张泽宇1,3 曾立静1,3 李红旭1,2 蒋录珍2 王月栋1,3 侯兆新1,3 李伟男4
(1. 中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088; 2. 河北科技大学建筑工程学院, 石家庄 050018; 3. 国家钢结构工程技术研究中心, 北京 100088; 4. 中国京冶工程技术有限公司钢结构公司, 北京 100088)
Zeyu Zhang1,3 Lijing Zeng1,3 Hongxu Li1,2 Luzhen Jiang2 Yuedong Wang1,3 Zhaoxin Hou1,3 Weinan Li4
(1. Central Research Institute of Building and Construction Co. , Ltd. , MCC Group, Beijing 100088, China; 2. School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China; 3. National Steel Structure Engineering Technology Research Center, Beijing 100088, China; 4. Steel Structure Branch, China Jingye Engineering Technology Co. , Ltd. , Beijing 100088, China)
摘要Abstract
来源：张泽宇, 曾立静, 李红旭, 蒋录珍, 王月栋, 侯兆新, 李伟男. 高温环境下耐火钢Q235FRB力学性能试验研究[J]. 钢结构(中英文), 2024, 39(10): 111-118.
doi: 10.13206/j.gjgS24051601
耐火钢通过添加特定的合金元素(如 Cr、Mo、Nb),可以在高温(通常指 600 ℃ )下一定时间内(通常指 1 ~ 3 h),屈服强度大于室温屈服强度的 2/3。其良好的耐高温性能,可有效保证钢结构建筑在火灾高温情况下的短时间内不发生倒塌,从而赢得宝贵的火灾救援时间。此外,耐火钢可在不喷涂防火涂料的情况下使用,环境效益显著。为此,国内外学者陆续开展耐火钢的研发与生产工作,以期利用高性能钢材来缓解和解决钢结构的防火安全问题。
对于钢材在高温下的力学性能,已有一些研究成果。Qiang、Ranawaka、Kankanamge、Choi 和 Chiew 等采用稳态试验和瞬态试验的方法,获得了欧洲钢材 S460N、S690 和 S960 在 25 ~ 800 ℃ 温度区间内的力学行为与高温破坏形式。刘兵、李国强、范圣刚和陈伟等对国产高强钢材的高温力学性能进行研究,给出了对应的钢材力学性能随温度的变化曲线。Zhang 等给出了国产钢材 Q345 在高温自然冷却后的疲劳性能。蒋首超等针对马钢生产的耐火钢进行了高温稳态试验,证明了耐火钢的优越力学性能和耐高温能力。楼国彪等通过试验研究,获得了国产耐火钢 Q345FR、Q420FR 和 Q460FR 在 20 ~ 800 ℃ 温度下的破坏模式、本构关系曲线、力学性能参数和热膨胀系数。Chen 等对澳大利亚钢材BISPLATE80 的高温力学性能进行研究,他们发现温度小于 600 ℃ 时该钢材力学性能与普通钢差异不大,而当温度高于 600 ℃ 时,该钢材与普通钢的力学性能有显著差异。
综上所述,钢材高温力学性能研究多集中于普通钢,而对于高性能钢材如耐火钢的高温力学性能研究相对较少。同时,钢材等级和生产加工方法对其高温力学行为影响显著,国内外钢材性能也存在差异,亟需对国产高性能耐火钢的高温力学性能进行研究。本文通过高温稳态试验对耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的力学性能进行研究,并提出了对应的力学指标参数计算模型,以期为耐火钢结构抗火设计与工程应用提供指导。
1 试验研究
1.1 试件设计
耐火钢 Q235FRB 为武汉钢铁(集团)公司生产,厂家提供的钢材化学成分如表 1 所示。耐火钢 Q235FRB 标准件均由同一钢板加工而成,根据现行规范 GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法》和 GB/T 4338—2006《金属材料 高温拉伸试验方法》相关要求,进行耐火钢 Q235FRB 标准件设计。标准件几何尺寸如图 1 所示,试件总长 420 mm,平行长度为 115 mm,过渡段弧度 R = 25 mm。表 2 给出了试件分组和每个试件的实测尺寸。试件共分 10 组,变量为试验温度,考虑到钢结构局部直接受热构件在自然火灾中的最高温度(600 ~ 800 ℃)和试验机的最佳温度区间,试验温度条件为 30(室温)、100、200、300、400、500、600、700、800、900 ℃。每组包括 2 个试件,即相同条件下试验重复 2 次,以保证试验数据的有效性。
表 1 Q235FRB 钢材化学成分 %
图1 标准件几何尺寸 mm
表2 试件分组与实测尺寸
注:G1 为高温下试件;C1 为常温下试件。
1.2 试验方法
耐火钢 Q235FRB 试件在高温环境下的高温稳态拉伸试验全部在同济大学的结构抗火实验室 MTS300kN 高温电子万能试验机上进行,如图 2 所示。试验机配有升温炉,炉内配有电热丝加热及石棉保温,升温炉的最高温度为 1200 ℃。在稳态试验中,首先,按 20 ℃/min 的升温速率将炉内温度升至指定温度,保温 1 h,升温及保温过程允许试件发生自然膨胀。而后,采用两阶段加载方式对试件进行拉伸,在弹性阶段,采用力加载模式,加载速率为 0.003 min-1(规范规定值为 0.001 ~ 0.005 min-1)且保持恒定;在塑性阶段,即试件应变为 2.5%,采用位移加载模式,加载速率为 0.03 min-1(规范规定值为 0.02 ~ 0.2 min-1)且保持恒定,速率改变是均匀连续的,直至试件断裂。在整个加载过程中,温度始终控制在指定温度并保持不变。同时,采用 D-42551 高温陶瓷引伸计,测量试件拉伸应变。
图2 试验布置
2 试验结果分析
2.1 试件表观特征
图 3 给出了耐火钢 Q235FRB 试件在高温稳态试验后的表观特征,图中试件试验温度从左至右依次为 30 ~ 900 ℃。可以看出:试件在不同试验温度下呈现出不同的表面颜色,这种变化与其碳化程度有关;试验温度相对较低时(如 100 ℃ 和 200 ℃),试件表面颜色变化轻微,分别为银白色(常温试件颜色)和金黄色;随着试验温度增加到 300 ℃ 和 400 ℃ ,试件表面的颜色变为蓝色和墨绿色,表明碳化程度加重;当试验温度在 500 ~ 700 ℃ 时,试件表面颜色逐步加深为黑褐色,表明碳化程度进一步加重;当试验温度在更高的温度范围(800 ~ 900 ℃)时,试件表面氧化层剥落现象明显,出现深灰色和部分棕红色,表明碳化程度达到了严重程度。由此说明,随着温度的升高,耐火钢 Q235FRB 的碳化程度越来越严重,其试件表面颜色随着试验温度的升高逐渐加深,这对理解耐火钢材料的性质变化以及温度对其影响具有一定的参考价值。
图3 高温稳态试验后试件表观特征
图 4 给出了不同温度环境下耐火钢 Q235FRB 试件的断口形貌。可以看出:在常温条件下,试件的断口展现出不平整的特征,并且存在显著的撕裂现象,这表明在室温下,耐火钢 Q235FRB 材料具有较高的韧性;在试验温度为 200、300、400 ℃ 时,试件呈现出沿 45°方向断裂的特征,这说明在该温度下,试件的抗拉强度开始出现降低,使得断裂路径开始发生变化;在试验温度为 500 ~ 600 ℃ 时,试件的断口呈现出盒状凹陷的形态,表明试件开始出现软化,导致断裂面产生了凹陷且断裂路径沿水平方向延伸;当试验温度处于 700 ~ 900 ℃ 范围时,试件断裂时的截面较为平整,且伴有明显软化痕迹和拉伸变形。此外,试验温度小于 600 ℃ 时,试件断裂同时伴随着明显响声;试验温度大于 600 ℃ 时,试件断裂时无明显响声。以上现象表明,随着温度的升高,耐火钢 Q235FRB 材料软化程度逐渐增加。
图4 试件断口形貌
2.2 应力-应变关系曲线
图 5 为不同温度环境下耐火钢 Q235FRB 的应力-应变关系曲线。可知:随着温度的升高,耐火钢应力-应变关系曲线形态发生变化;当温度较低时,曲线存在屈服平台,当温度超过 500 ℃后,无上下屈服点,已基本不存在屈服平台;随着温度的升高,曲线的强化阶段消失且颈缩阶段越来越平缓,表现出材料软化特点。此外,耐火钢的强度也随着温度的升高发生变化,当温度区间在 30 ℃ 和 400 ℃ 时,材料的极限强度出现了一定程度的增加,而后,当温度超过 400 ℃ 后,材料的强度出现降低,当温度超过 600 ℃时,材料的强度急剧下降,基本丧失了承载能力。
图 5 试件应力-应变关系曲线
2.3 力学参数统计分析
为进一步研究高温环境下耐火钢 Q235FRB 的力学性能随温度变化情况,在试验结果的基础上,采用多项式拟合方法,提出了用于预测高温环境下耐火钢 Q235FRB 的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等力学性能指标的计算模型。
2.3.1 弹性模量
表 3 给出了耐火钢 Q235FRB 在不同温度下的弹性模量试验结果的平均值,以常温下弹性模量为基准,计算高温环境下材料弹性模量的折减系数 ηE,如式(1):
式中:ET 为温度为 T 时耐火钢 Q235FRB 的弹性模量;E 为常温下耐火钢 Q235FRB 的弹性模量。
表3 耐火钢 Q235FRB 弹性模量及其折减系数试验值
对耐火钢 Q235FRB 在高温下的弹性模量数据进行多项式拟合,来描述材料的弹性模量与温度之间的关系,如式(2)。均方根误差 RMSE 为 0.05078,误差平方和 SSE 为 0.02579,拟合优度 R2 为 0.9683。
图 6 给出了耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的弹性模量折减系数计算模型。可以看出:当温度小于 200 ℃ 左右时,耐火钢 Q235FRB 的弹性模量数值变化不大;当温度大于 200 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的弹性模量开始遭受温度劣化的影响,随着温度的不断升高,弹性模量开始迅速降低;当温度为 800 ℃ 时,弹性模量约为常温值的 30%。
图6 弹性模量折减系数计算模型
2.3.2 屈服强度
表 4 给出了耐火钢 Q235FRB 在不同温度环境下的屈服强度试验结果及其高温折减系数。以常温下屈服强度为基准,计算高温环境下材料屈服强度的折减系数 ηfy, 如式(3):
同样,对耐火钢 Q235FRB 在高温下的屈服强度数据进行多项式拟合,来描述材料的屈服强度与温度之间的关系,如式(4)。均方根误差 RMSE 为 0.07167,误差平方和 SSE 为 0.05136,拟合优度 R2 为 0.9501。
式中:fy,T 为温度 T 时耐火钢 Q235FRB 的屈服强度;fy 为常温下耐火钢 Q235FRB 的屈服强度。
表4 耐火钢 Q235FRB 屈服强度及其折减系数试验值
图 7 给出了耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的屈服强度折减系数计算模型。可以看出:耐火钢 Q235FRB 的屈服强度随着温度的升高呈现逐渐减小的趋势;当温度小于 200 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的屈服强度变化不大;而后,随着温度的升高,材料屈服强度随之迅速下降,当温度达到 900 ℃ 时,钢材剩余屈服强度为常温值的 13%。
图7 屈服强度折减系数计算模型
2.3.3 抗拉强度
表 5 给出了耐火钢 Q235FRB 在不同温度环境下的抗拉强度试验结果及其高温折减系数。以常温下抗拉强度为基准,计算高温环境下材料抗拉强度的折减系数 ηfu, 如式(5):
同样,对耐火钢 Q235FRB 在高温下的抗拉强度数据进行多项式拟合,得到材料的抗拉强度折减系数与温度之间的关系,如式(6)。均方根误差 RMSE 为 0.0914,误差平方和 SSE 为 0.0836,拟合优度 R2 为 0.9415。
式中:fu,T 为温度 T 时耐火钢 Q235FRB 的抗拉强度;fu 为常温下耐火钢 Q235FRB 的抗拉强度。
表5 耐火钢 Q235FRB 抗拉强度及其折减系数试验值
图 8 给出了耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的抗拉强度折减系数计算模型。可以看出:耐火钢 Q235FRB 的抗拉强度基本上随着温度的升高呈逐渐减小的趋势;当温度区间在 30 ~ 400 ℃ 时,抗拉强度有一定程度的提高,这与材料试验数据的离散性有关,值得后续进行进一步的研究;当温度大于 400 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的抗拉强度迅速下降;当温度升至 900 ℃ 时, 钢材剩余抗拉强度为常温值的 10%。
图8 抗拉强度折减系数计算模型
2.3.4 断后伸长率
为研究耐火钢变形能力在高温环境下的变化规律,图 9 给出了耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的断后伸长率 δ 试验数据。可以看出:总体上,耐火钢 Q235FRB 的断后伸长率基本上随着温度的升高呈先减小后增大的趋势;当温度区间在 30 ~ 400 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 断后伸长率与常温时的试验数值相比较,有一定程度的下降,下降的最大幅度约为 45%,表明了钢材延性性能的降低;当温度大于 400 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的断后伸长率基本上随着温度的升高而逐渐增大,当温度为 900 ℃ 时,其断后伸长率约为常温值的 2.07 倍。
图9 断后伸长率变化系数计算模型
3 与普通钢力学性能对比分析
为了探究耐火钢 Q235FRB 这类高性能钢材与普通钢材的高温力学性能的差异,收集整理已有文献中试验数据, 进行不同温度环境下耐火钢 Q235FRB 与 S460 高强钢、Q345 普通钢、Q235 普通钢的力学性能对比分析。
3.1 弹性模量折减系数对比
图 10 给出了不同温度环境下 4 种钢材的弹性模量折减系数对比结果。可以看出:当温度区间在常温至 400 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 与其他 3 种普通钢材的弹性模量退化情况差别不大;随着温度的升高,耐火钢 Q235FRB 弹性模量折减系数曲线的下降速率逐渐放缓,小于普通钢 Q235、普通钢 Q345 和高强钢 S460 弹性模量折减系数下降速率;当温度高于 600 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的弹性模量折减系数高于其他三种钢材。
图10 弹性模量折减系数对比
3.2 屈服强度折减系数对比
图 11 给出了不同温度环境下 4 种钢材的屈服强度折减系数对比结果。可以看出:普通钢 Q235 的屈服强度折减系数在 4 种钢材中处于最小;耐火钢 Q235FRB 的屈服强度折减系数在大部分温度条件下处于最优;当温度为 600 ℃时,耐火钢 Q235FRB 屈服强度折减系数为 0.74 左右, 是同级别普通钢 Q235 屈服强度的 3.70 倍,是高级别普通钢 Q345 屈服强度的 2.47 倍,是高级别高强钢 S460 屈服强度的 1.76 倍。
图11 屈服强度折减系数对比
3.3 抗拉强度折减系数对比
图 12 给出了不同温度环境下 4 种钢材的抗拉强度折减系数对比结果。可以看出:普通钢 Q235 的抗拉强度折减系数在 4 种钢材中基本处于最小;耐火钢 Q235FRB 的抗拉强度折减系数在该温度区间内表现最优; 当温度为 400 ℃ 时, 耐火钢 Q235FRB 抗拉强度基本与常温值相同,是同级别普通钢 Q235 和高级别普通钢 Q345 抗拉强度的约 1.25 倍;随着温度的升高,钢材 Q235、Q345 和 S460 的抗拉强度折减系数与温度的关系表现相似;当温度为 600 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 抗拉强度折减系数在 0.63 左右,分别是同级别普通钢 Q235、高级别普通钢 Q345 和高级别高强钢 S460 抗拉强度的 2.1 倍、1.31 倍和 2.1 倍。
图12 抗拉强度折减系数对比
3.4 与规范对比
根据 GB/T 28415—2012《耐火结构用钢板及钢带》(简称《规范》),给出本文耐火钢 Q235FRB 试验值与同级别耐火钢 Q235FR《规范》规定值的力学指标对比结果,如表 6 所示。可以看出:常温条件下,本文的耐火钢 Q235FRB 力学指标均满足《规范》规定值且有一定程度的能力储备; 耐火钢 Q235FRB 的屈服强度和抗拉强度直至温度达到 400 ℃ 时仍能满足《规范》的常温值要求,可见此耐火系列高性能钢材力学指标的显著优越性。
表6 耐火钢 Q235FRB 试验值与 Q235FR《规范》规定值力学指标对比
注:表中黑色字体数据为不满足《规范》Q235FR 要求的数据。
通过试验研究,获得了耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的力学性能,并得出以下结论:
1) 耐火钢 Q235FRB 在高温环境下,其弹性模量、屈服强度和抗拉强度基本上随着温度的升高而降低,当温度达到 400 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的弹性模量、屈服强度和抗拉强度分别为常温下的 0.7,0.8 和 1.0 倍;当温度大于 400 ℃ 时,耐火钢 Q235FRB 的强度指标劣化速率加快;当温度达到 600 ℃ 时,其屈服强度和抗拉强度分别下降至常温值的 74% 和 63%左右。
2) 通过多项式拟合, 分别给出了耐火钢 Q235FRB 在高温环境下的弹性模量折减系数、屈服强度折减系数、抗拉强度折减系数的计算模型,为耐火钢 Q235FRB 钢结构的抗火设计提供参考。
3) 常温条件和高温条件下,耐火钢 Q235FRB 力学能力均满足《规范》要求,且有一定程度的安全储备,其耐高温能力优于普通钢,温度越高,耐火钢 Q235FRB 的高温稳定性优势越明显。在 600 ℃ 高温条件下,耐火钢 Q235FRB 弹性模量、屈服强度和抗拉强度分别为同级别普通钢材的 3、3.7、2.1 倍。
注：受限于推文篇幅，文章参考文献未标注，详见原文。
侯兆新，博士，正高级工程师，全国工程勘察设计大师，中国五矿集团建筑领域首席技术专家、国家钢结构工程技术研究中心总工程师。从事建筑结构工程的科研、设计、施工、检测咨询等40年，先后参与2008奥运工程、远海岛礁工程、港珠澳大桥以及新加坡环球影城、新加坡会展中心、新加坡圣淘沙名胜世界等国内外几十项重大工程技术创新工作，主参编20余部国家标准、行业标准和ISO标准，获得国家科技进步奖2项、国家技术发明奖1项，培养了30位硕士、博士后研究生。在高强度螺栓连接、金属围护系统、大跨度钢结构设计与施工、建筑与基础设施安全领域形成了研究特色和技术专长。
张泽宇，博士，中冶建筑研究总院有限公司高级工程师，国家钢结构工程技术研究中心主任助理，中国钢结构协会房屋建筑钢结构分会副秘书长。主要从事钢结构及装配式建筑领域的技术开发与推广应用工作。参与国家科研项目5项，参编国家标准10余项，发表论文10余篇，授权专利30余项，获省部级科技奖励5项。相关成果应用于北京冬奥会、杭州亚运会等多项国家重点工程项目。
曾立静，博士，中冶建筑研究总院有限公司高级工程师。主要从事装配式建筑和高性能钢结构的理论和技术研究工作。参与完成和在研国家重点研发计划等国家级和省部级科研项目10余项，发表SCI/EI/核心论文22篇，申请和授权发明专利16项，获软件著作权2项，出版专著1部，获中冶集团科学技术奖和中国钢结构协会科学技术进步奖各1项。
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融媒体编辑：张白雪
责任编辑：乔亚玲
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