鋼結(jié)構(gòu)用q34516mn鋼恒溫加載試驗(yàn)研究

鋼結(jié)構(gòu)用q34516mn鋼恒溫加載試驗(yàn)研究

高溫力學(xué)性能的應(yīng)用主要原因如下。(1)在火災(zāi)高溫作用下,其強(qiáng)度、彈性模量隨溫度升高降低明顯;(2)鋼構(gòu)件多為薄壁狀,截面系數(shù)(單位長度鋼構(gòu)件側(cè)面面積與其體積之比)大,從火場吸收熱量多,升溫快;(3)鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大,截面上溫度均勻分布,火更容易損傷其內(nèi)部材料。一般說來,未加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中15~20min即會發(fā)生倒塌破壞。我國火災(zāi)年鑒表明,1997~2003年間我國僅在重大火災(zāi)中倒塌的鋼結(jié)構(gòu)建筑達(dá)26棟,倒塌面積11.7萬平方米,直接經(jīng)濟(jì)損失2.12億元。所以,對鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行耐火設(shè)計(jì)是十分必要的,而耐火設(shè)計(jì)的核心是結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的抗力及荷載效應(yīng)的評估,評估計(jì)算時必將依賴鋼材的高溫力學(xué)性能。目前,許多國家和地區(qū)都對本國生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)用鋼的高溫力學(xué)性能做過全面而系統(tǒng)地試驗(yàn)研究,并頒布實(shí)施了鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范。我國目前僅做過少量的試驗(yàn)研究,并未弄清我國鋼結(jié)構(gòu)用鋼的高溫力學(xué)性能隨溫度變化的基本規(guī)律和離散性,而國外發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也未必適合我國,這已成為我國鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)發(fā)展的“瓶頸”。雖然我國在2006年頒布了《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(CECS200∶2006),鋼材的高溫力學(xué)性能參數(shù)采用國產(chǎn)鋼材所做試驗(yàn)數(shù)據(jù),但試驗(yàn)樣本偏少,鋼材來源單一。因此,有必要對我國鋼結(jié)構(gòu)用鋼的高溫力學(xué)性能進(jìn)行較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,提出我國鋼材的高溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)和材料模型,對建立安全可靠、實(shí)用方便的鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)方法具有重要意義。1試驗(yàn)計(jì)劃1.1爐硫試驗(yàn)和均溫區(qū)及長度試驗(yàn)設(shè)備包括加載系統(tǒng)、加熱和溫控系統(tǒng)、變形量測三個系統(tǒng)。加載系統(tǒng)為微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力、應(yīng)變的閉環(huán)自動控制,及時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和儲存,力控制精度為±1%。溫控系統(tǒng)由筒式電熱爐和溫控儀構(gòu)成。筒式爐爐膛高380mm,直徑80mm。最高溫度可達(dá)1000℃,控溫精度±1℃,均溫區(qū)長度350mm。圖1為試驗(yàn)所用加載加熱設(shè)備,圖2為試驗(yàn)爐實(shí)際升溫曲線。鋼材的高溫變形因爐內(nèi)高溫難以直接測量,需轉(zhuǎn)到爐外間接測量。本試驗(yàn)采用電子應(yīng)變儀來測量變形值,通過變形傳感器把采集的變形信號轉(zhuǎn)換為電子信號,輸入計(jì)算機(jī)。該應(yīng)變儀(圖3)由對稱的兩部分組成,各帶一個感應(yīng)變形的傳感器,用兩個彈簧固定在伸出爐外的試件兩端。應(yīng)變儀輸出2組變形值,然后取其均值,以修正試件彎曲所造成的影響。應(yīng)變儀的測量標(biāo)距500mm,最大量程為25mm,精度0.78%。應(yīng)變儀功能穩(wěn)定,重復(fù)性非常好。試驗(yàn)機(jī)程序可對溫度、力、變形、時間高速采樣,并即時繪制曲線。1.2試件的制作試驗(yàn)鋼材分別選用我國10個鋼廠生產(chǎn)的厚度為22mm的16Mn鋼板,用等離子切割成寬度為25mm的鋼條,用車床加工成如圖5所示試件。1.3膨脹變形測試試驗(yàn)過程為:建立試件數(shù)據(jù)文件;將試件放入高溫爐內(nèi),先夾緊試驗(yàn)機(jī)上夾頭,下端自由;用耐火石棉線堵塞爐口縫隙;安裝電子應(yīng)變儀;加熱試件至設(shè)定溫度后恒溫15min;測量并記錄自由膨脹變形。夾緊試驗(yàn)機(jī)下夾頭后以0.5kN/s的加載速度加載到試件屈服進(jìn)入強(qiáng)化階段后停止試驗(yàn)(在力值為0時對變形清零)。沒有拉斷試件是考慮極限強(qiáng)度對耐火設(shè)計(jì)意義不大。1.4試驗(yàn)結(jié)果的描述加熱爐、試件、應(yīng)變儀三者的相對關(guān)系如圖4所示。顯然,應(yīng)變儀測量的變形是500mm范圍內(nèi)的變形值,需修正成直徑為10mm標(biāo)距l(xiāng)t=350mm內(nèi)的變形值。為此,將標(biāo)距外長度為l0=150mm范圍內(nèi)的應(yīng)力變形ΔF和膨脹變形Δh扣除。假定試件長度范圍內(nèi)的溫度分布如圖5所示。試件的兩端溫度對稱下降,把兩端降溫區(qū)反向重疊,降溫區(qū)基本為均勻分布,但其長度為75mm,均溫區(qū)長度為425mm。先按此假定求得線膨脹系數(shù),計(jì)算標(biāo)距外長度為l0=150mm范圍內(nèi)的膨脹變形為Δh。ΔF,Δh分別表達(dá)為:式中:p為試驗(yàn)時所施加的荷載;E0為每個鋼廠試件的常溫彈性模量均值;A0為試件標(biāo)距外長度為l0=150mm范圍內(nèi)的截面面積(直徑為18mm);Δ為應(yīng)變儀500mm范圍的變形讀數(shù),mm;T1為試件均溫區(qū)溫度,℃;T2為恒溫后應(yīng)變儀刀口處溫度,℃;T0為應(yīng)變儀安裝時的環(huán)境溫度,℃。對恒溫加載試驗(yàn),從應(yīng)變儀讀數(shù)扣除ΔF;對線膨脹系數(shù),從抄錄的膨脹變形值中扣除Δh。2常溫試驗(yàn)測定本研究共規(guī)劃:常溫拉伸試驗(yàn),以測定鋼材常溫下的屈服強(qiáng)度和彈性模量;恒溫加載試驗(yàn),以測定鋼材在某一溫度水平下的高溫屈服強(qiáng)度、彈性模量和線膨脹系數(shù)。常溫試驗(yàn)測得各鋼廠試件的屈服強(qiáng)度均值、彈性模量均值和試驗(yàn)規(guī)模列于表1。常溫和恒溫加載試驗(yàn)共192個試件所測得的常溫彈性模量均值為201700MPa,與過去測試結(jié)果相符,這說明本研究所特制的應(yīng)變儀和變形修正方法具有足夠的精確度。2.1試驗(yàn)結(jié)果的差異性通過對試件高溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和變形修正,得到鋼材在不同溫度水平下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。其豎標(biāo)為所加應(yīng)力與各廠常溫屈服強(qiáng)度均值之比。鋼材在高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間存在差異主要是由于不同批次的試件材料來源于不同廠家,材料本身具有一定差異造成的。從10批試件的試驗(yàn)結(jié)果來看,同一批試件在同一溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合,這說明試驗(yàn)的重復(fù)性很好。而且,較高溫度下試驗(yàn)的重復(fù)性比較低溫度下試驗(yàn)的重復(fù)性要好一些。圖6表明,試件在不同高溫下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生較大改變。隨著溫度的升高,曲線中的屈服平臺越來越短。當(dāng)溫度低于200℃時,所有鋼材仍然存在明顯的屈服段及強(qiáng)化現(xiàn)象,只是屈服平臺比常溫時減小了。當(dāng)溫度高于300℃時,所有鋼材的屈服平臺消失。當(dāng)鋼材在300℃時,2個鋼廠的鋼材存在屈服平臺,其余8個鋼廠的鋼材屈服平臺消失。從應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€來看,鋼材在彈性變形范圍內(nèi),基本上沒有差別,10批鋼材的重合性非常好,這說明在彈性范圍內(nèi),10批鋼材在高溫下的彈性模量變化情況一致。當(dāng)進(jìn)入彈塑性變形范圍后,表現(xiàn)出一定差別。2.2應(yīng)變差與應(yīng)力差的比值初始高溫彈性摸量ET取值標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一取應(yīng)變0.01%~0.1%范圍內(nèi)的應(yīng)力差與應(yīng)變差的比值。本試驗(yàn)中常溫彈性摸量E和初始高溫彈性摸量ET來自同一試件(試驗(yàn)前先對試件加載到屈服應(yīng)力的30%,確定出常溫彈性模量,卸載后再進(jìn)行恒溫加載試驗(yàn))。2.2.1高溫初始彈性模量變化的ke定義每個試件在溫度T時的初始高溫彈性模量ET與其常溫彈性模量E之比為彈性模量降低系數(shù)KE。因鋼材來源不同、試驗(yàn)誤差等原因,鋼材的彈性模量降低系數(shù)KE具有一定程度的離散性。每一次試驗(yàn)可得到一個KE值,通過對數(shù)據(jù)的整理分析,得到彈性模量降低系數(shù)KE的數(shù)字特征如均值μ、均方差σ、離散度δ等列于表2。從表2可見,鋼材的高溫初始彈性模量隨溫度升高而逐漸降低;在200℃范圍內(nèi),初始彈性模量降低較小;在200℃到600℃范圍內(nèi),初始彈性模量降低幅度增大。雖然鋼材樣本來自于10個鋼廠,但其離散性并不大。在400℃時最大離散度為7.7%,平均離散度為3.8%。這表明各溫度下的高溫初始彈性模量與其均值的偏離程度較小,說明初始彈性模量的取值比較集中。這也說明試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。2.2.2初始彈性模量與溫度的關(guān)系高溫初始彈性模量試驗(yàn)值散點(diǎn)圖及隨溫度的變化趨勢如圖7所示。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的離散性,假定其服從正態(tài)分布,分別對其均值和下97.7%分位值進(jìn)行回歸,鋼材初始彈性模量隨溫度的變化規(guī)律如果取均值,則:式(3)相關(guān)系數(shù)R2=0.9944,平均相對計(jì)算誤差為0.37%。若取均值減2倍均方差,保證率為97.7%,變化規(guī)律為:式中:T為鋼材所受溫度,℃。式(4)相關(guān)系數(shù)R2=0.9772,平均相對計(jì)算誤差為2.95%。當(dāng)計(jì)算穩(wěn)定性時,建議按式(4)取值;計(jì)算變形或溫度應(yīng)力時建議按式(3)取值。2.2.3初始彈性模量對溫度的影響將國內(nèi)外幾種典型方案的鋼材高溫初始彈性模量結(jié)果與本研究方案進(jìn)行比較,各種方案的鋼材初始彈性模量與溫度的關(guān)系曲線繪于圖8。當(dāng)鋼材溫度超過500℃時,各方案的初始彈性模量相差較大。本研究給出的初始彈性模量均值方案與日本和CECS方案的結(jié)果較為接近,下分位值方案與ECD3方案的結(jié)果較為接近,但600℃的值要大。2.3高溫下的屈服強(qiáng)度2.3.1有效屈服強(qiáng)度常溫下,從鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線的屈服臺階上很容易確定屈服點(diǎn)。但隨著溫度的升高,鋼材的屈服平臺逐漸消失,這時鋼材強(qiáng)度統(tǒng)稱為有效屈服強(qiáng)度,簡稱屈服強(qiáng)度。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍然有屈服平臺的時候,屈服強(qiáng)度的取值和常溫的一樣。而當(dāng)屈服平臺消失以后,有效屈服強(qiáng)度的確定就變得較為困難。因此,如何合理確定鋼材在高溫下的屈服強(qiáng)度值得研究。(1)被覆抗彎構(gòu)件目前,在國內(nèi)外的研究中,關(guān)于鋼材高溫下有效屈服強(qiáng)度的取值問題還沒有取得統(tǒng)一的看法和標(biāo)準(zhǔn)。ECCS采用應(yīng)變?yōu)?.5%時的應(yīng)力為屈服應(yīng)力,英國標(biāo)準(zhǔn)BS5950:Part8是以材料應(yīng)變?yōu)?.5%、1.5%、2.0%給出設(shè)計(jì)值,對不同的構(gòu)件分別采用。對于有防火材料被覆的抗彎組合構(gòu)件,應(yīng)變值可取2.0%;對于有或無防火材料被覆的抗彎構(gòu)件,應(yīng)變值可取1.5%;不符合以上條件的,應(yīng)變值可取0.5%。歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode3以材料應(yīng)變?yōu)?.0%給出設(shè)計(jì)值,對組合結(jié)構(gòu)直接應(yīng)用,對鋼結(jié)構(gòu)則根據(jù)具體構(gòu)件加以修正。對于應(yīng)變的選擇應(yīng)考慮兩個方面,一是材料的受力狀態(tài)和變形性能的要求,二是保護(hù)材料的附著性要求。在工程結(jié)構(gòu)中,對于沒有明顯屈服臺階的材料通常采用殘余應(yīng)變法、能量法、延性比法和屈強(qiáng)比法確定材料的屈服點(diǎn)。文獻(xiàn)對上述幾種方法進(jìn)行了試算和對比,認(rèn)為按這些方法確定的屈服點(diǎn)都不盡合理,所得的鋼材應(yīng)變值過大,材料雖有強(qiáng)度儲備,但結(jié)構(gòu)的變形過大,可能早已失效。最后從屈服點(diǎn)的定義出發(fā),取材料的變形增長率突然增大的開始點(diǎn)為屈服點(diǎn)。具體方法如下:將試驗(yàn)中實(shí)測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,按照一定的應(yīng)力增量Δσi進(jìn)行劃分,相應(yīng)的各級應(yīng)變增量為Δεi。從零開始的應(yīng)力和應(yīng)變增量都逐級增加,當(dāng)?shù)趎+1級的應(yīng)變增長率與前一級應(yīng)變增長率之比α=2時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率顯著減小,形成轉(zhuǎn)折,認(rèn)為從該點(diǎn)開始,材料的變形加快發(fā)展,將該點(diǎn)確定為材料的理論屈服點(diǎn)。本文認(rèn)為,該取值原則與分級的數(shù)目和α值有關(guān)。(2)屈服點(diǎn)材料模型從應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看,當(dāng)屈服平臺未消失時,鋼材是從彈性狀態(tài)突然轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài),屈服點(diǎn)是屈服平臺水平線與原點(diǎn)切線的交點(diǎn),材料模型為理想的彈性-塑性模型(圖9a)。從物理意義來看,屈服點(diǎn)是材料從一種變形狀態(tài)(彈性)突變?yōu)榱硪环N變形狀態(tài)(塑性)的分界點(diǎn)。當(dāng)屈服平臺消失后,鋼材是從彈性狀態(tài)逐漸過渡到彈塑性狀態(tài)。本研究把材料的這種逐漸過渡集中處理:對鋼材有效屈服強(qiáng)度采用割線交點(diǎn)法進(jìn)行取值,即強(qiáng)化后應(yīng)力-應(yīng)變曲線割線與原點(diǎn)割線的交點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值,如圖9(b)所示。顯然,這種取值原則把沒有屈服平臺的鋼材的“屈服點(diǎn)”定義為彈性狀態(tài)與彈塑性狀態(tài)的分界點(diǎn),因而更符合屈服點(diǎn)的物理意義,材料模型為理想的彈性-彈塑性模型。強(qiáng)化后割線取ε=0.5%和ε=1.0%兩點(diǎn)應(yīng)力值連線。2.3.2屈服強(qiáng)度降低系數(shù)ks的數(shù)值特征定義鋼材在溫度T時的屈服強(qiáng)度fyT與常溫屈服強(qiáng)度fy(各廠均值)之比為屈服強(qiáng)度降低系數(shù)ks。因鋼材來源不同,試驗(yàn)誤差等原因,鋼材的屈服強(qiáng)度降低系數(shù)ks具有一定程度的離散性。每一次試驗(yàn)可得到一個ks值,通過對數(shù)據(jù)的整理分析,得到屈服強(qiáng)度降低系數(shù)ks的數(shù)字特征如均值μ、均方差σ、離散度δ列于表3。從表3可見,鋼材的高溫屈服強(qiáng)度隨溫度升高而逐漸降低,在200℃范圍內(nèi),屈服強(qiáng)度降低較小;在200℃到600℃范圍內(nèi),屈服強(qiáng)度降低幅度增大。最大離散度發(fā)生在600℃時,為0.045,相對離散度為9.4%,平均相對離散度為6.03%,離散性比彈性模量稍大。以各鋼廠為單位進(jìn)行離散性分析,10個鋼廠的組內(nèi)平均離散度僅為1.73%,該值反映了同一鋼廠的各試件之間的材質(zhì)差別和試驗(yàn)誤差。整體分析的平均相對離散度為6.03%,該值不僅反映了同一鋼廠的各試件之間的材質(zhì)差別、試驗(yàn)誤差,更重要的是還包括鋼廠之間的材質(zhì)差別。離散度的1/3來自廠內(nèi),2/3來自廠間?？傮w來說,雖然樣本來自于10個鋼廠,但其離散性并不大。2.3.3屈服強(qiáng)度均值隨試驗(yàn)溫度的變化規(guī)律高溫屈服強(qiáng)度試驗(yàn)值散點(diǎn)圖及隨溫度的變化趨勢如圖10所示。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的離散性,假定其服從正態(tài)分布,分別對其均值和下97.7%分位值進(jìn)行回歸,鋼材屈服強(qiáng)度均值隨溫度T的變化規(guī)律為:式(5)相關(guān)系數(shù)R2=0.9933,平均相對計(jì)算誤差為0.42%。若取均值減2倍均方差,保證率為97.7%,變化規(guī)律為:式(6)相關(guān)系數(shù)R2=0.9975,平均相對計(jì)算誤差為0.8%。在耐火設(shè)計(jì)或評估中,當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上應(yīng)力均勻分布時,如軸心受拉和受壓構(gòu)件,截面屈服后后果嚴(yán)重,建議屈服強(qiáng)度取均值減2倍均方差即按式(6)取值;否則,當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上應(yīng)力不均勻分布如計(jì)算受彎、壓彎和拉彎構(gòu)件時建議屈服強(qiáng)度取均值即按式(5)取值。2.3.4方案比較結(jié)果將國內(nèi)外幾種典型方案的鋼材高溫屈服強(qiáng)度結(jié)果與本研究方案比較結(jié)果繪于圖11。各方案的屈服強(qiáng)度相差較大,本研究給出的屈服強(qiáng)度的兩種方案介于所有方案之間,其中下分位值方案與日本和李國強(qiáng)方案的結(jié)果較為接近。2.4線膨脹系數(shù)2.4.1溫度對線膨脹系數(shù)的影響定義鋼材的線膨脹系數(shù)為當(dāng)溫度每升高1℃,材料單位長度的膨脹值。因鋼材來源不同,試驗(yàn)誤差等原因,鋼材的線膨脹系數(shù)α具有一定程度的離散性。每一次試驗(yàn)可得到一個α值,通過數(shù)據(jù)分析,得到線膨脹系數(shù)的數(shù)字特征如均值μ、均方差σ、離散度δ列于表4。從表4可見,鋼材的線膨脹系數(shù)隨溫度升高而逐漸增大。雖然鋼材樣本來自于10個鋼廠,但其離散性并不大,在100℃時,離散度最大,僅為0.044,相對離散度為7.4%。溫度越高,離散度越小。平均相對離散度為3.7%。這表明各溫度下的線膨脹系數(shù)與其均值的偏離程度較小,說明線膨脹系數(shù)的取值比較集中。這也說明試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。2.4.2線膨脹系數(shù)隨試驗(yàn)值的變化規(guī)律線膨脹系數(shù)試驗(yàn)值散點(diǎn)圖及隨溫度的變化趨勢如圖12所示。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的離散性,假定其服從正態(tài)分布,分別對其均值和上97.7%分位值進(jìn)行回歸,線膨脹系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律為:對均值(10-5/℃):式(7)相關(guān)系數(shù)R2=0.9979,平均相對計(jì)算誤差為1.01%。若取均值加2倍均方差,保證率為97.7%,變化規(guī)律為:式中:T為鋼材所受溫度,℃。式(8)相關(guān)系數(shù)R2=0.9988。式(8)與試驗(yàn)值平均相對誤差為0.29%。在結(jié)構(gòu)分析中,一般地說線膨脹系數(shù)越大對結(jié)構(gòu)越不利。所以建議按其上