新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究_余香林.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0201-12新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究余香林1，石永久1，彭耀光2，程赟1，王文昊1，刘栋1(1.土木工程安全与耐久教育部重点实验室，清华大学土木工程系，北京100084；2.百安力钢结构应用科技有限公司，珠海519040)摘要：采用标准试验方法，对首钢集团生产的楼承板用 SQ410FRW 耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验，以测定其典型高温力学性能指标，包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式，包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线，回归得出基于 Ramberg-Osgood 模型(R-O 模型)的应力-应变本构模型，以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂，且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势；高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在 600 及以下时降低较少，均保持在常温名义值的 60%以上，基本满足耐火钢的力学性能指标要求；基于 R-O 模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在 90%以上，与试验应力-应变曲线吻合良好，故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。关键词：耐火耐候钢；高温力学性能；拉伸试验；本构模型；折减系数中图分类号：TU541；TU392文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0742MECHANICALPROPERTIESANDCONSTITUTIVEMODELOFANINNOVATIVEFIRE-RESISTANTWEATHERINGSTEELATELEVATEDTEMPERATURESYUXiang-lin1,SHIYong-jiu1,PANGYiu-kwong2,CHENGYun1,WANGWen-hao1,LIUDong1(1.KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaEducationMinistry,DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.P&LsSteelStructureAppliesTechnologyCo.,Ltd.,Zhuhai519040,China)Abstract:Basedonthestandardtestmethod,thesteady-statetensilecoupontestingonSQ410FRWfire-resistantweatheringcoldrolledsteelstripsforfloordeckingsystemmanufacturedbyShougangGroup,wascarriedoutinordertoinvestigatetheircharacteristicmechanicalpropertiesatelevatedtemperatures.Thesepropertiesmainlyinclude high-temperature modulus of elasticity,proof strength at specified plastic strain,tensile strength,percentageelongationafterfractureandpercentagereductionofcrosssection.Thecorrespondingexpressionsforthe reduction factors were obtained by nonlinear regression method,so as to represent the high-temperaturemechanical performance indicators.The stress-strain constitutive model was further established by adoptingRamberg-Osgood model for the experimental stress-strain relation curve.The model will be applied in thesubsequentfiniteelementparametricmodelling,aimingatthethermalanalysisandsequentiallycoupledthermalstressanalysisofstructuralmembers.Thefollowingconclusionsaredrawnfromthetestresults:Mosttensilespecimensshowfracturewithinthegaugelength,andthepercentageelongationafterfractureincreaseswith收稿日期：2021-09-25；修改日期：2021-12-20基金项目：国家自然科学基金项目(52078276，51890903)；中国博士后科学基金项目(2019M650690)通讯作者：石永久(1962)，男，黑龙江鸡东人，教授，博士，博导，主要从事高性能钢结构与组合结构教学与研究(E-mail:).作者简介：余香林(1984)，男，江西九江人，助理研究员，博士，主要从事高性能组合结构抗火研究(E-mail:);彭耀光(1963)，男，香港人，高工，硕士，主要从事钢结构与组合结构研究(E-mail:.hk);程赟(1998)，男，江西南昌人，博士生，主要从事高性能组合结构结构抗火研究(E-mail:);王文昊(1997)，男，江苏泰州人，博士生，主要从事高性能组合结构抗火研究(E-mail:wh-);刘栋(1995)，男，山东济南人，博士生，主要从事高性能组合结构抗震研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS201temperature rising.The high-temperature modulus of elasticity,proof strength at specified plastic strain andtensilestrengthdropslowlyunder600,andstillmaintainover60%ofnominalvaluesatroomtemperature,basicallymeetingtherequirementsofthepropertiesoffire-resistantsteel.Thefittinggoodnessofstress-strainconstitutive model all exceeds 90%,showing good agreement with the experimental stress-strain curves.Therefore,theproposedconstitutivemodelcanbeappliedinthefiniteelementanalysisofthefireresistanceofrelevantstructuralmembers.Keywords:fire-resistant weathering(FRW)steel;mechanical properties at elevated temperatures;tensilecoupontest;constitutivemodel;reductionfactor“十三五期间”我国启动了针对交通与建筑用高性能钢材的“重点基础材料技术提升与产业化”重点研发计划。研发的高性能结构用钢材包括高强钢、耐火钢、耐候钢和抗震耐蚀耐火钢。它们具有强度高、耐高温、耐腐蚀、高延性、低屈强比、可焊性强和抗冲击能力强等一种或多种属性1。而兼具耐火性能和耐候性能的耐火耐候钢正受到越来越广泛的重视。耐火钢是通过在钢材中加入 Mo 等合金元素，使钢材在高温时从原子中析出 Mo2C，起到阻止或减弱原子“滑移”的作用，从而提高钢材的高温强度。耐火钢不仅要求常温力学性能满足建筑用钢要求，而且 600 的屈服强度不应低于室温屈服强度的 2/3，以避免火灾作用下结构构件因过早发生破坏而导致安全事故2。耐候钢是在钢材中加入适量的 Cr、Ni、Cu 等元素后，在大气环境下发生锈蚀时于钢材表面形成致密锈层，阻碍锈蚀向内扩散和发展，显著减缓钢材的锈蚀速度，提高钢材的抗腐蚀耐久性。耐候钢的抗大气腐蚀能力比普通钢材提高 28 倍，可减少或避免使用防锈蚀涂装，提高结构的耐久性，采用耐候钢后结构的运维成本亦可大幅度降低1。国内外学者对传统结构钢的高温力学性能及其结构构件或节点的抗火性能研究已十分广泛和深入36，而针对耐火钢或耐候钢的高温力学性能研究则相对较少。KUMAR等7对 66 件耐火钢板试样(33 件 6.12mm 厚和 33 件 7.72mm 厚，名义屈服强度均为 450MPa)和 33 件普通结构钢中厚板试样(5.72mm 厚，名义屈服强度为 355MPa)进行了 20800 的稳态拉伸试验，比较研究了两种钢材在常温和高温下的力学性能指标、应力-应变曲线、弹性模量折减系数、屈服强度折减系数、Ramberg-Osgood 本构模型等，得出了一些具有重要参考价值的结论。GLASSMAN 等8对耐候钢(A588)的常温和高温力学性能进行了 20815的拉伸试验，并与非耐候钢(A709/A992)的力学性能指标进行了对比分析。JO 等9研究了 Mo 和Nb 在改善耐火钢高温拉伸性能方面的作用机理。班慧勇和孟令野等1011对首钢集团生产的耐火螺栓的高温力学性能进行了试验研究和对比分析。石永久等12对武钢集团生产的耐火耐候钢板的常温和高温力学性能及其本构关系进行了稳态试验研究。王荣春等1314研究了 Mo 元素对耐火钢高温力学性能的影响，以及低 Mo 高强耐火钢的力学性能。王欣等15研究了 TiNbVMo 系微合金化高强耐火钢的淀析机理及对力学性能的影响。本文针对首钢集团生产的楼承板用 SQ410FRW耐火耐候钢薄板试样进行常温和高温材性试验，并对试验结果进行分析和总结，提出相关推荐公式和重要结论，为正在编制的 CECS耐火耐候钢压型板组合楼板技术规程的抗火设计方法提供重要参考和依据。1试验概况本文研究对象为首钢技术研究院研发的新型楼承板用 SQ410FRW 耐火耐候钢冷轧钢带，名义厚度为 1.0mm，化学成分如表 1 所示，满足相关标准要求1618。钢的成品化学成分允许偏差符合规范要求19。表1钢的化学成分(熔炼分析)/(%)Table1Chemicalcompositionofsteel(smeltinganalysis)材料化学成分(质量分析)SQ410FRWCSiMnPSCrAlt不大于不小于0.1800.6501.6000.0200.0151.0000.020NiCuNbTiVMo不大于0.7000.7000.1000.1500.2000.600注：SQ410FRW 中的 S 代表首钢产品；410 代表钢材的常温名义屈服强度为 410MPa；FR 代表耐火钢(Fire-Resistant 首字母)；W 代表耐候钢(Weathering 首字母)。202工程力学1.1试样设计为减小常温与高温拉伸试验结果的离散性和不确定度，常温拉伸试样和高温拉伸试样均在同一台拉伸试验机上进行。常温拉伸试样与高温拉伸试样的加工方式相同，均从同一母材取样，且利用销钉穿过圆孔施加轴向拉力。标准拉伸试样根据国家标准 GB/T228.