国产钢结构用Q345(16Mn)钢高温力学性能的恒温加载试验研究

为了对我国钢结构耐火设计提供基础数据,利用微机控制电液伺服试验机及加温装置和特别设计的变形测量装置,采用恒温加载试验方法,对国产10个钢厂生产的钢结构用Q345(16Mn)钢进行了152次试验研究.揭示了钢材在600℃范围内的力学性能变化规律和离散性,采用割交点法定义钢材的屈服强度,建立了钢材在恒温加载路径下的初始弹性模量、屈服强度和线膨胀系数计算模型.结果表明,钢材的初始高温弹性模量和有效屈服强度随温度升高而逐渐降低,温度越高降低幅度越大.初始高温弹性模量最大相对离散度为7.7%,平均为3.8%.钢材的有效屈服强度最大相对离散度为9.4%,平均为63.03%,离散度的1/3来自厂内,2/3来自厂间.钢材线膨胀系数随温度升高而逐渐增大;最大相对离散度为7.4%,平均为3.7%.建议在计算稳定性时初始高温弹性模量按均值减2倍均方差取值,计算变形或温度应力时按均值取值;对轴心受力构件屈服强度按均值减2倍均方差取值,其余构件按均值取值;线膨胀系数按其均值加2倍均方差取值.     

Q345冷成型钢高温力学性能试验研究

冷成型钢高温材料特征指标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,而瞬态试验方法较前者更接近实际火灾情况。利用MTS810试验系统对1.5mm厚Q345冷成型钢进行了高温力学性能试验研究,将瞬态、稳态试验结果进行对比分析。试验结果表明： Q345冷成型钢瞬态试验抗拉强度折减系数在430～700 ℃时普遍高于稳态试验结果,二者相对误差27%～57%;超过100 ℃,Q345冷成型钢瞬态试验高温弹性模量明显低于稳态试验结果,相对误差17%～156%;450～550 ℃时,相同温度、应变水平下,Q345冷成型钢瞬态试验应力-应变曲线弹塑性阶段应力值明显高于稳态试验应力值,导致瞬态试验高温屈服强度高于稳态试验结果,相对误差28%～40%。通过数值拟合给出Q345冷成型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。     

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...     

Constitutive model of Q345 steel at different intermediate strain rates

Structural elements of steel frame experience very high strain rates in the progressive collapse, and hence their constitutive properties do not remain constant but change significantly with time. Quasi-static and dynamic tensile tests of Q345 steel were performed to study the dynamic tensile behavior within the range of 0.001 to 330/s strain rates by INSTRON and Zwick/Roell HTM5020 testing machine. A three dimensional finite element model is developed using LS-DYNA to extrapolate the true stress-strain relationship after necking of Q345 steel. The hardening behavior of Q345 steel after the onset of necking is predicted with the Ludwik constitutive equation at quasi-static strain rates and with the Voce constitutive equation at higher strain rates, in which the strain hardening parameters are obtained by trial and error until the numerical results agree well with the experimental results. The linear combination of Hollomon and Voce (H/V-R) model is proved to be capable of predicting the transition of hardening rate with the increasing strain rate for Q345 steel although there is a little deviation between the experimental and fitting results. In this study, an empirical constitutive model is developed by introducing the Wagoner rate law into the H/V-R model to improve its precision in predicting the dynamic behavior of Q345 steel.     

Fatigue behaviour of G20Mn5QT cast steel and butt welds with Q345B steel

A total number of 44 fatigue tests were conducted under total stain control, 26 for G20Mn5QT cast steel and 18 for butt welds between G20Mn5QT cast steel and Q345B steel. Based on the test results, cyclic stress response, plastic strain energy, strainlife curves and Coffin-Manson equations were presented. Comparing with hot rolled steels widely used in steel construction, the fatigue behaviour of G20Mn5QT cast steel is poor, the reason for which was imputed to the defects caused by the casting process. The welds between G20Mn5QT cast steel and Q345B steel exhibited similar fatigue performance as G20Mn5QT cast steel. Fatigue crack tends to initiate in the heat affected zone (HAZ) at the cast steel. Microstructure observations using optical and scanning electron microscope showed that casting defects are the common fatigue source for both G20Mn5QT cast steel and the butt welds between G20Mn5QT cast steel and Q345B steel.     

Q460高强钢单调与反复加载性能试验研究

通过对Q460高强钢进行单向拉伸与反复加载下材料性能试验,得到了各试件单调拉伸和反复加载下的应力-应变关系曲线,以及反复加载下的骨架曲线,并将试验结果与文献研究结果进行了对比。试验结果表明：单向拉伸材性试验中,11 mm厚Q460C高强钢板的平均断后伸长率为23.7%,屈强比为0.847; 21 mm厚钢板的平均断后伸长率为30.4%,屈强比为0.792;Q460钢的循环硬化程度比Q345钢明显减弱,主要原因是随着钢材强度的提高,钢材的屈强比增大,钢材的应变强化效应减小。根据钢材反复加载的滞回曲线,提出了Q460高强钢材的应力 应变滞回模型,用该模型计算得到的关系曲线与试验曲线对比,两者吻合较好。     

Q345十字插板X型钢管节点受压承载力特性研究

介绍了钢管塔结构的横担—主材连接方式,开展了Q345十字插板X型钢管节点受压承载力试验研究;研究了节点的承载力—变形特点、破坏模式,探讨了节点的承载力计算理论,试验研究表明支管受压时十字插板钢管节点发生受压局部屈曲破坏,节点承载力计算值与实验值比较表明日本钢管塔结构的十字插板节点承载力计算理论可以应用于节点的承载力计算,且具有良好的精度。     

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。     

Q345建筑钢材应力型断裂模型参数标定与应用

基于应力型的断裂模型可用于预测钢结构的延性断裂。本文依据圆棒试样的单调拉伸试验结果,标定了建筑结构中常见的Q345钢材的应力型临界断裂模型参数,并且基于断裂模型参数得到试样的荷载-位移曲线与试验结果有较好的一致性。应用Q345钢材的应力型断裂模型,对缺口板状试样的断裂破坏进行有限元数值模拟,试验结果验证了应力型断裂模型良好的预测精度。