國產高強度Q960鋼高溫蠕變及其對鋼柱抗火性能影響

　　摘要: 為獲得國產高強度 Q960 鋼高溫下蠕變應變，對 Q960 鋼進行高溫拉伸蠕變試驗，得到不同溫度和應力水平下的蠕變應變-時間曲線，基于試驗數據，提出適用于 Q960 鋼結構抗火分析的蠕變模型。采用有限元模型分析蠕變效應對 Q960 鋼柱抗火性能的影響，得到標準升溫條件下無防火保護 Q960 鋼柱的臨界溫度，并與 《建筑鋼結構防火技術規范》( GB 51249) 計算的結果進行對比。研究表明: 當溫度超過 600℃ 時，Q960 鋼材具有明顯的蠕變效應，且溫度越高，斷裂前蠕變總變形越大; 蠕變效應會顯著降低 Q960 鋼柱的臨界溫度和耐火極限; 《建筑鋼結構防火技術規范》( GB 51249) 中的臨界溫度法不適用于 Q960 鋼柱，當荷載比小于 0. 75 時，計算結果不安全，而荷載比大于 0. 75 時，計算結果偏于保守。

　　本文源自李翔; 王衛永; 張艷紅， 土木工程學報 發表時間：2021-06-09

　　關鍵詞: 國產高強 Q960 鋼; 高溫蠕變; 蠕變模型; 有限元分析

　　引 言

　　與普通鋼相比，高強鋼因其強度高，在相同荷載下，可以減小截面尺寸，從而降低結構自重，提高抗震性能，節約鋼材，降低成本。近年來有較多的學者[1-3]開展高強鋼結構的受力性能和設計方法研究，清華大學聯合多所高校和多家企業編寫了行業標準 《高強鋼結構設計標準》( JGJ/T 483—2020) [4]，可以預見，不 久 的 將 來，建筑結構中將大量采用高強鋼。

　　在正常使用情況下，鋼結構的變形隨時間的變化很小; 而在高溫下，鋼結構的變形隨時間的變化比較明顯，這種變形是由鋼材的高溫蠕變引起的。有一些學者已經開展了鋼材的高溫蠕變研究，張昊宇等[5]對高溫下 1770 級 P 5 鋼絲蠕變及應力松弛性能開展了試驗研究; 王俊等[6]對預應力鋼筋在高溫下的蠕變性能進行了試驗并將其應用于有限元分析中; Brnic 等[7-8] 通過試驗研究了高強度低合金鋼 ASTM A618 和不銹鋼 AISI 316Ti 在高溫下的蠕變性能，并采用 Burger 蠕變模型對 ASTM A618 鋼試驗數據進行了擬合; Schneider 等[9]對 S460 鋼進行了高溫下的蠕變試驗，得到了蠕變曲線的三個階段，并從中分離出與時間有關的應變分量，考慮溫度補償時間的概念，提出試驗蠕變法則，能夠在任意升溫歷程的應力-應變關系中考慮蠕變效應; 王衛永等[10-12]對低合金 Q345 鋼、高強度 Q460 鋼和高強度 Q690 鋼材進行高溫蠕變試驗，得到不同溫度和不同應力水平下的蠕變曲線，基于試驗數據和現有蠕變模型，擬合得到了低合金 Q345 鋼、高強度 Q460 和 Q690 鋼材的高溫蠕變模型。以上研究表明: 鋼材高溫蠕變效應與鋼材的類型有關，已有的蠕變模型不適用于多種鋼材。王衛永等[13-15]引入 Q345 鋼和 Q460 鋼蠕變模型分析了鋼柱和鋼梁的火災響應，發現蠕變對結構的變形性能和承載力產生較大的影響。

　　目前尚未發現關于國產高強度 Q960 鋼材的高溫蠕變性能研究，本文采用高溫蠕變試驗機對國產高強度 Q960 鋼進行高溫蠕變試驗，得到了不同溫度和應力水平條件下的蠕變曲線，通過擬合得到適用于 Q960 鋼材的蠕變模型，并采用 ABAQUS 有限元軟件分析了蠕變對 Q960 鋼柱抗火性能的影響。

　　1 試驗概況

　　1. 1 材料力學性能

　　試驗所采用的鋼材為國產 Q960 鋼板，厚度為 20mm，鋼材除了鐵之外的主要化學成分見表 1。為了得到 Q960 鋼材的力學性能，依據 《金屬材料 拉伸試驗 第 1 部分: 室溫試驗方法》( GB/T 228. 1—2010) [16]的規定設計拉伸試件，取樣位置和加工精度符合《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》( GB / T 2975—2018) [17]的要求，進行了 Q960 鋼 材 常 溫拉伸試驗，得到 Q960 鋼材常溫下的屈服強度和極限強度，由于高強鋼沒有明顯的屈服平臺，本文取殘余應變為 0. 2%對應的應力值作為名義屈服強度，用 f0. 2表示。Q960 鋼材常溫下的力學性能測試結果見表 2。

　　按照 《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》 ( GB /T 2975—2018) [17] 和《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》( GB /T 2039—2012) 的規定，設計了高強度 Q960 鋼高溫蠕變試驗試件( 見圖 1) ，試件蠕變測試段長度為 100mm，兩端有兩個凸臺。各組試件的溫度和應力條件見表 3，表中高溫下鋼材屈服強度 fyT為文獻[19]提出的 Q960 鋼高溫下屈服強度折減系數和本次試驗所用鋼材常溫下屈服強度 fy的乘積，應力比 R 為施加的應力值 σ 與相應溫度下屈服強度 fyT的比值。

　　1. 2 試驗儀器

　　蠕變試驗設備為 RMT-D5 電子式高溫蠕變持久強度試驗機，如圖 2 所示，最大試驗力 50kN，試驗誤差在±5%以內，主要包括熱電爐、位移采集系統和控制系統三部分。熱電爐的溫度控制范圍為 200 ～ 1100℃，控溫精度±3℃，通過固定于試件上、中、下三個部位的熱電偶采集溫度數據，反饋到控制系統從而調節熱電爐功率，實現加熱和保溫功能。上下兩對連桿緊扣試件的凸臺，凸臺之間的相對位移由連桿傳遞到位移計，通過位移計記錄試件蠕變變形。

　　1. 3 試驗過程

　　采用恒溫恒載單軸拉伸的試驗方法得到預設溫度和應力水平下 Q960 鋼材的蠕變曲線。試驗開始前先對試件進行編號，測量并記錄其幾何尺寸，待試件、熱電偶和位移計安裝好后，打開熱電爐。熱電爐的升溫速率為 20℃ /min，空載加熱到預設溫度后再保溫 10min。保溫結束后，按照 5kN/min 的加載速率加載到目標荷載后，保持荷載和溫度恒定，直到試件斷裂或加載時間超過 6h，結束試驗并保存試驗數據。

　　2 試驗結果

　　2. 1 試件破壞現象

　　試驗后試件的破壞形態如圖 3 所示，根據溫度和應力的大小，將試驗后的試件按照從左到右的順序排列。可以觀察到: ①大部分試件都發生了斷裂破壞，斷裂位置均發生在標距段范圍內，且溫度越高，斷口截面越小，頸縮現象越明顯; ②800℃ 和 900℃ 時，由于試件的蠕變變形較大，超出了蠕變試驗機的最大位移量程，大部分試件均未拉斷; ③溫度越高，斷裂前的蠕變變形量越大，說明高溫下 Q960 鋼材具有良好的塑性性能; ④不同溫度下，試件表面的顏色有明顯的差異。溫度越高，試驗后試件表面的顏色越深，當溫度高于 700℃ 時，試件存在明顯的氧化層脫落現象。

　　2. 2 蠕變-時間曲線

　　試驗采集得到的蠕變數據包括彈性應變和蠕變應變，忽略加載過程中產生的蠕變應變，根據 Q960 鋼材高溫下的彈性模量和施加應力大小，去除彈性應變后得到不同溫度和應力水平條件下高強度 Q960 鋼的蠕變曲線，如圖 4 所示。一般情況下，蠕變可分為三個階段，即瞬時蠕變階段( 蠕變率逐漸降低) 、穩態蠕變階段( 蠕變率保持恒定) 和加速蠕變階段( 蠕變率迅速增加) 。圖中表示蠕變第二階段和蠕變第三階段的分界點，表示蠕變第三階段末期試件發生蠕變斷裂破壞。

　　根據試驗結果可以看出:

　　( 1) 蠕變第一階段占比非常小，蠕變曲線主要由蠕變第二階段和第三階段組成; 蠕變第二階段，應變增長緩慢且速率幾乎不變; 蠕變第三階段，由于發生頸縮導致橫截面上應力較大，應變增長速率顯著加快，直到斷裂破壞。

　　( 2) 不同溫度下，蠕變應變的發展程度不同。例如: 450℃ ～700℃的溫度條件下( 圖 4( a) ～圖 4( d) ) ，大部分試件均拉斷。由于蠕變試驗機器量程的限制， 800℃和 900℃ ( 圖 4( e) 、圖 4( f) ) 高溫條件下，試件均未拉斷，導致蠕變第三階段試件臨近斷裂時的數據未能采集到。但可以觀察到: 溫度越高，試件斷裂前的蠕變總變形量越大。450℃ ～ 600℃ 中等溫度條件下，試件斷裂時的最大蠕變應變不 超 過 15%， 700℃時試件斷裂時的蠕變應變超過 30%，800℃ 和 900℃的高溫條件下，最大蠕變應變超過 40%。說明高溫條件下 Q960 鋼材由于受熱軟化，表現出良好的延性，且溫度越高，Q960 鋼材的蠕變變形量越大。

　　( 3) 相同溫度下，蠕變曲線與試件的應力水平有關。當應力較大時，蠕變第二階段持續很短時間便直接進入蠕變第三階段; 當應力較小時，蠕變第二階段可以維持很長時間。以 450℃ ( 圖 4( a) ) 為例，當應力為 820MPa 時，蠕變第二階段僅持續了 30min; 而當應力為 780MPa 時，蠕變第二階段持續時間超過了 400min。

　　有關研究表明[20]，蠕變的發生與否，與材料的熔點溫度 Tm有關，當溫度低于 1 /3Tm時，蠕變較小，可忽略其影響。鋼材的熔點為 1500℃ 左右，1 /3Tm≈ 450℃，對比試驗結果可以看出: 450℃時，若要產生較為明顯的蠕變效應則需要較大的荷載比 R，荷載比較小時，蠕變變形發展十分緩慢，幾乎可以不考慮其影響; 而當溫度高于 450℃ 時，溫度越高，蠕變效應越顯著，即使較小的荷載比，蠕變變形發展也十分迅速。如 700℃、R = 0. 5 時，150min 后試件便發生了蠕變斷裂破壞。因此，在對高強度 Q960 鋼結構進行抗火分析時，當溫度高于 450℃，蠕變的影響不可忽略，需要考慮蠕變效應對鋼結構高溫下受力性能的影響。

　　2. 3 不同種類鋼材蠕變性能對比

　　因化學成分和冶煉工藝的不同，不同種類鋼材的蠕變性能存在顯著的差異。為了比較高強度 Q960 鋼與其他鋼材蠕變性能的差異，將本文得到的 Q960 鋼材 蠕 變 試 驗 結 果 與 Q345 鋼[10]、Q460 鋼[11] 和 Q690 鋼[12]的蠕變試驗結果進行對比，對比結果如圖 5所示。其中，應力比 α 為施加的應力與常溫下鋼材屈服強度的比值，以便研究不同種類鋼材蠕變性能的差異。

　　從圖 5 可 以 看 出: 550℃ 時，相 同 的 應 力 比，經歷相同的蠕變時間，Q960 鋼材蠕變應變明顯小于其他種類的鋼材; 900℃ 時，相同的應力比，經歷相同的蠕變時間，Q960 鋼材蠕變應變顯著大于其他種類的鋼 材。對 比 表 明，與其他種類的鋼材相比，當溫度較低時，Q960 鋼材蠕變現象并不顯著，而當溫度較高時，Q960 鋼材的蠕變現象將非常明顯。

　　3 蠕變模型

　　關于鋼材的蠕變模型，比較常用的有: Dorn [21]模 型、 Harmathy [22] 模 型、 Williams-Leir [23] 模 型 和 Fields & Fields [24]模型等，上述模型均假定應力、溫度和時間的作用可以分開，試驗過程中荷載保持不變，可以用來描述蠕變第一階段和第二階段。對于鋼結構來說，蠕變第三階段預示著即將破壞失效，對結構抗火分析意義不大，因此本文僅對蠕變第一階段和第二階段進行擬合。

　　Fields & Fields 蠕變方程表達式為: εcr = at b σc 式中: t 為時間，min; σ 為應力，MPa; a、b、c 為與溫度有關的參數。該模型形式簡單，未知參數少，擬合得到的參數值見表 4，模型計算值與試驗值的對比見圖 6。

　　從圖 6 中可以看出，Fields & Fields 蠕變模型計算值與試驗數據擬合較好，可用于結構的抗火性能分析。

　　4 Q960 鋼柱抗火性能分析

　　4. 1 有限元模型

　　目前尚未發現 Q960 鋼柱抗火性能的試驗，選取文獻[25]中高強 Q960 鋼焊接 H 形軸心受壓鋼柱常溫下的試驗數據對有限元模型進行驗證，鋼柱截面尺寸如表 5 所示。

　　單元類型采用 S4R 殼單元，鋼材的本構關系根據文獻[25]拉伸試驗結果取值，初始殘余應力根據文獻[26]提出的殘余應力分布模型和計算公式，施加在有限元模型中，如圖 7 所示。有限元分析計算過程分為兩步: 第一步特征值屈曲分析，得到第一階屈曲模態作為有限元模型的初始幾何缺陷模態，如圖 8 所示，模態的幅值大小采用文獻[25]中的實測值。

　　第二步非線性屈曲分析，考慮初始殘余應力和幾何缺陷的影響，采用弧長法進行求解，得到試件的極限承載力大小。試驗得到的鋼柱承載力 PE和有限元分析計算得到的結果 PF對比如表 6 所示，從表中可以看出，兩者最大誤差在 4%以內，說明有限元模型可靠，能夠較準確地模擬高強 Q960 鋼軸心受壓鋼柱的受力性能。

　　采用上述有限元模型，引入 Q960 鋼材高溫下的力學性能[19]和 Fields & Fields 蠕變模型，其他參數均與常溫下模型保持一致，對試驗編號為 H2-960 鋼柱進行恒載升溫分析，計算得到 Q960 鋼柱失效時的臨界溫度和柱中側向位移隨時間變化的曲線。鋼柱的升溫曲線按照 《建筑鋼結構防火技術規范》 ( GB 51249—2017) [27]提出的火災下無防火保護鋼構件的溫度計算公式計算。空氣溫度按照 ISO-834 標準升溫曲線計算。

　　4. 2 臨界溫度

　　有限元計算得到的不同荷載比下 Q960 鋼柱的臨界溫度和規范[27]計算結果對比如圖 9 所示，其中，荷載比 R 為施加的恒荷載 P 與鋼柱常溫下穩定承載力 Pcr的比值。可以看出: 相同的荷載比，考慮蠕變效應的有限元計算結果遠低于不考慮蠕變效應的計算結果，兩者最少相差 48℃，最大相差 102℃ ; 當荷載比大于 0. 75 時，考慮蠕變效應的有限元計算結果高于規范的計算結果，當荷載比 R 小于 0. 75 時，考慮蠕變效應的有限元計算結果低于規范的計算結果，兩者最大溫差為 40℃。由此發現，現行規范中計算鋼構件臨界溫度的設計方法并不適用于 Q960 鋼柱，當荷載比較小時，計算結果偏于不安全，當荷載比較大時，計算結果偏于保守。

　　4. 3 耐火極限

　　為了考察蠕變效應對 Q960 鋼柱耐火極限的影響，對不同荷載比下 Q960 鋼柱中央高度處側向位移隨時間的變化進行了有限元分析，計算結果如圖 10 所示。從圖中可以看出，當荷載比 R = 0. 2 時，不考慮蠕變效應鋼柱的耐火極限為 19min，考慮蠕變效應后耐火時間降低到 13min; 當荷載比 R = 0. 7 時，不考慮蠕變效應鋼柱的耐火極限為 10min，考慮蠕變效應后耐火時間降到 8min。主要原因是蠕變增大了鋼柱的變形，加劇了二階效應，從而降低了鋼柱的臨界溫度，且荷載比越小，降幅越大，并導致鋼柱提前失穩破壞。

　　5 結 論

　　( 1) 高強 Q960 鋼蠕變第一階段占比非常小，蠕變曲線主要由蠕變第二階段和蠕變第三階段組成; 不同溫度下，相同時間內蠕變應變的發展程度不同。相同溫度下，應力越大，蠕變經歷的時間越短; 溫度越高，蠕變總變形量越大。450 ～ 600℃ 條件下，最大蠕變應變不超過 15%，800～ 900℃ 條件下，最大蠕變應變超過 40%。

　　( 2) 與其他種類的鋼材相比，當溫度較低時， Q960 鋼材蠕變現象并不顯著，而 當 溫 度 較 高 時， Q960 鋼材的蠕變現象將非常明顯。

　　( 3) 現 行 《建筑鋼結構防火技術規范》 ( GB 51249) 計算鋼構件臨界溫度的設計方法不適用 于 Q960 鋼柱，荷載比較小時，計算結果偏于不安全，荷載比較大時，計算結果偏于保守。

　　( 4) 蠕變效應降低了鋼柱的臨界溫度，縮短了鋼柱的耐火極限。