火災后鋼材損傷評定的試驗研究

劉殿忠,于 哲,王武剛

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

0 引言

鋼材強度的檢測與評價關系到火災后鋼結構的修復和重建.為進一步建立火災后鋼材強度與硬度的關系提供依據，本文通過無損檢測法測定鋼材里氏硬度[1-2]，試驗選擇工程中常用的H型鋼進行火災現場模擬試驗,并進行硬度測量.

1 試驗設計

選用H型鋼為H 100 mm×100 mm×6 mm×8 mm,長度為500 mm,鋼材強度等級分別是Q 235,Q 345和Q 390共3種,加工成長度為500 mm的短柱.為完全還原火災現場的真實狀態,試驗中考慮恒溫時間、冷卻方式、鋼材強度等級、受力狀態以及H型鋼不同部位等因素.其中受火溫度從100 ℃～600 ℃分為6個等級;恒溫保持時間分別為5 min,10 min和15 min;冷卻方式采用澆水冷卻和自然冷卻等兩種[3].

設計受火試件108個、常溫試件12個,共120個,具體試件參數及編號如表1所示.

表1 試件參數及編號Table 1 Specimen parameters and numbe

表1中A,B,C分別代表Q 235，Q 345和Q 390鋼材的強度等級;W,N分別代表冷卻方式為水冷和自然冷;下角標1～6分別代表溫度100 ℃～600 ℃;上角標5～15分別代表在具體試驗溫度下的恒溫時間5 min～15 min.試驗用拉壓開啟式電加熱爐如圖1所示.

1.1 硬度測量

在硬度測試方案中考慮了受力和非受力兩種狀態[4-5],同時考慮H型鋼翼緣、腹板的厚度變化,以及翼緣和腹板的不同部位進行硬度測量.在非受力狀態下,要防止試件在彈擊過程中發生位移或者晃動造成的部分能量損失,此項測試借助反力架、反力墻和機械式千斤頂來固定試件.在受力狀態下,采用在高溫試驗爐內對試件施加荷載,更能反映火災后鋼結構構件的實際狀態及火災后現場情況.

1.2 試驗溫度

鋼材在600 ℃高溫下幾乎沒有任何強度和剛度[6],對鋼結構建筑后續的鑒定和加固工作已無任何意義.因此,本次試驗設定的最高溫度為600 ℃.依據有關研究結論[7],鋼構件在600 ℃溫度下持續20 min,其強度和剛度已經損失殆盡,試驗設定受火溫度下恒溫時間分別為 5 min,10 min和15 min.

圖1 電加熱爐Fig.1 Electric heating furnace

圖2 在400 ℃～600 ℃時試件屈曲現象Fig.2 Specimen buckling phenomenon at 400 ℃～600 ℃

2 試驗結果分析

由試驗可知,在溫度上升區段100 ℃～300 ℃時,試件工作正常,承載力幾乎沒有變化.當溫度達到400 ℃～600 ℃區段時,承載力開始下降,試件的翼緣及腹板先后屈曲.由于試件發生屈曲變形,導致加載作動器出現小幅的上下抖動現象,試件屈曲現象如圖2所示.

2.1 冷卻方式及恒溫時間對里氏硬度的影響

在受火溫度、受力狀態以及檢測部位等因素不變的情況下,對于Q 235鋼材試件,只進行不同冷卻方式里氏硬度測量值的比較,結果如圖3所示.

(a) 里氏硬度與恒溫時間的關系(100 ℃)(a) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(100 ℃)

(b) 里氏硬度與恒溫時間的關系(200 ℃)(b) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(200 ℃)

(c) 里氏硬度與恒溫時間的關系(300 ℃)(c) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(300 ℃)

(d) 里氏硬度與恒溫時間的關系(400 ℃)(d) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(400 ℃)

(e) 里氏硬度與恒溫時間的關系(500 ℃)(e) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(500 ℃)

(f) 里氏硬度與恒溫時間的關系(600 ℃)(f) The relationship between Leeb hardness and holding temperature time(600 ℃)

圖3為試驗溫度達到100 ℃～600 ℃時其恒溫時間與里氏硬度之間的關系曲線.恒溫時間增加,里氏硬度增大,增長幅度大約為3 HLD,恒溫時間的影響效果有限.在恒溫時間相同的情況下,采用澆水冷卻比自然冷卻的里氏硬度平均高出35 HLD左右.試件在高溫狀態下突遇澆水,相當于對鋼材有一個淬火的過程,導致其表面硬度增大.因此,冷卻方式對里氏硬度的影響較大.

2.2 鋼材強度等級對里氏硬度的影響

試驗共設了6處恒溫時間,每增加100 ℃作為一處恒溫時間,選取不同冷卻方式下3種鋼材強度等級的里氏硬度與受火溫度之間的關系進行分析,詳見圖4，圖5.

(a) 里氏硬度與溫度的關系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c)里氏硬度與溫度的關系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)圖4 澆水冷卻里氏硬度與溫度的關系Fig.4 The relationship between Leeb hardness and temperature under water cooling

(a) 里氏硬度與溫度的關系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c)里氏硬度與溫度的關系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)圖5 自然冷卻里氏硬度與溫度的關系Fig.5 The relationship between Leeb hardness and temperature under natural cooling

由圖4和圖5可知,在冷卻方式和恒溫時間不變的情況下,鋼材強度等級增加,里氏硬度增大;受火溫度升高,里氏硬度增大,受火溫度從100 ℃到600 ℃時,里氏硬度約增大12 HLD.在澆水冷卻及受火溫度一樣時,Q 345鋼材的里氏硬度高于Q 235鋼材約28 HLD;Q 390鋼材的里氏硬度高于Q 345鋼材約43 HLD.試驗結果表明,鋼材強度提高,里氏硬度呈線性增加,鋼材強度等級是影響里氏硬度的主要因素.

2.3 受力狀態對里氏硬度的影響

受力狀態是對經過高溫試驗爐恒溫冷卻后的試件施加壓力,施加壓力的大小等于試件剩余承載力的70 %,在試件受力狀態下進行里氏硬度的測試.采用自然冷卻和澆水冷卻的Q 235試件翼緣上部的里氏硬度測量結果如圖6和圖7所示.

(a) 里氏硬度與溫度的關系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c) 里氏硬度與溫度的關系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature(15 min)圖6 自然冷卻受力狀態對里氏硬度的影響Fig.6 Effect of stress state on Leeb hardness under natural cooling

(a) 里氏硬度與溫度的關系(5 min)(a) The relationship between Leebhardness and temperature(5 min) (b) 里氏硬度與溫度的關系(10 min)(b) The relationship between Leebhardness and temperature(10 min) (c) 里氏硬度與溫度的關系(15 min)(c) The relationship between Leebhardness and temperature (15 min)圖7 澆水冷卻受力狀態對里氏硬度的影響Fig.7 Effect of stress state on Leeb hardness under water cooling

由圖6可知,在自然冷卻及恒溫時間不變的情況下,鋼材強度等級為Q 235的試件,隨受火溫度升高,兩種狀態下的里氏硬度均增大;在受火溫度相同時,受力狀態的里氏硬度高于非受力狀態,大約高5 HLD左右,表明二者的影響差別不大.

在澆水冷卻及恒溫時間不變的情況下,受力狀態的里氏硬度與非受力狀態的里氏硬度比較接近,一般變化幅度在3 HLD左右,詳見圖7.

綜上,受力狀態與非受力狀態的里氏硬度比較接近,前者略高,其受力狀態對里氏硬度的影響較小.

3 結論

在H型鋼試件受火試驗中,研究了有關因素對鋼材里氏硬度的影響,可得如下結論:

(1) 里氏硬度隨受火溫度的提高而增大,受火溫度從100 ℃升到600 ℃時,里氏硬度平均增加12 HLD,增加幅度不大.

(2) 隨著恒溫時間增加,里氏硬度呈現出小幅增長,恒溫時間從5 min至15 min,其里氏硬度增長幅度在3 HLD左右,其影響效果有限.

(3) 在恒溫時間相同的情況下,澆水冷卻比自然冷卻的里氏硬度平均高出35 HLD左右,冷卻方式對里氏硬度的影響較大.

(4) 在其它因素不變的情況下,鋼材強度等級提高,里氏硬度呈線性增加,鋼材強度等級對里氏硬度的影響最大.

(5) 在恒溫時間相同時,受力狀態和非受力狀態下的里氏硬度都隨受火溫度的增加略有增長;在同一溫度下,受力狀態下里氏硬度高于非受力狀態,但其影響不明顯.