建筑鋼結構耐火鋼焊接箱形截面殘余應力試驗研究

張吉玄

（山西八建集團有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

鋼結構具有重量輕、強度高等優點，但普通結構鋼的強度和彈性模量隨著溫度的升高而迅速下降，會導致鋼結構在火災下的倒塌[1-2]。為了改善鋼的高溫力學性能，耐火鋼（FRS）被提出和開發，FRS 主要用于提高鋼結構火災時的耐火性。通常加入Mo、Nb、Si、Cr 等合金元素以提高高溫下的鋼強度[3]，為降低成本，保證材料的高溫強度，研制了一種新型高強度FRS。

目前，FRS 構件主要用作型材料，在焊接過程中，由于焊接構件板的溫度場不均勻，導致其膨脹和收縮不均勻。在冷卻至室溫后，焊接試樣內部鎖定自平衡內應力，稱為焊接殘余應力。由于鋼具有良好的延性，其內部的自平衡殘余應力構件不會影響焊接截面的抗拉性能。然而在壓縮條件下，殘余應力的存在會導致鋼構件過早屈服，從而影響鋼構件的局部和整體屈曲行為[4-5]。為了保證FRS 在鋼結構中安全有效的應用，本文對FRS 焊接箱形截面殘余應力的大小和分布進行研究與分析。

1 FRS的力學性能

采用3組試驗研究FRS在室溫、高溫下的材料性能和火災后的力學性能。所有拉伸試樣均采用Q345FR和Q460FR鋼制造。

1.1 室溫下的機械性能

試驗采用標稱厚度為10mm 和20mm 的Q345FR 和Q460FR 鋼板。用10mm 厚的鋼板制作殘余應力試件，用20mm厚的鋼板制作圓形棒材試件，以測試高溫和火災后的力學性能。在每個試樣的中長處附有一個伸長計，以獲得縱向應變。根據《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1-2010），FRS 室溫拉伸試驗采用兩級加載速率控制。第一階段采用應變速率控制，應變速率為0.003/min。當應變達到0.012 時，采用位移速率為0.26mm/min 的位移控制模式，直至第二階段破壞。兩種等級耐火鋼的室溫平均應力-應變曲線如圖1 所示，可以看出在室溫下，標稱厚度為10mm的鋼板剪切拉伸試件的強度低于標稱厚度為20mm 的鋼板剪切拉伸試件。

圖1 Q345FR和Q460FR在室溫下的應力-應變曲線

1.2 高溫下的機械性能

采用穩態試驗方法研究了復合材料在高溫下的力學性能，用標稱厚度為20mm的Q345FR和Q460FR鋼板切割制作拉伸卷片。加載前，將試樣加熱至目標溫度，升溫速率為10℃/min，并保持15min的高溫電子材料試驗機。在加熱過程中，夾緊試件的上端，松開另一端，直至試件達到目標溫度。然后在保持目標溫度的情況下，加載試件直至失效，加載速率與室溫拉伸試驗相同。將K型熱電偶插入高溫爐中，連接在試件中間，測量爐膛內和試件內的空氣溫度。用高溫伸長儀測量了試件的變形，目標溫度分別為200℃、300℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃和800℃。在每個目標溫度下重復測試2次，圖2為Q345FR和Q460FR試樣在高溫下的拉伸應力-應變曲線。

圖2 Q345FR 和Q460FR 鋼在高溫下的應力-應變曲線

1.3 FRS火災后力學性能

為評價FRS 的火災后力學性能，以標稱厚度為20mm 的Q345FR 和Q460FR 鋼板為材料，切割并制作了拉伸卷片，拉伸試樣的尺寸和目標溫度與高溫下力學性能研究的試樣相同，在每個目標溫度下重復測試2次。將試樣放入高溫爐中，以10℃/min 的速率加熱，恒溫保存15min 后達到目標溫度，保證爐膛內溫度均勻。在加熱過程中，夾緊試樣兩端，然后將試樣從爐膛中取出，置于空氣中自然冷卻至室溫。在室溫下進行拉伸試驗，拉伸試驗中位移控制速率為2mm/min。本次試驗得到的Q345FR 和Q460FR 火災后應力-應變關系曲線分別繪制在圖3 中，由于芯材成分的不同，在高溫和火災后，FRS 的力學性能可能與CSS 不同，這說明它們之間的殘余應力存在差異。

圖3 Q345FR和Q460FR鋼暴露在不同溫度下的應力-應變曲線

2 焊接殘余應力的測量

2.1 殘余應力試件的設計

用10mmQ460FR和Q345FR鋼板作為拉伸夾頭，制作了6 個試件，用于測量FRS 的殘余應力分布。“Q460FR”表示FRS 的名義屈服強度為460MPa；“-R”表示主要研究對象的殘余應力；“-B”代表箱體截面；“-20”表示試件的寬度與厚度之比。每個試樣由4 個用火焰從母板上切割下來的10mm厚的板組成，采用坡口對接焊方法，通過氣體弧焊連接試件的翼緣和腹板。焊縫和焊腳的尺寸與板的厚度一致。制造過程中使用了BHG-2焊絲。

2.2 切片方法

采用切片法將箱形截面分成小條，試樣采用低熱輸入線電極切割加工，由于切削過程中及時冷卻，熱影響可以忽略不計。分割后，鎖定在盒狀切片上的殘余染色劑被完全釋放。

2.2.1 確定切割條的寬度，鉆標準孔

切削前對試樣進行鉆孔和編號，寬度B 為220mm的試件，法蘭板切成22 條，腹板切成20 條；寬度B 為110mm 的試件，每個法蘭板切成11 條，腹板切成9 條。因此，每條切割帶的寬度約為10mm。寬度B 為155mm的試件，每個法蘭板切成17條，每個腹板切成15條，因此帶材切割的寬度約為9mm。

2.2.2 切片前測量

使用長度為150mm 的Whittemore 應變片測量孔間距離，每條測量3 次，若3 次測量誤差不超過0.005mm，取其平均值作為初始長度。為了考慮溫度變形，在測量每條帶材之前和之后記錄一個參考棒的長度，截面前的初始長度為r1，溫度基準桿的對應長度為t1。

2.2.3 切片后測量

箱形截面試樣的組成板被切成小條。再次測量每條帶材的孔距，并記錄為r2。同時記錄相應的溫度基準棒長度為t2。

2.3 計算方法

用切片法測量單個帶材的釋放應變ε，可由式（1）求得，其中l為兩規孔之間原標記的長度，l=l0+r1，Δt=t2-t1。l0為Whittemore應變片的應變長度（150mm）。

殘余應力由式（2）中的胡克定律得到：

觀察到切片后位于焊縫附近的部分帶材出現彎曲變形，考慮到彎曲變形的影響，通過測量彎曲帶的偏移量來修正殘余應變。修正公式如式（3）所示，其中ε′為修正后的殘余應變，η為最大彎曲位移。當η/l不超過0.001時，不需要進行修正。

3 試驗結果與討論

3.1 殘余應力測試結果

6個試件的實測殘余應力大小如表1所示，表中列出了每種規格的拉伸區和壓縮區殘余應力的平均大小。Q460FR-R-B-20 試樣的最大殘余拉應力為253.7MPa。Q345FR-R-B-9 試樣的最大殘余壓應力為-74.7MPa。

表1 平均殘余應力

3.2 殘余應力模型

根據試驗結果，對Q345FR 和Q460FR 制造的焊接箱形截面柱提出了簡化的殘余應力模型，如圖4所示。殘余應力與屈服強度比對于揭示殘余應力對受壓鋼構件屈曲行為的影響更為重要。因此，簡化模型以殘余應力與屈服強度之比給出。

圖4 Q345FR和Q460FR的簡化殘余應力模型

3.3 強度影響

與Q345FR 鋼板相比，Q460FR 鋼板的厚度比具有更低的拉伸殘余應力比。從圖3 可以看出，Q460FR 鋼高溫暴露在750~800℃后，火后抗拉強度下降了21%。對于Q345FR 鋼，火災后抗拉強度相應降低12%，這很好地解釋了Q460FR 焊接箱形截面與相同寬厚比的Q345FR 焊接箱形截面相比，具有較低的殘余拉應力比。Q460FR 鋼焊接箱形截面由于殘余應力的自平衡，b/t為20、13.5 和9 時的壓縮殘余應力比Q345FR 鋼焊接箱形截面分別降低了5.7%、6.4%和13.6%。對于測試的耐火鋼，鋼級越高，其殘余壓應力比越低，對柱的屈曲性能的危害越小。

4 結束語

本文對Q345FR 和Q460FR 鋼板6 個焊接箱形截面的殘余應力分布進行了試驗研究，用切片法測量了焊接箱形截面的殘余應力。結果發現：Q460FR 鋼焊接箱形截面的拉、壓殘余應力平均值分別為253.7MPa、221.8MPa、156.7MPa和-63.6MPa、-68.6MPa和-75.5MPa，對應的寬厚比分別為20、14 和9。Q345FR 鋼焊接箱形截面的拉、壓殘余應力平均值分別為233.2MPa、211.2MPa、181.5MPa 和-60.8MPa、-66.6MPa、-74.7MPa，寬厚比為20，14 和9。在相同寬厚比條件下，Q460FR 的殘余拉壓應力比低于Q345FR。通過對不同寬厚比的FRS 焊接箱形截面的殘余應力進行比較，發現隨著寬厚比的增大，殘余壓應力比減小。此外，基于試驗結果，本文提出了一種新的簡化的FRS 焊接箱形截面殘余應力模型，有助于快速進行鋼結構的殘余應力分析。