G550高强度冷成型钢高温力学性能瞬态试验研究

冷成型钢高温材料特性是进行冷成型钢结构抗火设计及数值模拟的重要参数。现有的钢材高温材性数据大多基于稳态试验方法得到,而瞬态试验方法显然较前者更接近实际火灾情况。本文利用MTS810试验系统对1mmG550冷成型钢进行了详细高温瞬态试验研究,并将试验结果与已完成的同批次G550冷成型钢高温稳态试验进行了细致对比,结果表明:①G550冷成型钢瞬态试验极限强度折减系数在525℃以下时与稳态试验结果比较接近,但在550℃以上时明显高于稳态试验结果;②相同温度、应力水平下,G550冷成型钢瞬态试验应变值高于稳态试验结果,尤其在应力-应变曲线非弹性段二者差异明显。因此,瞬态试验方法与稳态试验方法对G550冷成型钢并不等效。然后,基于统计平均方法得到瞬态试验高温弹性模量以及屈服强度,同样与稳态试验结果进行了比较;最后,通过数值拟合提出了G550冷成钢高温材性折减系数及本构关系表达式,表达式与试验结果基本吻合,满足工程精度要求。     

Q345冷成型钢高温蠕变性能试验研究

高温蠕变会加速热轧型钢构件受火失效，而对冷成型钢构件的高温蠕变性能研究有待深入。为此，对厚1.0 mm的Q345冷成型钢进行了8个试验温度(200～700℃)下的高温蠕变试验，每个试验温度设置2～8个应力水平(应力比0.10～1.1),总计41个试验工况，最长持时240 min。得到了不同温度和不同应力比下的蠕变曲线，并与已有的Q345热轧型钢高温蠕变曲线进行对比。结果表明：相同温度及应力比下，冷成型钢蠕变发展要快于热轧型钢，在实际工程中，应区别对待热轧型钢与冷成型钢的蠕变特性。基于高温下试件进入加速蠕变阶段的最小应力水平，给出了Q345冷成型钢在温度400～700℃下的蠕变断裂临界应力比，其中，温度为400～500℃和700℃时，蠕变断裂临界应力比高于屈服强度折减系数；而温度为550～600℃时，蠕变断裂临界应力比低于屈服强度折减系数，Q345冷成型钢可能会在达到高温屈服强度之前发生蠕变破坏，不利于结构安全。根据复合时间强化模型和稳态蠕变速率与应力比的定量关系，分别给出Q345冷成型钢高温蠕变曲线预测模型和稳态蠕变速率预测模型，预测值与试验值均较为接近，适用于预测Q345冷成型钢在温...     

Q345冷成型钢高温力学性能试验制度参数的影响研究

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此,开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究,定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响,结果表明： 高温稳态试验中,峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显,相对百分偏差均介于-10%~10%之间;若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同,则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近; 高温瞬态试验中,温度历程对钢材高温试验应变影响显著;相同拉伸温度下,升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%; 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显,试验参数范围内,相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之,Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响,且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

Influence of test procedure parameters on high-temperature material properties of Q345 cold-formed steel

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此，开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究，定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响，结果表明： 高温稳态试验中，峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显，相对百分偏差均介于-10%~10%之间；若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同，则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近； 高温瞬态试验中，温度历程对钢材高温试验应变影响显著；相同拉伸温度下，升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%； 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显，试验参数范围内，相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之，Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响，且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

G550高强度冷成型钢高温力学性能稳态试验研究

冷成型钢高温材料特性是进行冷成型钢结构抗火设计及数值模拟的基本参数。现有的冷成型钢高温材性试验可能限于试验设备条件及材料差异等原因导致结果差异明显,不够理想。本文利用MTS810试验系统对1mmG550冷成型钢平板及转角部位进行详细的高温稳态试验研究。将G550冷成型钢平板与转角部位试验结果进行细致对比,表明:G550冷成型钢转角冷弯效应在常温下可能引起不利影响;高温情况下,转角部位材性折减系数普遍低于平板部位,可能导致冷成型钢构件提早发生高温局部、畸变屈曲。将G550冷成型钢弹性模量、屈服强度、极限强度折减系数与现行欧洲规范、澳大利亚规范、英国规范及其他学者的试验结果进行比较,并采用统一表达式进行数值拟合。拟合公式与试验结果符合良好,满足工程精度要求。基于Ramberg-Osgood模型,提出G550冷成型钢高温本构关系表达式,表达式与试验曲线吻合良好,满足冷成型钢数值模拟要求。     

G550冷成型钢稳态试验高温力学性能研究

冷成型钢结构常用于住宅、商业和工业建筑中,其抗火性能一直受到广泛关注,但目前我国并未有相关设计规范,且冷成型钢高温材性试验结果的差异明显。文章使用MTS多功能电液伺服疲劳测试系统对0.75 mm厚的G550冷成型钢进行了稳态试验,得到0.75 mm厚G550冷成型钢的高温力学性能折减;将试验结果与国外规范进行对比,发现国外规范提供的高温材性折减系数并不适用于国内冷成型钢材料,进而文章提出适用于国内冷成型钢且精度良好的拟合公式。     

高强Q960钢高温后力学性能试验研究

为了研究高强Q960钢在火灾后的力学性能,对过火温度为300~900℃的高强Q960钢试件进行了稳态拉伸试验,得到其在自然冷却和浸水冷却条件下的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度和极限强度.结果表明:600℃是高强Q960钢强度发生明显变化的临界温度,将试验结果与普通Q235钢、Q345钢和高强Q460钢、Q690钢、S960钢进行比较,发现不同种类钢材经历高温后的力学性能退化程度并不相同;根据试验结果,建立了高强Q960钢高温后力学性能折减系数随温度变化的拟合公式,拟合结果与试验结果吻合较好.     

瞬态和稳态条件下G550冷弯型钢力学性能

冷弯型钢高温下的力学性能是防火安全设计和数值分析的重要因素。现多采用稳态试验方法研究高温下材料的力学性能。然而,瞬态试验方法能更好地反应火灾的真实情况。采用瞬态和稳态两种方法对厚度为1mm的G550钢材进行试验,并对两种方法的试验结果进行讨论。结果显示,G550钢材的稳态试验结果不同于瞬态试验结果。G550钢材的稳态试验结果高估了冷弯型钢结构的耐火性。此外,将试验结果与其他研究人员的研究结果以及现有设计规范的计算结果进行比较,结果显示,采用BS5950计算的G550钢材屈服强度与瞬态试验结果相一致,比稳态试验结果保守。然而,其他情况下BS5950,AS4100和EC3的计算结果并不保守。最后,采用拟合法给出高温下考虑G550钢材的屈服强度、弹性模量、极限强度等折减因素的统一方程。基于Ramberg-Osgood模型给出G550钢材的应力-应变方程。该方程的计算结果与试验结果相符,能够满足实际工程的需要。     

国产Q690高强钢高温下力学性能试验研究

通过国产Q690高强钢的稳态试验研究,得到20~800℃下钢材的试验现象、应力-应变关系曲线、力学性能参数,并将所得试验结果与相关规范和已有研究进行比较。研究发现：随温度升高,试验后钢材表面及断口形貌区别明显,应力-应变关系曲线的初始线弹性段缩短、极限应力对应应变减小、下降段趋于平缓;弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学性能指标随温度升高而降低;而断后伸长率在200~500℃时相较于常温值有小幅度下降,600℃后明显增加;当温度低于500℃时,不同名义屈服强度折减系数之间存在较大差异。目前已有研究建议的钢材高温力学性能模型并不适用于Q690高强钢,通过试验结果拟合得到了高温下Q690钢力学性能模型,以期用于Q690钢材的钢结构抗火安全评估与设计。     

控轧控冷型高强钢高温下的力学性能试验研究

通过稳态法进行了控轧控冷(TMCP)型Q550高强钢在不同温度下的力学性能试验研究,得到常温及200～800℃9个不同高温下钢材的表观特征、应力-应变关系与基本力学性能参数,包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度及断后伸长率。结果表明：应力-应变关系曲线在常温时有屈服平台而高温下没有,在超过300℃的高温下曲线形状不同;温度不超过300℃时弹性模量与强度小幅增长,此后二者皆随温度升高而减小,且400～700℃为主要的衰减区间;温度不超过450℃时断后伸长率有所折减,此后则随温度升高而增大。与已有的淬火回火(QT)型Q550高强钢相应研究结果的对比表明,TMCP与QT型Q550高强钢高温下的强度折减规律与程度基本一致,但TMCP型Q550高强钢高温下的弹性模量折减程度比QT型Q550高强钢严重。从微观组织方面解释了Q550高强钢高温力学性能的变化。根据试验结果,建立TMCP型Q550高强钢高温下的力学性能参数模型。     

Experimental study on mechanical properties of high-strength fire-resistant steel at elevated temperatures

为研究高强耐火钢在高温下的力学性能，通过国产Q345FR、Q420FR、Q460FR耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验，得到了20~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数，并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。研究结果表明：在温度低于350~400℃时，国产高强耐火钢屈服强度、抗拉强度高于常温的，当温度超过400℃后，屈服强度、抗拉强度开始快速下降；欧洲规范EC3中给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢；温度低于450℃时，耐火钢试验值与GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中普通钢取值更吻合；温度高于450℃时，耐火钢试验值与规范GB 51249—2017中耐火钢取值更吻合。针对Q345FR、Q420FR、Q460FR高强耐火钢，提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式，可用于耐火钢结构抗火设计。     

高强度耐火钢高温下力学性能试验研究

为研究高强耐火钢在高温下的力学性能,通过国产Q345FR、Q420FR、Q460FR耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验,得到了20~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数,并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。研究结果表明：在温度低于350~400℃时,国产高强耐火钢屈服强度、抗拉强度高于常温的,当温度超过400℃后,屈服强度、抗拉强度开始快速下降;欧洲规范EC3中给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢;温度低于450℃时,耐火钢试验值与GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中普通钢取值更吻合;温度高于450℃时,耐火钢试验值与规范GB 51249—2017中耐火钢取值更吻合。针对Q345FR、Q420FR、Q460FR高强耐火钢,提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式,可用于耐火钢结构抗火设计。     

Experimental investigation of cold-formed steel material at elevated temperatures

This paper presents the mechanical properties data for cold-formed steel at elevated temperatures. The deterioration of the mechanical properties of yield strength (0.2% proof stress) and elastic modulus are the primary properties in the design and analysis of cold-formed steel structures under fire. However, values of these properties at different temperatures are not well reported. Therefore, both steady and transient tensile coupon tests were conducted at different temperatures ranged approximately from 20 to 1000 °C for obtaining the mechanical properties of cold-formed steel structural material. This study included cold-formed steel grades G550 and G450 with plate thickness of 1.0 and 1.9 mm, respectively. Curves of elastic modulus, yield strength obtained at different strain levels, ultimate strength, ultimate strain and thermal elongation versus different temperatures are plotted and compared with the results obtained from the Australian, British, European standards and the test results predicted by other researchers. A unified equation for yield strength, elastic modulus, ultimate strength and ultimate strain of cold-formed steel at elevated temperatures is proposed in this paper. A full strain range expression up to the ultimate tensile strain for the stress–strain curves of cold-formed carbon steel at elevated temperatures is also proposed in this paper. It is shown that the proposed equation accurately predicted the test results.     

高温自然冷却后Q345钢材疲劳性能试验研究

为研究火灾后钢材承受机械振动、风致振动和车辆振动等动力荷载的疲劳性能,通过升温、自然冷却和疲劳试验,对室温和经历250~750℃高温自然冷却后的40个Q345钢材试样进行轴向拉伸疲劳性能试验研究。结果表明：不同高温自然冷却后Q345钢材疲劳断口的破坏特征存在明显差异,裂纹扩展区和瞬断区的面积随温度升高而发生变化;Q345钢材在室温或经高温自然冷却后的疲劳断口具有典型韧窝组织,受热温度不超过500℃时韧窝组织随温度升高而增多变密,受热温度为750℃时韧窝组织减少、变浅且大小分布不均匀,主要表现为具有撕裂痕迹的类解理破坏;经高温自然冷却后Q345钢材的疲劳寿命随着温度增加而呈先增加后减小的变化趋势,与常温下钢材的疲劳寿命相比,500℃以内时,疲劳寿命随温度升高而增加,最大增幅为277.18%,750℃时疲劳寿命下降了65.27%。根据试验结果,建立不同高温自然冷却后Q345钢材的概率S-N曲线模型,利用该模型可对火灾后Q345钢结构的疲劳性能进行有效评估。     

国产超高强钢Q890高温力学性能试验

通过稳态拉伸试验法对国产超高强钢Q890在不同火灾高温条件下的力学性能进行了试验研究,得到高温下钢材的力学性能参数、应力-应变关系曲线和试验现象,并将所得试验结果与钢结构抗火设计规范及相关超高强钢研究文献中高温材料模型结果进行比较。分别采用多项式模型和钢材高温通用材料模型对试验结果进行数值拟合,建立高温下Q890钢力学性能参数的材料模型。结果表明:不同温度条件下的Q890钢试件在试验后有明显不同的外观特征,相应的应力-应变关系曲线基本形状差异较大;当受热温度低于500 ℃时,弹性模量和强度随温度升高逐步减小,断后伸长率变化不大;超过500 ℃后,弹性模量和强度下降速率明显加快,断后伸长率急剧增大;所建立的模型为研究Q890钢结构抗火性能及其计算方法提供理论基础。