国产高强度Q960钢高温蠕变及其对钢柱抗火性能影响

　　摘要: 为获得国产高强度 Q960 钢高温下蠕变应变，对 Q960 钢进行高温拉伸蠕变试验，得到不同温度和应力水平下的蠕变应变-时间曲线，基于试验数据，提出适用于 Q960 钢结构抗火分析的蠕变模型。采用有限元模型分析蠕变效应对 Q960 钢柱抗火性能的影响，得到标准升温条件下无防火保护 Q960 钢柱的临界温度，并与 《建筑钢结构防火技术规范》( GB 51249) 计算的结果进行对比。研究表明: 当温度超过 600℃ 时，Q960 钢材具有明显的蠕变效应，且温度越高，断裂前蠕变总变形越大; 蠕变效应会显著降低 Q960 钢柱的临界温度和耐火极限; 《建筑钢结构防火技术规范》( GB 51249) 中的临界温度法不适用于 Q960 钢柱，当荷载比小于 0. 75 时，计算结果不安全，而荷载比大于 0. 75 时，计算结果偏于保守。

　　本文源自李翔; 王卫永; 张艳红， 土木工程学报 发表时间：2021-06-09

　　关键词: 国产高强 Q960 钢; 高温蠕变; 蠕变模型; 有限元分析

　　引 言

　　与普通钢相比，高强钢因其强度高，在相同荷载下，可以减小截面尺寸，从而降低结构自重，提高抗震性能，节约钢材，降低成本。近年来有较多的学者[1-3]开展高强钢结构的受力性能和设计方法研究，清华大学联合多所高校和多家企业编写了行业标准 《高强钢结构设计标准》( JGJ/T 483—2020) [4]，可以预见，不 久 的 将 来，建筑结构中将大量采用高强钢。

　　在正常使用情况下，钢结构的变形随时间的变化很小; 而在高温下，钢结构的变形随时间的变化比较明显，这种变形是由钢材的高温蠕变引起的。有一些学者已经开展了钢材的高温蠕变研究，张昊宇等[5]对高温下 1770 级 P 5 钢丝蠕变及应力松弛性能开展了试验研究; 王俊等[6]对预应力钢筋在高温下的蠕变性能进行了试验并将其应用于有限元分析中; Brnic 等[7-8] 通过试验研究了高强度低合金钢 ASTM A618 和不锈钢 AISI 316Ti 在高温下的蠕变性能，并采用 Burger 蠕变模型对 ASTM A618 钢试验数据进行了拟合; Schneider 等[9]对 S460 钢进行了高温下的蠕变试验，得到了蠕变曲线的三个阶段，并从中分离出与时间有关的应变分量，考虑温度补偿时间的概念，提出试验蠕变法则，能够在任意升温历程的应力-应变关系中考虑蠕变效应; 王卫永等[10-12]对低合金 Q345 钢、高强度 Q460 钢和高强度 Q690 钢材进行高温蠕变试验，得到不同温度和不同应力水平下的蠕变曲线，基于试验数据和现有蠕变模型，拟合得到了低合金 Q345 钢、高强度 Q460 和 Q690 钢材的高温蠕变模型。以上研究表明: 钢材高温蠕变效应与钢材的类型有关，已有的蠕变模型不适用于多种钢材。王卫永等[13-15]引入 Q345 钢和 Q460 钢蠕变模型分析了钢柱和钢梁的火灾响应，发现蠕变对结构的变形性能和承载力产生较大的影响。

　　目前尚未发现关于国产高强度 Q960 钢材的高温蠕变性能研究，本文采用高温蠕变试验机对国产高强度 Q960 钢进行高温蠕变试验，得到了不同温度和应力水平条件下的蠕变曲线，通过拟合得到适用于 Q960 钢材的蠕变模型，并采用 ABAQUS 有限元软件分析了蠕变对 Q960 钢柱抗火性能的影响。

　　1 试验概况

　　1. 1 材料力学性能

　　试验所采用的钢材为国产 Q960 钢板，厚度为 20mm，钢材除了铁之外的主要化学成分见表 1。为了得到 Q960 钢材的力学性能，依据 《金属材料 拉伸试验 第 1 部分: 室温试验方法》( GB/T 228. 1—2010) [16]的规定设计拉伸试件，取样位置和加工精度符合《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》( GB / T 2975—2018) [17]的要求，进行了 Q960 钢 材 常 温拉伸试验，得到 Q960 钢材常温下的屈服强度和极限强度，由于高强钢没有明显的屈服平台，本文取残余应变为 0. 2%对应的应力值作为名义屈服强度，用 f0. 2表示。Q960 钢材常温下的力学性能测试结果见表 2。

　　按照 《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》 ( GB /T 2975—2018) [17] 和《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》( GB /T 2039—2012) 的规定，设计了高强度 Q960 钢高温蠕变试验试件( 见图 1) ，试件蠕变测试段长度为 100mm，两端有两个凸台。各组试件的温度和应力条件见表 3，表中高温下钢材屈服强度 fyT为文献[19]提出的 Q960 钢高温下屈服强度折减系数和本次试验所用钢材常温下屈服强度 fy的乘积，应力比 R 为施加的应力值 σ 与相应温度下屈服强度 fyT的比值。

　　1. 2 试验仪器

　　蠕变试验设备为 RMT-D5 电子式高温蠕变持久强度试验机，如图 2 所示，最大试验力 50kN，试验误差在±5%以内，主要包括热电炉、位移采集系统和控制系统三部分。热电炉的温度控制范围为 200 ～ 1100℃，控温精度±3℃，通过固定于试件上、中、下三个部位的热电偶采集温度数据，反馈到控制系统从而调节热电炉功率，实现加热和保温功能。上下两对连杆紧扣试件的凸台，凸台之间的相对位移由连杆传递到位移计，通过位移计记录试件蠕变变形。

　　1. 3 试验过程

　　采用恒温恒载单轴拉伸的试验方法得到预设温度和应力水平下 Q960 钢材的蠕变曲线。试验开始前先对试件进行编号，测量并记录其几何尺寸，待试件、热电偶和位移计安装好后，打开热电炉。热电炉的升温速率为 20℃ /min，空载加热到预设温度后再保温 10min。保温结束后，按照 5kN/min 的加载速率加载到目标荷载后，保持荷载和温度恒定，直到试件断裂或加载时间超过 6h，结束试验并保存试验数据。

　　2 试验结果

　　2. 1 试件破坏现象

　　试验后试件的破坏形态如图 3 所示，根据温度和应力的大小，将试验后的试件按照从左到右的顺序排列。可以观察到: ①大部分试件都发生了断裂破坏，断裂位置均发生在标距段范围内，且温度越高，断口截面越小，颈缩现象越明显; ②800℃ 和 900℃ 时，由于试件的蠕变变形较大，超出了蠕变试验机的最大位移量程，大部分试件均未拉断; ③温度越高，断裂前的蠕变变形量越大，说明高温下 Q960 钢材具有良好的塑性性能; ④不同温度下，试件表面的颜色有明显的差异。温度越高，试验后试件表面的颜色越深，当温度高于 700℃ 时，试件存在明显的氧化层脱落现象。

　　2. 2 蠕变-时间曲线

　　试验采集得到的蠕变数据包括弹性应变和蠕变应变，忽略加载过程中产生的蠕变应变，根据 Q960 钢材高温下的弹性模量和施加应力大小，去除弹性应变后得到不同温度和应力水平条件下高强度 Q960 钢的蠕变曲线，如图 4 所示。一般情况下，蠕变可分为三个阶段，即瞬时蠕变阶段( 蠕变率逐渐降低) 、稳态蠕变阶段( 蠕变率保持恒定) 和加速蠕变阶段( 蠕变率迅速增加) 。图中表示蠕变第二阶段和蠕变第三阶段的分界点，表示蠕变第三阶段末期试件发生蠕变断裂破坏。

　　根据试验结果可以看出:

　　( 1) 蠕变第一阶段占比非常小，蠕变曲线主要由蠕变第二阶段和第三阶段组成; 蠕变第二阶段，应变增长缓慢且速率几乎不变; 蠕变第三阶段，由于发生颈缩导致横截面上应力较大，应变增长速率显著加快，直到断裂破坏。

　　( 2) 不同温度下，蠕变应变的发展程度不同。例如: 450℃ ～700℃的温度条件下( 图 4( a) ～图 4( d) ) ，大部分试件均拉断。由于蠕变试验机器量程的限制， 800℃和 900℃ ( 图 4( e) 、图 4( f) ) 高温条件下，试件均未拉断，导致蠕变第三阶段试件临近断裂时的数据未能采集到。但可以观察到: 温度越高，试件断裂前的蠕变总变形量越大。450℃ ～ 600℃ 中等温度条件下，试件断裂时的最大蠕变应变不 超 过 15%， 700℃时试件断裂时的蠕变应变超过 30%，800℃ 和 900℃的高温条件下，最大蠕变应变超过 40%。说明高温条件下 Q960 钢材由于受热软化，表现出良好的延性，且温度越高，Q960 钢材的蠕变变形量越大。

　　( 3) 相同温度下，蠕变曲线与试件的应力水平有关。当应力较大时，蠕变第二阶段持续很短时间便直接进入蠕变第三阶段; 当应力较小时，蠕变第二阶段可以维持很长时间。以 450℃ ( 图 4( a) ) 为例，当应力为 820MPa 时，蠕变第二阶段仅持续了 30min; 而当应力为 780MPa 时，蠕变第二阶段持续时间超过了 400min。

　　有关研究表明[20]，蠕变的发生与否，与材料的熔点温度 Tm有关，当温度低于 1 /3Tm时，蠕变较小，可忽略其影响。钢材的熔点为 1500℃ 左右，1 /3Tm≈ 450℃，对比试验结果可以看出: 450℃时，若要产生较为明显的蠕变效应则需要较大的荷载比 R，荷载比较小时，蠕变变形发展十分缓慢，几乎可以不考虑其影响; 而当温度高于 450℃ 时，温度越高，蠕变效应越显著，即使较小的荷载比，蠕变变形发展也十分迅速。如 700℃、R = 0. 5 时，150min 后试件便发生了蠕变断裂破坏。因此，在对高强度 Q960 钢结构进行抗火分析时，当温度高于 450℃，蠕变的影响不可忽略，需要考虑蠕变效应对钢结构高温下受力性能的影响。

　　2. 3 不同种类钢材蠕变性能对比

　　因化学成分和冶炼工艺的不同，不同种类钢材的蠕变性能存在显著的差异。为了比较高强度 Q960 钢与其他钢材蠕变性能的差异，将本文得到的 Q960 钢材 蠕 变 试 验 结 果 与 Q345 钢[10]、Q460 钢[11] 和 Q690 钢[12]的蠕变试验结果进行对比，对比结果如图 5所示。其中，应力比 α 为施加的应力与常温下钢材屈服强度的比值，以便研究不同种类钢材蠕变性能的差异。

　　从图 5 可 以 看 出: 550℃ 时，相 同 的 应 力 比，经历相同的蠕变时间，Q960 钢材蠕变应变明显小于其他种类的钢材; 900℃ 时，相同的应力比，经历相同的蠕变时间，Q960 钢材蠕变应变显著大于其他种类的钢 材。对 比 表 明，与其他种类的钢材相比，当温度较低时，Q960 钢材蠕变现象并不显著，而当温度较高时，Q960 钢材的蠕变现象将非常明显。

　　3 蠕变模型

　　关于钢材的蠕变模型，比较常用的有: Dorn [21]模 型、 Harmathy [22] 模 型、 Williams-Leir [23] 模 型 和 Fields & Fields [24]模型等，上述模型均假定应力、温度和时间的作用可以分开，试验过程中荷载保持不变，可以用来描述蠕变第一阶段和第二阶段。对于钢结构来说，蠕变第三阶段预示着即将破坏失效，对结构抗火分析意义不大，因此本文仅对蠕变第一阶段和第二阶段进行拟合。

　　Fields & Fields 蠕变方程表达式为: εcr = at b σc 式中: t 为时间，min; σ 为应力，MPa; a、b、c 为与温度有关的参数。该模型形式简单，未知参数少，拟合得到的参数值见表 4，模型计算值与试验值的对比见图 6。

　　从图 6 中可以看出，Fields & Fields 蠕变模型计算值与试验数据拟合较好，可用于结构的抗火性能分析。

　　4 Q960 钢柱抗火性能分析

　　4. 1 有限元模型

　　目前尚未发现 Q960 钢柱抗火性能的试验，选取文献[25]中高强 Q960 钢焊接 H 形轴心受压钢柱常温下的试验数据对有限元模型进行验证，钢柱截面尺寸如表 5 所示。

　　单元类型采用 S4R 壳单元，钢材的本构关系根据文献[25]拉伸试验结果取值，初始残余应力根据文献[26]提出的残余应力分布模型和计算公式，施加在有限元模型中，如图 7 所示。有限元分析计算过程分为两步: 第一步特征值屈曲分析，得到第一阶屈曲模态作为有限元模型的初始几何缺陷模态，如图 8 所示，模态的幅值大小采用文献[25]中的实测值。

　　第二步非线性屈曲分析，考虑初始残余应力和几何缺陷的影响，采用弧长法进行求解，得到试件的极限承载力大小。试验得到的钢柱承载力 PE和有限元分析计算得到的结果 PF对比如表 6 所示，从表中可以看出，两者最大误差在 4%以内，说明有限元模型可靠，能够较准确地模拟高强 Q960 钢轴心受压钢柱的受力性能。

　　采用上述有限元模型，引入 Q960 钢材高温下的力学性能[19]和 Fields & Fields 蠕变模型，其他参数均与常温下模型保持一致，对试验编号为 H2-960 钢柱进行恒载升温分析，计算得到 Q960 钢柱失效时的临界温度和柱中侧向位移随时间变化的曲线。钢柱的升温曲线按照 《建筑钢结构防火技术规范》 ( GB 51249—2017) [27]提出的火灾下无防火保护钢构件的温度计算公式计算。空气温度按照 ISO-834 标准升温曲线计算。

　　4. 2 临界温度

　　有限元计算得到的不同荷载比下 Q960 钢柱的临界温度和规范[27]计算结果对比如图 9 所示，其中，荷载比 R 为施加的恒荷载 P 与钢柱常温下稳定承载力 Pcr的比值。可以看出: 相同的荷载比，考虑蠕变效应的有限元计算结果远低于不考虑蠕变效应的计算结果，两者最少相差 48℃，最大相差 102℃ ; 当荷载比大于 0. 75 时，考虑蠕变效应的有限元计算结果高于规范的计算结果，当荷载比 R 小于 0. 75 时，考虑蠕变效应的有限元计算结果低于规范的计算结果，两者最大温差为 40℃。由此发现，现行规范中计算钢构件临界温度的设计方法并不适用于 Q960 钢柱，当荷载比较小时，计算结果偏于不安全，当荷载比较大时，计算结果偏于保守。

　　4. 3 耐火极限

　　为了考察蠕变效应对 Q960 钢柱耐火极限的影响，对不同荷载比下 Q960 钢柱中央高度处侧向位移随时间的变化进行了有限元分析，计算结果如图 10 所示。从图中可以看出，当荷载比 R = 0. 2 时，不考虑蠕变效应钢柱的耐火极限为 19min，考虑蠕变效应后耐火时间降低到 13min; 当荷载比 R = 0. 7 时，不考虑蠕变效应钢柱的耐火极限为 10min，考虑蠕变效应后耐火时间降到 8min。主要原因是蠕变增大了钢柱的变形，加剧了二阶效应，从而降低了钢柱的临界温度，且荷载比越小，降幅越大，并导致钢柱提前失稳破坏。

　　5 结 论

　　( 1) 高强 Q960 钢蠕变第一阶段占比非常小，蠕变曲线主要由蠕变第二阶段和蠕变第三阶段组成; 不同温度下，相同时间内蠕变应变的发展程度不同。相同温度下，应力越大，蠕变经历的时间越短; 温度越高，蠕变总变形量越大。450 ～ 600℃ 条件下，最大蠕变应变不超过 15%，800～ 900℃ 条件下，最大蠕变应变超过 40%。

　　( 2) 与其他种类的钢材相比，当温度较低时， Q960 钢材蠕变现象并不显著，而 当 温 度 较 高 时， Q960 钢材的蠕变现象将非常明显。

　　( 3) 现 行 《建筑钢结构防火技术规范》 ( GB 51249) 计算钢构件临界温度的设计方法不适用 于 Q960 钢柱，荷载比较小时，计算结果偏于不安全，荷载比较大时，计算结果偏于保守。

　　( 4) 蠕变效应降低了钢柱的临界温度，缩短了钢柱的耐火极限。