高温下结构钢的材料特性.pdf

高温下结构钢的材料特性文献综述本文对国内外有关高温下结构钢的材料特性的最新研究成果和各国标准规范的规定等,进行了系统的介绍和比较,虽篇幅较长,但对国内开展这方面研究有重要参考价值,特予发表。编者高温下结构一钢的材料特性蒋首走 芝李国强?同济大学?旧?关键词结构钢材性高温应力一应变关系徐变?】?!?一?比?二陌?一?旧?颤?苗慨?!仪?珍?】?本文将系统地介绍高温下 钢的热力学和机械力学性能、应力一应变关 系模型 和徐变模型,并对各国规范或标准所采用 的强度和弹性模量公式进行概括和比较。?热膨胀系数钢的热膨胀系数?这 里 的膨胀系数是线抓?毗?澎一?面?仪?二?气?二二,?入?了、?氏笼?膨胀系数?随温度的升高而变化,但变化幅度不大,如图?所示。?伍?份?,给出的钢 的热膨胀与温升关 系的拟合公式 为?八通、,八了?仔入?了了?一?天一?斗?式中?钢 的温度升高?由于温度升高 引起 的构件的伸长?升温前构件的长度?建议采用的热膨胀系数为?英国规范?,采用 的热膨胀系数与?已建议采用 的 系数相同。而美国?采用 的热膨胀系数是 一个 随温度变化的量?、?一?一?大?簇?日本采用 的热膨胀系数为闻?“?一均?一?澳大利亚规范?采用?伙?一?簇双?田?通过对试验结果 的分析后 指 出闻,钢的热膨胀系数随温度的变化而变化,但变化规律不完全是 随 着 温 度 的 升高而升高?试验结果 表 明,在?一?左右?既?伪?以无?卯?,丫?,?文献综述?钢 的温度?,钢 的平均 热膨胀系数随温 度 的升高而 增大,但在温度到 达?左右时,构件在 原有伸长的基础 上出现 缩 短现象,当温度达 到?左右 时,又 开始膨胀,平均热膨胀系数开始回升?表?及图?。这种现象称 作“相 变”现象?。霆温?空汇构了,温度口图?钢 的热膨胀与温度的关系?艾习?图?中低碳 钢在“相变”温度范围的热膨胀表?钢的平均热膨胀系数与温度的关系钢类含?一?石?在下列温度范围内的平均热膨胀系数?一?一?一粼】?一刃?一日洲?一?以?一?侧?一?肠?名?!?乃?石?,?石?刃巧?名?,?一?洲?研?名?石?!?!?#?#%?#?%?%?!?#&?巧.的由 于 一般的钢 结构的临界 温度都在700以下,“相变”现象对结构反应分析没有什么影 响。但有些工 字 梁,火灾时 下翼 缘的温度比上翼缘的温度高得多,这时下翼缘就有可能进人“相变”的 温 度 范 围。有必 要考虑其影 响。中国钢结构规范。规定 的常温下钢的 膨胀系数为常数:,、二1.2xl 0一乒 m/(扭)二国内在进行钢结构抗火分析(5等)时,钢的热膨胀系数一般取常数:、=1.4x10一sm/(功)。陆洲导川在进行钢筋混凝土抗火分 析时,钢筋的热膨胀系数采 用:,;=(1 1+0.o 3X蜀x10一6m/(m)(6)以上各方案所采用 的结构钢的热膨胀系数的比较如图3所示,由图可 见,各方案的热膨胀系数相 差较大,尤其是美国N FPA所采用 的膨胀系数比其它方案的值明显偏小。对照表1中的数值并考虑到火灾 下钢的温度一般都超过30 0,可以看出,EC璐(常数)和日本(随温度变化)所采用的热膨胀系数与表1符合较好。2钢的比热容(C)钢 的比热容随温度的变化较大,近似可用一卜式 表示”:C=3 8x10一T s z+20 x1 0一2天+4 70J/(k g劝(7)EC璐建 议,和BSI旧对ti s hS t anda此I ns t itu t i o n)规范 2,均 采用常数:C s二5 2 0八kg)日本采用1 4):C=4 8 3+80 2火1 0一4公J汉kg.o C)(8)由图4可看出,日本所采用 的比热容计钢结构1望拓年第2期第1 1卷总第 3 2期高温下结构钢的材料特性算公式与ECC S的拟合曲线比较接近,将比热容取为常数与实际情况 相 差较大,但可大大简化计算,适于设计人员采用。讼经日 2 5I一(又写和Hs 采 川0 5r一、_二.“、_!)ImZ(X)3m中川夕X)以X)温度图3各种方案的钢的热膨胀系数的比较试验测得,试验方 法一般有 恒 温 下 的加 载试验和恒载下 的升温 试验两种。目前大部分的数据是 由前一种 方法 得到 的 幻。另外文献7中采用在简支梁的跨 中加集 中荷载,保持荷载不变给构件升温,测得温度升高时的跨 中位移,由此 反算应变一温度和应力一应 变 关系,这 种方法 的优 点是,只 要构件均 匀 受热,则不 需考虑热膨胀 的影响。当钢的 温度升高时,钢的强 度和弹性模量都将发 生显著的 变化。试验结果表明,当钢的 温度在25 0以下时,钢 的弹性模量 和强度变 化还 不大;当温度超过25 0时,即发生所谓的“塑性 流动”,超过30 0后,应力一应变关系 曲线就没有明显的屈服极限 和屈 服平台,强度和弹性模量 明显减小。高温 下钢构件的总应变。包括 三部分:由应力产生的瞬时应变。,徐变。,和由于热膨胀产生 的应变。*:“=“。+“。r+“、(1 0):,*=T s:,(11)总应变 与应力过程 和 升 温过程有关(图5)。当构件的 升 温 速 度 在5一5 0/而n,一r、l三x象吸坐淤萦知罗f伸戴臼温)变(图4各种方案的钢的比热容的比较移一上|l 3钢的导热系数(又s)导热系数随温 度 的升高而减 小。日本采用1 4):又、一52.0 5一5.0 5x10一,T s zw/(kgo c)任)B SI规范”取常数:又、二3 7.5W堆g)以上取值情形 与比热容相似。4钢的密度p,钢的密度取常数:p、二7 85 0k g/m,5应力一应变关系高温 下 的 钢 的应力一应变 关 系 由材料T(,T!卜!汀二氏、T,簇T共TZ匕叮=叮(厂 2,人I一落T.吓氏T,簇 T 蕊T、图5总应变与 应力过程和升温过程有关S概1伪n st l刀c tio n.1卯6(2),V ol.H,刊b.3 25l文献综述这个范围且构件的温度 不超过60 0时,一般将徐变包括在。中一起考虑,而不 另外考虑徐变 的 影响 l 2 l,因而 也没考虑应力过程和升温过程对总应变 的影响。否则,徐变 的 影响要单独考虑。这里所说的应力一应变关系实 际上是指应力。和 由应力产生 的应变。之 间的关 系。低碳钢的典型应力一应变 关 系曲线 如 图6阁,图尹所示。相邻点之间连直线即可叹如 图8)。至 于连续光滑型 的模型较少,表达式也较复杂。应 用得最多是Ral llber g一伪good椭圆模型(如图9)其表 达式 如下 0 :今之一五分尹3十二了7f。2:E(乃a、,T、咬丁了了)”J让 Z了应变%(12)式 中6(m(乃蕊5 0E(乃:温度T时钢的弹性模量f 0之:温 度T时钢的0.2%屈服应力甲口直 111J升应_一T.TS N/n l l们T31上.卜8以)温度Zm山旧日川,一一.,一-一-,一一门.一乙图6低碳钢恒载升温试验测得应力一应变曲线图8分段直流模型汀N/m耐_20/乒二于兰理。,(半轴分别为a,b)期啪8 0()02().4图7低碳钢各温 度下的应力一应变 曲线图9考 虑强化的椭圆模型钢的应力一应变关 系模型很多,一般都是分段模型。最简单是分段直线模型,即给出一定温 度下,各控制应力点的应变值,在但 在 实 际 应 用中,Rai nb e飞一伪good模型 的具体表达不完全一 样。I)u na s采用 的 无量纲表 达式l 0)如下:钢结构1卯6年第2期第1 1卷总第3 2期高温下结构钢的材料特性S=凡E(乃0气,(1 3:一)s二2刀+b(l一(一(0.03一动/a)2)告、1凡2“(1 3e)式中s二。/J,加2 0工200。为应力大小,关,2。为 2 0时的屈服应力。E(乃=礴04一0.194工20工200E(1卜483一0.59天200天7 00匀,“,口,“,b均为参数,文献l的 中给出了其值的大小。该式反应了 屈服后 的 强化(图 9)。而Aeh汕Rub er t和PeterSc haun叼:脱在参考 文献7中采用 的模型则 没 有 考 虑 屈服后的强化(图 1 0)其a一 关系 式如下:a二E 0(耳凡0毛凡成。,(l姐)匕士一止_上:_介气.令i_封_一一些-_上一些一图 1 0不考虑强化的椭圆模型当徐变 的影 响必须 另外考虑时(图11),往往采 用以下几种模型W,z。,、,.尸,叮二丁介丫a一L,一丫一 J冰1)一 w3汗1%O刀2今簇落。,(1场)。二f,(乃饰毛份簇。(14 c)式中凡(乃:温度T时钢的初始弹性模量几(T):温度T时钢的弹性极限几(乃:温度T时钢的屈 服极限l t 0日子同h以乃:弹性极 限应应以乃=fp(乃E 0(乃图1 1钢在不同温度和应力水平下的徐变气二2%s u=2 0%wl,叭,w,为系数,与以上各量有关。总的来说,Ra血b er g一伪good模型比分段直线模型复杂,但前者与实验所得的高温下的应力一应变更为相似,且前者得到的应力一应变关系曲线是光滑 的,具体计算时更易于 收敛.在进行抗火计算和分析时,应根据所采用 的力学模型、求解方法及精度要求决定选用何种应力一应变模型。6高温下钢的徐变模型6.1Lbm高温瞬时徐变模型P I l叩”m模型 的核心是把温度 和 时间变量合成一个变量一温度补偿时间8(娜n Pe r at理叱 一c om Pe l”a回t i nr)来表示。一!二(一A H/R二t)w!(,式中:0:温度补偿时间万二徐变激活能cn犯P)a ct i姐tl o ne n el粉矛o fJZ伽1S吹1Cb招七uc t沁n.1卯6(2),、b l.l l,N o.3 253文献综述JDe xp(F的C H了.了 刀、之一一甲1R:气体常数汉m01K)t:时间h徐变氏r和温度补偿时 间在一定应力水平作用下 的 关系曲线如图 1 2所示。它可分为初始徐变和二阶段徐变两部分,初始徐变为曲线部分,二阶段徐变为直 线段,分界处为0二0。,直线段的斜率为名,直线段与纵坐标轴的交点为乓。,则徐变 可用下式表示:a簇5 2(万a)5 了(子式中徐变参数A,B,C,D,F均 由试验确定。常应力作用 下 的徐 变公式为:1山_,_一一,舟几=C Ot h“-二二了d o、乓r,。s c r=乓。毋0/s c。0)万0簇 0延0 0乓,=s c r,。l+“0/500 10)氏(l血)(16 b)式中氏=,。邝有时采用更简单的全直线模型 l,即对8)0,e。o=。o+z,0式中2:2始n坦r一Hol l om on常数。:徐变 常数也有的将初始徐变 和二阶段徐变分别用两段直线表示。上式中 的徐变参数由试验确定。“,、今虹d尹-i;万丽 丁丽万而面犷图1 2徐变 与温度补偿时间关系曲线丘 2Ha勿模型 即qH at hy模型是以D om模型为基础建立起来的,它仍然采用温 度补偿时间的概念,徐变的表达式如下:“:r二令。r,。/助2)。r ch(2口/气今(17)式中。c r,。=A尹也 可以将上式积分后 写 成 时 间t的显式,也可写成数值积分形式,”。6.3日本的F u ji n刃to一F山li rn山丑模型 l qFu ji m ot o,Fur a等在大量试验的基础 上,拟合得 出554 1钢的初始徐变表达式如下:HtH勺乓尸l 0(下+“”怪叮下十枷产T s+价(18)式中s c r:初始 徐变%工:钢的绝对温度o Kg:重力加 速 度邮,民应力一N/I n l nZt:时间mlnH l,从,凡,执,拢,玩为材料常数,对应S弘1钢的值如下:H,井一0.0 074 5从二3 7 1H 3=17 8 OH碗=1.82丛二 一0.0 006 47从二一0.15 17弛变阴弛变 与徐变有着密切 的 关系,试验测徐变 时,保持应力 和温度不变,应变随 时 间 增加。此时 由应力产生 的瞬时应变。不变。试验测 弛变时,保持温度和应变不变,随着时间的增加,应力不断的减小,此时由应力 产生 的瞬时应变。减小,徐变增加,总应变。不变。如下式:鲡=c ons t二。恤D+乓r(a,兀,t)(19)8高温下的泊桑比,英国规范l z 建议采用v、二0.354钢结构l卯6年2期第1 1卷总第3 2期高温下 结构钢的材料特性9各国所采用的高温下的钢的强度和弹性模量9.1强度由于高温下钢的应力一应变关 系曲线没有明显的屈服 极 限和 屈 服 平 台,高温下钢的强度如何确定,现在 国际 上 也 无 一致的认识。EC侥采用应变为0.5%时的应力为屈 服应力l l 2,而英国规范则 分别 给出 了应 变 为0.5%,1.5%,2.0%时 的应力,根据保护层对结构变形的要求分别采用1 2.E C CS给出的钢 的强度公式为 l :表2高温下钢的强度系数钢材的温度对应应变的强度折减系数兀0.5%f yt,天,2.0%l o o哪2 o o珊姗珊卿绷绷卿枷溯7 o o 蝴卿观姗脚九,:人,:。l+-二一一7 67 I n17勇0毛T s毛6田(2 0 a)l韶(l一兀10 X)T s一4 406的簇工簇 1田O(2 0 b)0.9 70.95 9a l泪汤0.88 4住85 40.8 260.7980.7210.6 220.月兜0.3780.2印0.1860.1270.0710.以50.03 0O,0241.0 01,(兀幻1.(兀 心l(X幻1.仪幻住9680.95 60.8 980.75 60.612D.4日)0.32 60.2 230.1520.10 80.0 73住05 90.(洲陌1.的1.侧刃1.仪刃1.(众)1.以幻1.(兀 幻0乡710.93 40 7760.6270.47 40.33702 320.1580.115住0 790.伪20刀5 2一一T一互子力一人注:a.表 中其它温度时的强度折减系数用内插 值法得到。b.当温度大于9功时,可以认为13仅)时强度 为零,然后用插值法求得对应温度的强 度折 减系数。,o万0 8 下千I、(又S-一I卜I(l 5%)一HS盆(1 5城)一I卜l(州羚)_.上2加粼幻60。岁卜11卜.4,4住住英 国规范(BS585O,P ar ts)12 将高温 下的钢的强度系数以表 格 形式给出,表2给出 的为B S436O G r a de 43一 G12de5O钢 在对应温度下 的强度系数。B sl和ECC S采用的强度系数的比较如图1 3所示,由图可知,在30 0巧o o时,时,两者相 差很大(大约5 0%),文献12中详细讨论了这种差别对抗火计算结果的影 响,结果如表3所示。日本的高野孝次提出的方案1 1 4 18(汉)1(介=l一8.8X10一界,一4.5x10一7飞普通钢(Zla)=1.01一58X10一T s z一74x10一不以幻温度图1 3E(X万与Bs l所采用的钢强度系数比较无,:二几,2 0里五L二九,:。1.00簇T s蕊 Z15o C(22 a)扮带高强 度钢(Zlb)澳大利亚规范A S4 lo o采用分段公式 3卯5一双困0215蕊T s毛卯5(22b)St ed Cb璐t n川如n.1卯6(2),Vbl.l l,N632文献综述表3分别运用E CS和ES I强度方案计算所得的钢构件的临界温度(,l),2P/几_E 龙EB Sl(l 5 冷)日本规 范采 用-一陆 洲 学 提 出 的 方 案-一A S引仍丝6 3 0洲7 1 55 8 5 6 2 5溯竺5 4 0 5 8 5 6 1 5竺朔5 3 5 5 7 5竺4 3 0 5 1 5 5 5 0竺划绷5 1 5E兀万B Sl(05%)BSl(l 0%)表中只实际作用荷载;几:常温下钢构件的破坏荷载。叭下一恻一计一“弓_ _ _ _扛!仗2阴书力自幻80 01川划温度日本建筑物 综合防火设 计中提 出 的方案为:图1 4各种方 案钢 的强度与温度关系曲线箭一“1一凡双二“3双(23)E:常温下 的弹性模量N/I n m,高野孝次提出的方案 14 为:式中及,及,S 3均 为 回 归系数,根据钢 种类选 用。国 内关于结构钢 在高温下 的力 学性能的试验资料较少,陆洲导在 试验的基础上 得 到的高温 下钢筋的强度 拟合公式为口:粉一ID”华2 00(2 h oETE=l一1 0.7X1 0一7针一2.1x10一天(2句占村等人提出 的方案口 4 为二互一1.0、1 0一 6尸+0.9 9 4万无,:天,:0二l33一 l64X10一T s20 0共只(7田(24 b)各种 方案所采用 的钢 的强度与温度的 关系曲线如图 1 4所示。从图中曲线可 知,各方-案的高温下钢的 强度 相 差较大 l 2,从而 造成采用不 同的强度公式分析 所得 的构件或结构的临界温度相差很大。这些方案中,EC璐所采用 的高温强度较低,偏于保守,鉴 于 国 内还没有系统的结构钢在高温下的材料的实验资料,国内在进行钢结构抗火分 析时,一般采用这种方案叹9.2初始弹性模量残E C CS建议采用的方案为 1:互=一1 7.2、1 0一12T 4+11.sx1 0一,T,E(对SM50钢)(27)日本建筑物综合防火设计中提 出 的方案为:E二,二_._,节一一”.了S一“”了犷(2 8)式 中口,b,c均为回归 系数,根据钢种类选 用。澳大利亚规范A S410 0采 用:ET_工一=l.U十万_ _1_Z tU Ui n二,二二)、1IJjO双蕊印O(2 9)国内陆洲导由试验数据拟合得出的钢筋在高温下 的 弹性模量公式为 ll l:一34.5X10一T sZ+1 5.9X1 0一天+lN/mmZo续爪簇6 00(25)56丘=1一4.s6x一。一双E0T s(37 0(30a)钢结构1卯6年2期第1 1卷总第3 2期高温下结构钢的材料特性互一 15 15一1.8 7 9、1 03大F370工簇700 o C(30b:各种方案所采用 的钢的弹性模量与温度的关系曲线如 图 1 5 所示,当钢的温度超过50 0时,各方案的弹 性 模 量相 差较大。在 进 行抗火分析计算时,这种 差 别会给高温下结构的位移和 极限状态带来不小 的差别。目前国内一般采用ECC S方案。,二,、41111冲l司e s-1 l|:一习 洲|一一、1.1(,.9山()7山()ts参考文献().30.1石铂橄)很 少,强度降低至加热前的0.8一 0.9左 右(图16)l l N。研究高温冷却后 材 料 的力 学 性 能对火灾后房屋 的鉴定与加 固有着 十分重要的意 义。10结语国外对结构钢在高温下的材料特性研究进行得较早,而 且作得很全面。而国内这 方面的研究作得 较少,只进行过钢筋在 高 温下的材料特性试验。鉴于 国内正 在大力开展钢结构的抗火研究,因此,对高温下钢的 材 料特性 的研究也应 得到足够的重视。温度图巧各种方案的钢的弹性模量与温度关系曲线9.3高温冷却后钢的强度至子受热后 又冷却到常温状态后 的强度及 弹性模量,这方面的资料还较少,一般认为与受热前钢的强度 和弹性模量相同或降低住96剐冷义翔,、.人1)l.t.f,杯图 1 6高温冷却后钢筋的强度E(工SE姗p绷R以刀m欣幻d at ion sf ortb eF i记Saf etyof Ste el Str uC tu n笼,19 83BSI.Sul llC tu r alUs eofSte el叨r k inB正lding,Par ts-伪d eo fPnlc ti巴f orF ir eR留i sta nC el)治ig n,19侧)N F PAF ir eP r ot时ionHand伙又k,Six吸e enthE d itio n,19 86G.M.E.幼ok e.Anl n tm duC ti ont oth e M e ch ani司Pr op er-ti e sof St nldl l ia】St优】atE le份te dTemp e虱u兀.F ir es af e tyJ our na l,1988(13)李国强金福安.钢框架结 构火 灾反应分析.土木l二程学报,1卯4;V oL2 7二l钢结构设计规范(G B J17一88),北京:1988Rub er tAelli m&Schau爪川nPeter.Stlll ctur a】St代 1a ndP la n eFran人欲m blie s又mde rF i记A以i on.F i正 Saf elyJ olll llal,19 86,(10)儿由y B.R.&P】岑tionR.H ig hTem Per a t眠Pr op e比i e sof Hot一r o lle d,St n取沈u“l】Ste e lsf orU s einF ir eEng in优r-ing l)路ig nStu d ie s.F i祀 Saf etyJ ou山a】,1 988,(13)Au de欣电Yngu e.Mo del lin gSt e e lBe h av iou r.F i正s af e tyJ ou J们 al,1988(13)Pl lrki路J.A.众泪oP匕intheF ir eSaf ety l)粥ig nofStr uctur a】Ste e lv以汰.Jo unlalof bn str udllr a】Ste e lRa沈公民11,1988,(11)陆洲导.钢筋混凝土梁对火 灾反应 的研究,同济大 学博士论文.1 98 9Tw iltL.Str engtha nd de(bn n 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国际交流会.参加本次会议的年青学者较多,气氛活跃,代表的广泛性进一步扩 大.会议以“疲劳与断裂及计算分析”和“强度与设计及动 态分析”二个专题交 流了4 7篇论文,并出版了“船舶及海洋工程钢结构技术”论文集,为我国海洋钢结构技术的发展作出了新 贡献。(冶金部建筑研究总院何文汇)杏宁魂z 宁己Z 矛屯 2 宁之产;、之产;、之嘴之、之厂矛 之、己尸二、遭尸石、己佗乙匀 己嘴乡百杏侣、之洲矛之z 矛己佗、己佗、之布、之尹矛 遭石、乡佗、之石 占乍乙佗、魂厂言占佗 之 乡 乍、乡;之 少令召、之石、,乡、己石之 卜 弓、之嘴己护矛之洲矛之 乡 佗、之产石、之产;、之才矛 之产;己嘴、乡宝、(上接第5 7页)U扭v日 沼.tyofWO l lon四飞,l卯31 4孙金香高伟译.建设物综合防火设计.天津:天津科技日译出版公司,1望抖1 5阂明保李延和等.建筑物火灾后诊断与处理,江苏:江苏科学技术 出版社,1卯41 6F U JIMO T OMor i hi a S,FURUMURAFu ku ji l oe t.a lPr in以r yC政Pof St钊以切区1Ste e l(S5 4 1)a t比g h毛油pe l at.日本建筑学会报告集19即.296St司 b留加习自n.1卯6(2),丫 b l.l l,N o.3 2