)溫度均勻。在加熱過(guò)程中，夾緊試樣兩端，然后將試樣從爐膛中取出，置于空氣中自然冷卻至室溫。在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)中位移控制速率為2mm/min。本次試驗(yàn)得到的Q345FR 和Q460FR 火災(zāi)后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分別繪制在圖3 中，由于芯材成分的不同，在高溫和火災(zāi)后，F(xiàn)RS 的力學(xué)性能可能與CSS 不同，這說(shuō)明它們之間的殘余應(yīng)力存在差異。

圖3 Q345FR和Q460FR鋼暴露在不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量

2.1 殘余應(yīng)力試件的設(shè)計(jì)

用10mmQ460FR和Q345FR鋼板作為拉伸夾頭，制作了6 個(gè)試件，用于測(cè)量FRS 的殘余應(yīng)力分布?！癚460FR”表示FRS 的名義屈服強(qiáng)度為460MPa；“-R”表示主要研究對(duì)象的殘余應(yīng)力；“-B”代表箱體截面；“-20”表示試件的寬度與厚度之比。每個(gè)試樣由4 個(gè)用火焰從母板上切割下來(lái)的10mm厚的板組成，采用坡口對(duì)接焊方法，通過(guò)氣體弧焊連接試件的翼緣和腹板。焊縫和焊腳的尺寸與板的厚度一致。制造過(guò)程中使用了BHG-2焊絲。

2.2 切片方法

采用切片法將箱形截面分成小條，試樣采用低熱輸入線電極切割加工，由于切削過(guò)程中及時(shí)冷卻，熱影響可以忽略不計(jì)。分割后，鎖定在盒狀切片上的殘余染色劑被完全釋放。

2.2.1 確定切割條的寬度，鉆標(biāo)準(zhǔn)孔

切削前對(duì)試樣進(jìn)行鉆孔和編號(hào)，寬度B 為220mm的試件，法蘭板切成22 條，腹板切成20 條；寬度B 為110mm 的試件，每個(gè)法蘭板切成11 條，腹板切成9 條。因此，每條切割帶的寬度約為10mm。寬度B 為155mm的試件，每個(gè)法蘭板切成17條，每個(gè)腹板切成15條，因此帶材切割的寬度約為9mm。

2.2.2 切片前測(cè)量

使用長(zhǎng)度為150mm 的Whittemore 應(yīng)變片測(cè)量孔間距離，每條測(cè)量3 次，若3 次測(cè)量誤差不超過(guò)0.005mm，取其平均值作為初始長(zhǎng)度。為了考慮溫度變形，在測(cè)量每條帶材之前和之后記錄一個(gè)參考棒的長(zhǎng)度，截面前的初始長(zhǎng)度為r1，溫度基準(zhǔn)桿的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度為t1。

2.2.3 切片后測(cè)量

箱形截面試樣的組成板被切成小條。再次測(cè)量每條帶材的孔距，并記錄為r2。同時(shí)記錄相應(yīng)的溫度基準(zhǔn)棒長(zhǎng)度為t2。

2.3 計(jì)算方法

用切片法測(cè)量單個(gè)帶材的釋放應(yīng)變?chǔ)?，可由式?）求得，其中l(wèi)為兩規(guī)孔之間原標(biāo)記的長(zhǎng)度，l=l0+r1，Δt=t2-t1。l0為Whittemore應(yīng)變片的應(yīng)變長(zhǎng)度（150mm）。

殘余應(yīng)力由式（2）中的胡克定律得到：

觀察到切片后位于焊縫附近的部分帶材出現(xiàn)彎曲變形，考慮到彎曲變形的影響，通過(guò)測(cè)量彎曲帶的偏移量來(lái)修正殘余應(yīng)變。修正公式如式（3）所示，其中ε′為修正后的殘余應(yīng)變，η為最大彎曲位移。當(dāng)η/l不超過(guò)0.001時(shí)，不需要進(jìn)行修正。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

6個(gè)試件的實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力大小如表1所示，表中列出了每種規(guī)格的拉伸區(qū)和壓縮區(qū)殘余應(yīng)力的平均大小。Q460FR-R-B-20 試樣的最大殘余拉應(yīng)力為253.7MPa。Q345FR-R-B-9 試樣的最大殘余壓應(yīng)力為-74.7MPa。

表1 平均殘余應(yīng)力

3.2 殘余應(yīng)力模型

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)Q345FR 和Q460FR 制造的焊接箱形截面柱提出了簡(jiǎn)化的殘余應(yīng)力模型，如圖4所示。殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度比對(duì)于揭示殘余應(yīng)力對(duì)受壓鋼構(gòu)件屈曲行為的影響更為重要。因此，簡(jiǎn)化模型以殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之比給出。

圖4 Q345FR和Q460FR的簡(jiǎn)化殘余應(yīng)力模型

3.3 強(qiáng)度影響

與Q345FR 鋼板相比，Q460FR 鋼板的厚度比具有更低的拉伸殘余應(yīng)力比。從圖3 可以看出，Q460FR 鋼高溫暴露在750~800℃后，火后抗拉強(qiáng)度下降了21%。對(duì)于Q345FR 鋼，火災(zāi)后抗拉強(qiáng)度相應(yīng)降低12%，這很好地解釋了Q460FR 焊接箱形截面與相同寬厚比的Q345FR 焊接箱形截面相比，具有較低的殘余拉應(yīng)力比。Q460FR 鋼焊接箱形截面由于殘余應(yīng)力的自平衡，b/t為20、13.5 和9 時(shí)的壓縮殘余應(yīng)力比Q345FR 鋼焊接箱形截面分別降低了5.7%、6.4%和13.6%。對(duì)于測(cè)試的耐火鋼，鋼級(jí)越高，其殘余壓應(yīng)力比越低，對(duì)柱的屈曲性能的危害越小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)Q345FR 和Q460FR 鋼板6 個(gè)焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，用切片法測(cè)量了焊接箱形截面的殘余應(yīng)力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Q460FR 鋼焊接箱形截面的拉、壓殘余應(yīng)力平均值分別為253.7MPa、221.8MPa、156.7MPa和-63.6MPa、-68.6MPa和-75.5MPa，對(duì)應(yīng)的寬厚比分別為20、14 和9。Q345FR 鋼焊接箱形截面的拉、壓殘余應(yīng)力平均值分別為233.2MPa、211.2MPa、181.5MPa 和-60.8MPa、-66.6MPa、-74.7MPa，寬厚比為20，14 和9。在相同寬厚比條件下，Q460FR 的殘余拉壓應(yīng)力比低于Q345FR。通過(guò)對(duì)不同寬厚比的FRS 焊接箱形截面的殘余應(yīng)力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著寬厚比的增大，殘余壓應(yīng)力比減小。此外，基于試驗(yàn)結(jié)果，本文提出了一種新的簡(jiǎn)化的FRS 焊接箱形截面殘余應(yīng)力模型，有助于快速進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析。