Q345冷成型钢高温力学性能试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 2 期 2012 年 2 月 Vol. 33No. 2Feb． 2012 006 文章编号 1000-6869 2012 02-0041-09 Q345 冷成型钢高温力学性能试验研究 陈伟，叶继红 东南大学 混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京 210096 摘要 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. 5 mm 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。 关键词 Q345 冷成型钢;瞬态试验;高温;力学性能;热膨胀 中图分类号 TU392. 1TU317. 1文献标志码 A Experimental investigation on mechanic behavior of Q345 cold-ed steel material at elevated temperatures CHEN Wei，YE Jihong Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of the Ministry of Education， Southeast University，Nanjing 210096，China AbstractThe mechanical properties index of cold- ed steel at elevated temperatures are the major parameters not only for the fire protection design，but also for numerical analysis of cold- ed steel structures． Previous research on the material behavior of steel at elevated temperatures mainly focused on the steady state test． However，the transient state test is more realistic in simulating the actual fire conditions than steady state test． This paper presents the details of an experimental study on Q345 cold- ed steel with a thickness of 1． 5 mm at elevated temperatures． A careful comparison was carried out between the results by transient and steady state tests． It shows that reduction factors of ultimate strength of Q345 cold- ed steel by transient state test are higher than those by steady state test at temperatures between 430 ℃ and 700 ℃，the relative error ranges from 27 to 57． Elastic modulus of Q345 cold- ed steel by transient state test are lower than those by steady state test beyond 100 ℃，the relative error is between 17 and 156． At the elastic- plastic region of stress- strain curves and temperatures between 450 ℃ and 550 ℃，the stresses of Q345 steel by transient state test are much bigger than those by steady state test under the same conditions of temperatures and strains，resulting in a much higher yield strength with relative error between 28 and 40． Then，the calculation expressions of both reduction factors of material behavior and stress- strain curves at elevated temperatures are developed by numerical fitting ． The proposed expressions are in good agreement with test results． KeywordsQ345 cold- ed steel;transient state test;elevated temperature;mechanic behavior;thermal expansion 基金项目 2011 年教育部博士研究生学术新人奖， 江苏省研究生创新计划 CXZZ_0161 。 作者简介 陈伟 1985 ， 男， 山东莱阳人， 博士研究生。E- mail chenweiseu163. com 通讯作者 叶继红 1967 ， 女， 辽宁锦州人， 工学博士， 教授。E- mail yejihong seu. edu. cn 收稿日期 2011 年 1 月 14 0引 言 冷成型钢结构源于传统的木结构体系， 它利用 自攻螺钉将冷成型钢立柱、 托梁、 导轨相互连接形成 轻钢骨架， 以压型钢板、 OSB 板、 水泥压力板等建筑 板材作为结构墙板和楼板， 并通过自攻螺钉安装在 轻钢骨架上形成主体结构。目前， 该结构已在欧美、 澳洲、 日本等国家和地区得到广泛应用， 主要用于 3 层以下别墅及公寓类型房屋。近 10 年， 5 ～ 6 层多层 冷成型钢结构住宅也在国外逐渐增多。然而， 多层 冷成型钢结构的推广应用除需解决结构竖向承载及 抗侧问题外， 尚要满足结构耐火要求。 高温材性特征指标是进行冷成型钢结构抗火理 论及数值模拟研究的重要参数。冷成型钢由于截面 厚度小， 热传导速率高， 同时材料冷加工特性随温度 升高逐渐消失， 导致其高温力学性能降低程度快于 热轧型钢。因此， 现行各国规范中的热轧型钢高温 材料特性曲线、 计算方法对冷成型钢并不适用。同 时， 欧洲规范 Eurocode 3part1. 2 ［1 ］虽然规定了冷 成型钢高温屈服强度、 弹性模量折减系数及高温本 构关系曲线， 英国规范 BS 5950- 8 ［2 ］亦给出冷成型 钢 3 种应变水平下 0. 5、 1. 5、 2. 0 的高温屈 服强度折减系数， 但两规范建议曲线均基于热轧型 钢研究结果， 不够合理。因此， 目前冷成型钢高温材 料特性大多通过试验获得。 冷成型钢高温力学性能试验方法主要分两种 稳态试验方法 恒温加载 和瞬态试验方法 恒载升 温 。稳态试验是在试验过程中温度保持不变， 荷载 按给定速率增大。稳态试验对试验设备要求相对较 低， 试验试件数量要求较少， 一次试验即可获得具体 温度的材料本构关系曲线。瞬态试验是在试验过程 中荷载保持不变， 温度按给定速率升高。瞬态试验 对试验设备性能要求高， 且试验试件数量要求较多， 但瞬态试验较前者更接近实际火灾情况。 由于稳态试验相对简单， 近10 年， 国内外钢材高 温力学性能试验大多采用稳态试验方法 ［3- 8 ］。但限 于试验设备条件， 以及不同地区冷成型钢材料差异 性， 导致这些试验结果相互差异明显。仅有少量文 献采用瞬态试验方法进行了钢材高温力学性能试验 研究， 且没有系统的瞬态、 稳态对比试验研究。其 中， 屈立军等 ［9 ］进行了 Q345 热轧型钢瞬态试验， 通 过数值拟合了应变- 温度- 应力材料模型; 当材料应力 水平确定后， 可由应变- 温度- 应力模型给出材料应 变- 温度曲线， 用于钢结构高温变形计算。Outinen［10 ］ 进行了 3 mm 厚 S355J2H 冷成型钢 名义屈服强度 355 MPa 高温稳态及瞬态试验， 并认为瞬态、 稳态试 验方法差别可以忽略。但从文献［ 10］瞬态、 稳态试 验高温弹性模量对比中可知， 两种试验方法得到的 弹性模量相对误差较大， 试验方法差异性不可忽略。 Chen 等 ［11 ］进行了 1. 9 mm 厚 G450 冷成型钢 名义屈 服强度 450 MPa 高温稳态及瞬态试验， 给出了瞬态 试验高温弹性模量折减系数， 该系数明显低于稳态 试验结果。Chen 等 ［12 ］还进行了 EN 1. 446 2 不锈钢 稳态及瞬态试验， 此时， 两种试验方法高温弹性模量 折减系数比较接近。上述文献对冷成型钢稳态、 瞬 态试验对比分析不够充分。首先， 瞬态试验的高温 弹性模量本身即存在折算误差， 仅通过少量瞬态试 验得到的离散的高温应力- 应力数据求解弹性模量， 误差不可忽略; 其次， 尚没有文献对比瞬态、 稳态高 温屈服强度折减系数， 以及基于瞬态试验的无折算 误差试验结果， 如高温抗拉强度、 应力- 应变关系等。 本文利用 MTS810 试验系统对国产 Q345 冷成型 钢进行了高温稳态、 瞬态对比试验研究， 通过对试验 结果的数值拟合， 给出 Q345 冷成型钢高温材性本构 模型， 为后续冷成型钢抗火理论及数值模拟研究提 供基本参数。 1试验概况 1. 1试件设计 试验材料取自同批次 1. 5 mm 厚 Q345 冷成型钢 龙骨立柱。试件通过线切割机床沿龙骨立柱纵向截 取。试件尺寸按 GB/T 4332006金属材料高温 拉伸试验方法 ［13 ］设计， 如图 1 所示。各试件实际尺 寸由游标卡尺实测得到， 其中， 试件平均厚度 含镀 锌层 1. 49 mm。利用稀释的盐酸溶液 1∶ 3 洗去试 件表面镀锌层， 测得基材平均厚度 1. 45 mm， 镀锌层 平均厚度 0. 04 mm。本文对 Q345 冷成型钢分别进行 常温拉伸试验、 热膨胀试验、 高温稳态试验及高温瞬 态试验。试件数量见表 1。 图 1试验试件名义尺寸 Fig． 1Nominal dimensions of coupon specimens 表 1试件数量 Table 1Number of specimen 试验方法常温拉伸热膨胀高温稳态高温瞬态 试件数量362246 1. 2试验设备 试验在中南林业科技大学流变力学所完成。试 验设备采用 MTS810 材料试验系统， 其中， 加载部分 24 为 10 t 的 MTS810 电液伺服万能材料试验机， 试验机 通过一体式作动器进行加载。加热部分采用配套的 MTS653. 02 高温炉， 最高温度可达 1 400 ℃， 温控精 度 1 ℃， 炉内设有上、 下两组加热单元， 同时配有 2 个热电偶， 如图 2 所示。温控部分为 MTS409. 83 温 度控制器。测量部分包括 MTS810 试验机配套 LVDT 位移传感器、 力传感器、 50 mm 标距 MTS634. 25F- 24 常温引伸计、 25 mm 标距 MTS632. 53F- 11 高温引伸计 最高工作温度 1 200 ℃， 量 程 2. 5 mm以及 MTS653. 02 高温炉配套热电偶。此外， 高温炉配套 热电偶与试件存在一定距离 图 2 ， 即炉内热电偶显 示的是炉内空气温度而非试件表面温度， 二者温差 不可忽略。采用 AZ88378 双通道温度采集仪， 采集 仪连接的 K 型热电偶与试件紧密接触， 用以监测试 件表面温度， 并与炉内热电偶温度进行比较。 图 2 MTS653. 02 高温炉内部结构示意 Fig． 2MTS653. 02 high- temperature furnace 1. 3试验制度 1 常温拉伸试验 根据 GB/T 2282002金属材料室温拉伸试 验 方 法 ［14 ］ 的 要 求，应 用 MTS810 设 备 配 套 TestWork4 程序进行常温 30 ℃ 拉伸试验。试验采 用位移控制， 分二阶段加载 第一阶段实测弹性模量 和屈服强度， 应变速率 0. 1 /min; 第二阶段实测抗 拉强度， 应变速率 0. 25 /min， 至试件断裂。测试过 程记录荷载、 位移、 应变等数据， 采样频率 10 Hz。 2 热膨胀试验 根据 GB/T 43392008金属材料热膨胀特征 参数的测定 ［15 ］， 应用 MTS810 设备配套 MPT 软件编 制热膨胀试验程序。试验升温速率 5 ℃ /min， 利用 MTS632. 53F- 11 高温引伸计测定试件标距段平均热 膨胀量。试验开始时， 将试件一端夹紧， 另一端自 由， 并按预定升温速率升温， 同时在试验过程中记录 时间、 温度、 应变等数据， 采样频率 0. 33 Hz。 3 高温瞬态试验 瞬态试验在 MTS TestWork4 程序中进行。瞬态 试验 共 进 行 19 个 荷 载 工 况， 分 别 为 0. 03 fy， 30、 0. 06 fy， 30、0. 10 fy， 30、0. 15 fy， 30、0. 20 fy， 30、0. 25 fy， 30、 0. 30 fy， 30、0. 35 fy， 30、0. 40 fy， 30、0. 45 fy， 30、0. 50 fy， 30、 0. 55 fy， 30、0. 60 fy， 30、0. 65 fy， 30、0. 70 fy， 30、0. 75 fy， 30、 0. 80 fy， 30、 0. 90 fy， 30、 1. 00 fy， 30， 其中， fy， 30为常温平均 屈服强度。试验开始时， 首先以 3. 0 kN/min 加载速 率至指定荷载水平， 保持荷载不变， 以 20 ℃ /min 升 温速率连续升温至试件破坏。此时， MTS810 高温炉 内温度分布均匀， 温度采集仪记录试件表面热电偶 温度与炉内热电偶温度基本一致 图 3 。试验应变 测量采用 MTS632. 53F- 11 高温引伸计。测试过程记 录荷载、 位移、 应变、 温度、 时间等数据， 采样频率2 Hz。 图 3 Q345 冷成型钢高温瞬态试验升温曲线对比 Fig． 3Time- temperature curves for transient state tests of Q345 cold- ed steel 4 高温稳态试验 稳态试验同样在 MTS TestWork4 程序中进行， 包 括 100 ℃、 200 ℃、 300 ℃、 400 ℃、 450 ℃、 500 ℃、 550 ℃、 600 ℃、 700 ℃共 9 个温度工况。高温炉升温 速率设定为 20 ℃ /min。试验开始时， 首先将高温炉 按设定升温速率升至指定温度， 恒温15 min， 升温及 恒温过程设定试验机荷载为零， 即允许试件自由膨 胀; 然后进行加载， 加载过程保持温度恒定， 应变速 率 0. 25 /min， 至试件断裂。采样频率 10 Hz。 热膨胀试验及 0. 03 fy， 30、 0. 10 fy， 30荷载工况瞬态 试验分别重复 6 次， 其余稳态、 瞬态试验每工况重复 2 次。 2试验结果与分析 2. 1线膨胀系数 图 4 为 Q345 冷成型钢常温 30 ℃ 拉伸应力- 应 变曲线，Q345 钢常温下具有明显屈服平台， 材料极 限应变接近 40; 弹性模量 E30均值 203. 6 GPa、 屈服 强度 fy， 30均 值 336. 9 MPa、抗 拉 强 度 f u， 30 均 值 447. 3 MPa。 图 5 为 Q345 冷成型钢热膨胀温度- 应变曲线， 由 图可见， 30 ～ 600 ℃， 应变随温度升高而增大; 600 ～ 700 ℃， 应变变化缓慢， 此时， 材料发生化学反应， 首 34 图 4 Q345 钢常温拉伸试验应力- 应变曲线 Fig． 4Stress- strain curves for Q345 cold- ed steel at ambient temperature 先有白色晶体析出， 而后晶体发生剧烈燃烧; 700 ℃ 以后， 应变随温度升高而增大。定义线膨胀系数为 温度每升高 1 ℃ 材料单位长度膨胀值， 以 30 ℃ 室 温 作为基准起始温度， 计算 1. 5 mm 厚 Q345 冷成型 钢线膨胀系数， 并与文献［ 9］的 22 mm 厚 Q345 热轧 型钢线膨胀系数试验结果进行比较， 如图6 所示。由 图可见， 线膨胀系数随温度升高呈增大趋势， 且本文 Q345 冷成型钢线膨胀系数高于文献［ 9］的 Q345 热 轧型钢试验结果。利用多项式对本文 Q345 冷成型 钢线膨胀系数进行拟合， 如式 1 所示。 α 3. 793 10 －8 T 3 6. 197 10 －6 T 2 － 1. 073 10 －3 T 7. 828 50 ℃ ≤ T ≤ 525 ℃ － 5. 579 10 －4 T 2 6. 633 10 －1 T－ 180 525 ℃ ＜ T ≤ 600 ℃        1 式中， α 为线膨胀系数， 10 －6 /℃。 图 5 Q345 冷成型钢热膨胀温度- 应变曲线 Fig． 5Temperature- strain curves for thermal expansion tests of Q345 cold- ed steel 2. 2抗拉强度折减系数 图 7 为由瞬态试验得到 Q345 冷成型钢不同荷 载工况下温度- 应变曲线， 图 8 为由稳态试验得到 Q345 冷成型钢在不同温度工况下荷载- 位移 F- Δ 图 6 Q345 钢线膨胀系数 Fig． 6Linear thermal expansion coefficients of Q345 steel 曲线。由图 7 可见， 0. 80 fy， 30及 0. 90 fy， 30荷载工况在 220 ℃附近产生较大应变， 这是由于材料在 220 ℃附 近仍存在屈服平台， 且屈服平台应力水平在 0. 80 fy， 30 至0. 90 fy， 30之间。此外， 图7 中1. 00 fy， 30荷载工况在 初始升温阶段即产生较大应变， 这是由于材料在即 将升温前已达到屈服强度。瞬态试验中， 定义荷载 不能够继续保持时的温度称为极限温度， 可由瞬态 试验温度- 应变曲线得到 Q345 冷成型钢荷载- 极限温 度曲线。类似， 可由稳态试验荷载- 位移曲线得到 Q345 冷成型钢温度- 极限荷载曲线。定义抗拉强度 折减系数为材料在 T ℃时抗拉强度与常温抗拉强度 比值， 即 fu， T/fu， 30。图 9 给出 Q345 冷成型钢瞬态、 稳 态试验抗拉强度折减系数。由图9 可见， 稳态试验在 200 ℃ 和 300 ℃ 的抗拉强度折减系数试验结果高于 100 ℃情况， 且与常温抗拉强度折减系数较为接近， 而瞬态试验在 30 ℃至 400 ℃阶段无极限温度试验结 果， 原因是稳态试验在 200 ～300 ℃附近， 材料发生化 学反应 蓝脆 ， 导致延性下降， 强度提高 图 9 ; 瞬 态试验同样由于蓝脆化学反应导致 200 ～300 ℃附近 材料强度提高， 而其余温度区间， 材料强度随温度升 高而降低， 由于瞬态试验是一个恒载升温过程， 因 此， 在 200 ～300 ℃ 附近并无瞬态试验极限温度。同 时， 本文没有进行高于 1. 00 fy， 30荷载工况瞬态试验 结果， 因此， 图 9 在 30 ～200 ℃及 300 ～400 ℃亦没有 瞬态试验数据。对比图 9 瞬态、 稳态试验结果可知 在 430 ～700 ℃区间， 瞬态试验抗拉强度折减系数整 体高于稳态试验结果， 且在 450 ～550 ℃时， 二者相对 误差为 27 ～57。 2. 3应力- 应变关系 由稳态试验可得到材料不同温度工况下的应力- 应变曲线， 而瞬态试验应力- 应变关系曲线则需将不 同荷载工况下的温度- 应变曲线由相同温度得到， 如 图 10 所示。瞬态试验应力- 应变曲线起点对应图 5 相应温度平均热膨胀应变， 曲线其余每点为该点所对 应荷载工况的多次瞬态试验平均结果。图 11 为不同 44 图 7 Q345 冷成型钢瞬态试验不同荷载工况下 温度- 应变曲线 Fig． 7Typical temperature- strain curves of transient state tests for Q345 cold- ed steel 图 8 Q345 冷成型钢稳态试验不同温度工况下 试件荷载- 位移曲线 Fig． 8Typical force- displacement curves of steady state tests for Q345 cold- ed steel 图 9 Q345 冷成型钢瞬态、 稳态试验抗拉强度 折减系数 Fig． 9Comparison of reduction factors of the ultimate strength for Q345 cold- ed steel between transient and steady state tests 图 10Q345 冷成型钢瞬态试验应力- 应变曲线 Fig． 10Stress- strain curves of transient state tests for Q345 cold- ed steel 温度工况下 Q345 冷成型钢瞬态、 稳态试验应力- 应变 曲线， 各曲线均已扣除热膨胀应变影响， 由图11 可知 1 各温度工况下， 瞬态试验应力- 应变曲线初 始阶段斜率低于稳态试验曲线， 即相同温度、 应力水 平， 瞬态试验应变略大于稳态试验值。由于弹性模 量值对应力- 应变曲线初始段比较敏感， 可导致两种 试验方法得到的弹性模量差别明显。 2 100 ～400 ℃时， 瞬态、 稳态试验应力- 应变曲 线弹塑性阶段差别较小， 尤其在塑性变形阶段， 二者 基本重合; 但在 450 ～ 550 ℃ 时， 瞬态试验应力- 应变 曲线弹性段以后明显高于稳态试验曲线， 即相同温 度、 应变水平， 瞬态试验应力大于稳态试验值， 导致 两种试验方法获得的屈服强度存在一定差异。 2. 4弹性模量折减系数 在稳态试验中由于应力- 应变曲线光滑连续， 弹 性模量通常根据曲线初始阶段斜率确定。但在瞬态 试验中， 应力- 应变曲线不光滑， 这在荷载工况较多时 如本文 19 个荷载工况 对屈服强度、 抗拉强度影响 较小， 但对弹性模量的影响不可忽略。若以应力- 应 变曲线初始阶段斜率作为瞬态试验弹性模量， 则需 进一步增加低应力水平荷载工况数量及每个荷载工 况重复试验次数。对此， 本文根据两种荷载工况瞬 态试验及热膨胀试验结果， 采用统计平均方法确定 瞬态试验弹性模量。 1 分别进行 6 次 0. 03 fy， 30及 0. 10 fy， 30荷载工 况瞬态重复试验， 试验温度- 应变曲线如图 12 所示， 由图可见， 0. 03 fy， 30荷载工况瞬态试验由于荷载水平 较低， 试验设备在高温段精度较难控制， 温度- 应变曲 线超过 500 ℃开始离散; 相比之下， 0. 10 fy， 30荷载水 平可满足试验设备精度控制水平， 对应温度- 应变曲 线自始至终基本重合。此外， 图 5 热膨胀试验温度- 应变曲线在 150 ～ 350 ℃ 时离散较大， 而在 350 ～ 550 ℃曲线基本重合。 54 图 11Q345 冷成型钢瞬态、 稳态试验应力- 应变曲线对比 Fig． 11Comparison of stress- strain curves for Q345 cold- ed steel of transient and steady state tests a0. 03 fy， 30荷载工况 b0. 10 fy， 30荷载工况 图 120. 03 fy， 30及 0. 10 fy， 30 荷载工况瞬态试验温度- 应变曲线 Fig． 12Temperature- strain curves of transient state tests with stress levels of 0. 03 fy， 30and 0. 10 fy， 30 2 取 0. 10 fy， 30荷载工况瞬态试验的应力、 应变 均值为 σ1T 、 ε 1T， 0. 03fy， 30荷载工况瞬态试验应力、 应 变均值为 σ2T 、 ε 2T， 以及热膨胀试验应变均值为 ε0， T， 则由0. 10 fy， 30及0. 03fy， 30荷载工况瞬态试验结果可确 定一组弹性模量 E1T， 即 E1T σ1T － σ 2T / ε1T － ε 2T ; 同样， 由0. 10 fy， 30荷载工况瞬态试验及热膨胀试验结 果可确定另一组弹性模量E2T， 即E2T σ 1T / ε 1T － ε 0T 。 定义温度为 T ℃ 时 Q345 冷成型钢瞬态试验弹性模 量为 ET E1T E2T /2， 此时， 0. 03 fy， 30荷载工况瞬 态试验 500 ℃以上及热膨胀试验 150 ～350 ℃时的离 64 散结果误差可相对减小。表 2 给出了 Q345 冷成型 钢 50 ～550 ℃时的试验结果均值及弹性模量计算结 果， 由表可见， E1T与 E2T基本吻合， 二者最大相对误 差 5. 4。 定义弹性模量折减系数为温度 T ℃ 时材料弹性 模量与常温弹性模量比值， 即 ET/E30。 将表 2 瞬态试 验弹性模量表示为折减系数形式， 并与同批次稳态 试验结果进行比较， 如图 13 所示。由图可见， 瞬态、 稳态试验弹性模量折减系数差异明显， 且当温度超 过 100 ℃以后瞬态试验弹性模量折减系数普遍低于 稳态试验结果， 二者相对误差 17 ～156。 表 2基于统计平均的瞬态试验弹性模量计算 Table 2Elastic modulus of transient state tests 温度 /℃ 0. 10 fy， T 33. 69 MPa0. 03 fy， T 10. 11 MPa热膨胀 弹性模量 σ1T/ MPa ε1T/ σ2T/ MPa ε2T/ ε0T/ E1T/ GPa E2T/ GPa ET/ GPa 5033. 450. 036 19. 960. 024 10. 018 3196. 1187. 7191. 9 10033. 700. 080 010. 050. 065 10. 057 9158. 4152. 6155. 5 15033. 850. 121 910. 310. 104 90. 096 6138. 5133. 7136. 1 20033. 660. 167 510. 090. 148 60. 140 5124. 7124. 7124. 7 25033. 740. 219 510. 080. 198 00. 189 4110. 0112. 1111. 1 30033. 710. 279 49. 840. 255 60. 246 7100. 3103. 1101. 7 35033. 650. 348 210. 110. 325 10. 315 7101. 9103. 5102. 7 40033. 660. 432 110. 030. 408 60. 400 0100. 6104. 9102. 8 45033. 690. 541 69. 860. 514 20. 503 487. 088. 287. 6 50033. 610. 692 69. 960. 658 20. 641 068. 865. 167. 0 55033. 650. 968 710. 080. 866 10. 829 823. 024. 223. 6 表 3Q345 冷成型钢瞬态试验高温屈服强度 Table 3Yield strength of transient state tests for Q345 cold- ed steel at elevated temperatures 温度/℃100150 200250300350400450500550 高温屈服强度 /MPa 304. 4 304. 7 304. 1 253. 7 236. 2 220. 3 208. 9 182. 3 109. 268. 6 图 13Q345 冷成型钢瞬态、 稳态试验弹性模量 折减系数对比 Fig． 13Comparison of reduction factors of elastic modulus for Q345 steel obtained from transient and steady state tests 2. 5屈服强度折减系数 目前， 高温屈服强度的取值标准尚未统一， 在钢 材有明显屈服平台时通常仍以下屈服点作为屈服强 度， 但随着温度升高， 钢材屈服平台消失， 应力- 应变 曲线表现为逐渐屈服型， 以 0. 2 残余应变对应值作 为高温屈服强度， 得到 Q345 冷成型钢瞬态试验屈服 强度如表 3 所示。定义屈服强度折减系数为温度 T ℃ 时 材料 屈 服 强 度与常 温屈服 强 度 比 值， 即 fy， T/fy， 30。 将表 3 瞬态试验屈服强度表示为折减系数 形式， 并与稳态试验结果进行比较， 如图 14 所示， 由 图可知 30 ～ 450 ℃ 时， Q345 冷成型钢稳态、 瞬态试 验屈服强度折减系数基本吻合， 但在 450 ～550 ℃时， Q345 冷成型钢瞬态试验屈服强度高于稳态试验结 果， 且相对误差为 28 ～40。 上述对比分析表明 Q345 冷成型钢瞬态试验与 稳态试验结果存在差异， 若以稳态试验结果代替瞬 态试验结果用于 Q345 冷成型钢火灾条件下设计计 算， 则首先由于稳态弹性模量明显高于瞬态试验值， 导致构件高温变形计算结果偏小; 其次， 假定高温屈 曲临界荷载与弹性模量及屈服强度成正比， 在 100 ～ 450 ℃， 高温屈曲荷载计算结果可能偏于不安全。 2. 6高温材性折减系数拟合 对 Q345 冷成型钢高温弹性模量、 屈服强度及抗 拉强度折减系数进行数值拟合。拟合原则是分段数 少， 系数简单， 拟合式精度尽可能高。拟合式统一采 用式 2 。式 2 中系数取值如表 4 所示， 式 2 拟 合结果如图 15 所示。 y a T － b c d 2 式中 T 为温度; y 为冷成型钢高温材 性 折 减 系 数，即 ET/E30、fy， T/fy， 30、 fu， T/fu， 30; a、 b、 c、 d 为系数， 其中 b、 c 取 整数。 2. 7应力- 应变曲线拟合 冷成型钢结构数值模拟需要输入 准确的材料本构关系， 常温情况下， Q345 钢有明显屈服平台， 因此材料本 构关系通常以理想弹塑性模型代替， 不考虑材性强化及下降段。高温时应 力- 应变曲线表现为逐渐屈服型， 采用 理想弹塑性模型计算结果会产生较大 误差。对此， Ramberg 等提出了三参数 屈服强度、 弹性模量、 温度 应力- 应 变本构模型 ［16 ］， 如式 3 所示。后续 研究者基于该模型进行修正 ［5- 6， 11 ］。本 文 亦 采 用 Ramberg- Osgood 模 型 对 Q345 冷成型钢瞬态试验应力- 应变曲 线进行拟合。拟合式如式 4 所示。 74 图 14Q345 冷成型钢瞬态、 稳态试验屈服强度 折减系数对比 Fig． 14Comparison of reduction factors of yield strength for Q345 cold- ed steel obtained from transient and steady state tests 图 15Q345 冷成型钢瞬态试验高温材性 折减系数拟合曲线 Fig． 15Numerial fitting of material properties for Q345 cold- ed steel at elevated temperatures 表 4式 2 系数取值 Table 4Coefficient values of Eq. 2 折减系数 yT /℃a bcd fy， T/fy， 30 30 ～500. 0011. 2 50 ～2000. 0000. 9 200 ～450120. 00－10. 3 450 ～5500. 057420. 2 ET/E30 30 ～300169. 3－166－10. 1 300 ～4000. 0000. 5 400 ～5500. 0－38320. 5 fu， T/fu， 30 430 ～52736. 8362－10. 2 527 ～70010. 9500－10. 0 εT fT E T β fy， T E T fT fy， T ηT 3 εT A fT fy， T ηT fT E T fT≤ min［ fu， T，fy， 30］ 4 式中， ηT mT 2 nT k。 由于 Q345 钢常温本构模型不考虑材料强化， 即 材料应力水平不超过常温屈服强度 fT≤ fy， 30 ，本 文对高温情况同样沿用该假设， 此时材料最大应力 为所对应温度的抗拉强度 可由式 2 及表 4 求得 与常温屈服强度的较小值， 即 fT≤ min［fu， T，fy， 30］ 。 此外， 当材料达到最大应力时即假设其进入塑性流 动阶段， 对应弹性模量为零。式 4 参数取值见表 5。 式 4 拟合情况如图 16 所示。在图 16 中， 各离散点 为本文瞬态试验结果， 各连续曲线为式 4 拟合结 果。可见二者吻合较好， 式 4