Q235钢在不同应力-温度路径下材料性能的试验研究和本构.pdf

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1、第3 8 卷第6 期上海交通大学学报V 0 1 3 8N o 62 0 0 4 年6 月J O U R N A Lo FS H A N G H A IJ I A O T O N GU N I V E R S I T YJ u n 2 0 0 4文章编号：1 0 0 6 2 4 6 7(2 0 0 4)0 6 一0 9 6 7 一0 5Q2 35 钢在不同应力一温度路径下材料性能的试验研究和本构关系徐彦，赵金城(上海交通大学建筑工程与力学学院，上海2 0 0 0 3 0)摘要：介绍了不同应力一温度路径下Q 2 3 5 钢材性能的试验，以研究应力一温度历史对钢材应变的影响通过对试验数据进行回归分析

2、，得到了不同应力一温度路径下Q 2 3 5 钢的应力、温度、应变三者之间的本构关系研究了Q 2 3 5 钢经过恒载升降温自然冷却到常温时的材料力学性能，并与以往的研究结果进行了比较关键词：Q 2 3 5 钢；高温材料；材料性能；回归分析；应力一温度路径中图分类号：T U5 1 1 3文献标识码：AC O n s t i t u t I V eR e l a t i O n S h i pa n dE x p e r i m e n t a IR e s e a r c hO nt h eM a t e r l a IP r o p e r t i e so fQ 2 3 5S t e e Iu

3、 n d e rD i f f e r e n tS t r e s s T e m p e r a t u r eP a t h sX Uy 矗咒，Z H A oJ 锄一c P 咒g(S c h o o lo fC i v i lE n g a n dM e c h a n i c s，S h a n g h a iJ i a o t o n gU n i v，S h a n g h a i2 0 0 0 3 0，C h i n a)A b s t r a c t：E x p e r i m e n t so nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so

4、 fQ 2 3 5s t e e lu n d e rd i f f e r e n ts t r e s s t e m p e r a t u r ep a t h sw e r ec o n d u c t e dt ol e a r nt h ei n f l u e n c eo fs t r e s s t e m p e r a t u r eh i s t o r yo nt h es t e e ls t r a i n B a s e do nt h er e g r e s s i o na n a l y s i so ft e s td a t a，c o n s t

5、 i t u t i v er e l a t i o n s h i p so fs t e e lm a t e r i a l sa m o n gs t r e e s，t e m p e r a t u r ea n ds t r a i nu n d e rd i f f e r e n ts t r e s s t e m p e r a t u r ep a t h sw e r eb u i l t T h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fQ 2 3 5s t e e lt h a th a se x p e r i e n c e

6、 dc o n s t a n t l o a dh e a t i n g&c o o l i n ga n dr e t u r n e dt or o o mt e m p e r a t u r ev i an a t u r a lc o o l i n gw e r ea l s os t u d i e d Ac o m p a r i s o nw a sm a d eb e t w e e nt h er e s u l t so b t a i n e di nt h i sa r t i c l ea n dt h a tp r o p o s e di nt h ep

7、a p e r sb e f o r e K e yw o r d s：Q 2 3 5s t e e l；h i g h t e m p e r a t u r em e t a r i a l s；m a t e r i a lp r o p e r t y；r e g r e s s i o na n a l y s i s；s t r e s s t e m p e r a t u r ep a t h s近十年来，国内外学者对不同钢材的高温材料力学性能进行了研究，并取得很大进展例如：吕彤光n 进行了I V 级钢筋的强度和变形试验研究；赵金城等R 3 采用恒温加卸载的试验方法得到不同温度

8、下Q 2 3 5 钢的弹性极限和初始弹性模量、有效屈服强度谭巍 3 和李国强等 4 5 3 对Q 2 3 5、Q 3 4 5、1 6 M n钢材以及常用于制作冷弯型钢的日本标准S M 4 1 钢进行了高温下的材料性能试验研究，得到了不同钢材高温下屈服强度、极限强度、弹性模量和极限伸长率的计算模型但这些研究仅局限于恒温加载或恒载升温两种路径下钢材各项力学性能参数随温度变化的模型收稿日期：2 0 0 3 一0 4 1 4基金项目：上海市自然科学基金资助项目(o o z F l 4 0 3 6)作者简介：徐彦(1 9 7 9 一)，女，山东郯城人，硕士生，主要从事钢结构抗火计算与设计赵金城(联系人)

9、，男，教授，博士生导师电话(T e l)：0 2 1 6 3 9 3 2 7 9 6；E m a i l：j c z h a o m a i l s j t u e d u c n 万方数据9 6 8上海交通大学学报第3 8 卷在实际火灾中，燃烧温度将受火荷载密度、通风条件、主动防火措施实施等一系列因素的影响，在燃烧过程中随时出现降温段，从而导致结构构件的温度出现变化另外，火灾中受结构内力重分布的影响，杆件截面内力必然出现加载或卸载现象为了更好地分析实际火灾过程中结构的反应，本文考虑高温下卸载及降温过程的材性变化以及不同应力一温度(盯一)路径下钢材的应力、温度、应变三者的本构关系，进行了不同应

10、力一温度路径下Q 2 3 5 钢材的高温试验，以研究盯一f 历史对其应变的影响1 试验方法1 1 试验材料及设备试验在上海交通大学工程力学试验中心固体力学试验室的A U T O G R A P H I C S 一2 5 型万能材料试验机上进行试验机最大加载能力为5 0k N，对试件采用电炉加热，由试验机自动记录试件单向拉伸的应力一应变(盯一)关系曲线试件材料为Q 2 3 5 钢，试件按试验机指定的形状制作，规格、尺寸如图1 所示试验的温度、加载条件按照国家标准m7 1 进行尺=50 尉8。【2 5I 1 01 5 0L1 0。2 5l，11 2 01图1 试样几何尺寸(m m)F i g 1G

11、 e o m e t r i c a ld i m e n s i o no ft e s ts p e c i m e n1 2 试验内容试验共分5 组进行(1)A 组试验共计2 根试件，测定试验机自动记录盯一曲线中应变的修正值(2)B 组试验共计3 根试件，进行未经高温过程的常温拉伸试验，以得到此批试验钢材的一些基本力学性能指标(3)C 组试验(包括应力)分别为o 3 、O 5 、和o 7 3 种工况，简单记为C 1、C 2 和C 3 其中C 2工况做2 根试件，C 1 和C 3 工况由于试验结果离散性较大，各做了3 根试件在每种工况下，先在试件上施加应力到指定应力水平，变形稳定后先升温至

12、5 0 0。c，然后再降到常温升降温过程中，从常温升到5 0。C 之后，每隔5 0。C 在试验机自动绘制的仃一e图上标定一次，记下对应的应变值升温速率为1 3。C m i n 左右，降温方式是在室温下自然冷却(4)D 组试验共分为4 种工况，每种工况做3根试件，共计1 2 根试件每种工况的盯一路径如下：D 1 常温(0 2，)一3 0 0。C(o 5，)一5 0 0。C(o 7 兀)D 2 常温(O 3 厂，)一3 0 0。C(o 6 厂。)一1 0 0。C(o 9 六)一5 0 0。C(o 5 厶)D 3常温(o)一5 0 0。C(o 5 厂。)一1 0 0。C(O 9 )一5 0 0。C(

13、O 4。)D 4 常温(0 8 厂，)一5 0 0。C(o 3，)一5 0。C(1 O、。)由于实验条件的限制，每隔5 0。C 均匀加载(或均匀卸载)一次，以小幅阶梯状加载(或卸载)模拟连续加载(或卸载)升降温过程中，从常温升到5 0。C后，每隔5 0。C 在试验机自动绘制的口一f 图上标定一次，记下对应的应变值每种工况均保持相对恒定的升温速度(约1 3。C m i n)，降温方式是在室温下自然冷却(5)E 组试验测量了C 组试验的试件经历恒载升降温自然冷却到常温时的弹性模量、屈服强度和极限强度2 试验结果及分析2 1A 组试验经过A 组试验得出的试验机自动记录的仃一曲线中各温度点对应的应变修

14、正值随温度变化的试验结果如图2 所示B、C、D 组中的应变值都是采用修正以后的数值。图2 试验应变数据修正值F i g 2C o r r e c tv a l u e so ft e s ts t r a i nd a t a2 2 未经高温过程的钢材常温拉伸试验结果试验所得常温下材料的力学性能指标为：弹性模量E 一1 9 8G P a，屈服应力 一2 8 6 7M P a，极限应力厂u 一4 4 7 5M P a，极限应变e。一0 7 6 7 2 3C 组试验 万方数据第6 期徐彦，等：Q 2 3 5 钢在不同应力一温度路径下材料性能的试验研究和本构关系9 6 9C 组试验结果是建立D 组试

15、验本构关系式的基础通过对图3 的分析，可以得到盯一、一e 的基本关系图3 恒载升降温路径的f e 曲线F i g 3C u r v e so ff eu n d e rc o n s t a n t l o a dh e a t i n g&c o o l i n gp a t h s由图3 实线组可见：当f 3 0 0。C 时，f 一曲线上升比较平缓，且不同应力水平对应的曲线趋势比较相似；当 3 0 0。C 时，高应力水平(C 2，C 3)下的试件应变便开始急剧增加，呈指数形式相同温度下，应力水平越高温度变形越大，温度变形与应力水平近似于线性关系由图3 虚线组可见：降温段f 一曲线比较平稳，

16、随着温度下降，不同应力水平对应的曲线有较为一致的下降趋势对于高应力水平下的试件，由于其升温至一定温度时已经进入屈服阶段，故应力水平还没有低于相应温度的屈服强度时，它的应变仍在增加同时，高应力水平下的残余应变，因为包括屈服后的高温塑性应变，所以要比低应力水平下的大很多2 4D 组试验基本的盯一f 路径包含以下9 种：升温加载(或恒载、降载)，降温加载(或恒载、降载)，恒温加载(或恒载、降载)D 组试验的每种工况都可以看作若干种基本盯一路径的组合，在分析时把C 组和D 组中相同的盯一f 路径归纳在一起在回归分析之前，首先把每种盯一路径的应变数据值减去其起点的应变数据值，即消除上次仃一历史的应变值影

17、响，从而便于研究应变在该种盯一f 路径下的变化情况然后根据最小二乘法原理，对试验数据进行拟合，分别得到Q 2 3 5 钢在升温恒载、升温加载、升温降载、降温恒载、降温加载5 种基本仃一f 路径下单向拉伸时的本构关系式，其详细结果见第3 节2 5E 组试验由表1 可知，钢材经历了恒载升降温然后自然冷却至常温，弹性模量比未经历高温前略有降低，但弹性模量的变化与应力水平关系不大由表2 可知，钢材经历恒载升降温然后自然冷却至常温后的屈服强度值与文献 8 中给出的经历高温(6 0 0。C 以内)自然冷却后的屈服强度的计算值相差偏大。而极限强度的试验值与文献 8 中给出的经历高温(6 0 0。C以内)自然

18、冷却后的极限强度的计算值较为相近，故实际设计中可直接采用文献 8 中提供的公式来计算极限强度的值表1c 组试件自然冷却至常温后弹性模量值T a b 1E I a s t i cm o d u l u sa tr o o mt e m p e r a t u r eo fg r o u pCa f t e rn a t u r a lc o o l i n g平均值1 9 21 9 41 9 2与B 组中E 的偏差3 0 32 0 23 0 3表2c 组试验自然冷却至常温后届服强度、极限强度的值T a b 2Y i e l d i n gs t r e n g t h，l j m i t i n

19、 gs t r e n g t ha tr O O mt e m p e r a t u r eo fg r o u pC：a f t e rn a t u r a Ic o o I i n g3 不同仃一舌路径下的本构关系3 1 升温恒载路径首先用相同的表达式对升温恒载、升温加载两种盯一f 路径进行回归研究表明，利用回归公式得到的计算结果与试验结果相差很大因此，必须用不同的表达式对这两种仃一路径进行回归升温恒载路径包括C 1、C 2 和C 3 工况中的升温恒载段，对升温恒载路径进行回归的表达式为盯：兀f 霉堡r 6(1)足f式中，志。一一o 8 8 3 一o 0 0 4(f 一2 0)+1

20、3 0 5 2 0 式(1)表示的升温恒载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图4 所示3 2 升温加载路径D 1、D 2、D 3 工况中的升温加载段，应力和温度变化情况相近，因此可以用相同的表达式对其进行 万方数据上海交通大学学报第3 8 卷回归研究表明，D 1、D 2、D 3 工况中升温加载段的回归表达式计算结果与试验结果比较接近对于升温加载路径中应力和温度变化情况差别较大时，能否用相同的本构关系表达式回归还有待进一步研究式(3)表示的升温降载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图6 所示图6 升温降载路径的模拟曲面与试验数据的比较F i g 6C o m p a r i s o no fe x

21、p e r i m e n t a ld a t aa n ds u r f a c em o d e lo fh e a t i n ga n du n l o a d i n gp a t h s图4 升温恒载路径的模拟曲面与试验数据的比较F i g 4c。m p a r i s。n。fe x p e r i m e n t a ld a t aw i t hs u r f a c e3 4降温恒载路径m o d。lo fh。t i n g。n d。o n。t。n t l o。dp。t h。由图3 可知，应力恒定时，应变与温度的关系近似予二次函数关系，而且温度达到4 0 0。C 时，应变达

22、对升温加载路径进行回归的表达式为到最大值对降温恒载路径进行回归的表达式为仃=I 竺半l(2)ff1 6 1 0 5+6 2 9 4(4 0 0 一)2 0。2“、晚口。Jr l 百丐而可丽干百可取面矿可J式中，是t 一3 5 0 2+o 0 3 5(f 一2 0)+1 0 0 9 2 0(4)式(2)表示的升温加载路径的模拟曲面与试验式(4)表示的降温恒载路径的模拟曲面与试验数据的关系如图5 所示数据的关系如图7 所示图5升温加载路径的模拟曲面与试验数据的比较F i g 5C o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a ld a t aa n ds u

23、r f a c em o d e lo fh e a t i n ga n dl o a d i n gp a t h s3 3 升温降载路径I)2、D 3、D 4 工况中的升温降载段，应力和温度变化情况相近，因此可以用相同的表达式进行回归用式(3)对D 2、D 3、D 4 工况中升温降载段进行回归得到的计算结果与试验结果比较接近对升温降载路径的表达式为d=J f y(0 7 2 6 一篇籀r。图7降温恒载路径的曲面模型与试验数据的比较F i g 7C o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a ld a t aa n ds u r f a c em o

24、 d e lo fc o o l i n ga n dc o n s t a n t l o a dp a t h s3 5 降温加载路径降温加载过程，与盯、的关系非常复杂降温加载路径下的本构关系可分为3 种情况讨论记f。为钢材降温加载前所经历的最高温度：f。3 0 0。C(即D 2 工况)对应第1 种；3 0 0。C f。6 0 0。C(即D 3、D 4 工况)中的 2 0 0。C，6 0 0。C 区间对应第2种，5 0。C，2 0 0。C 区间对应第3 种这3 种情况均可用 万方数据第6 期徐彦，等：Q 2 3 5 钢在不同应力一温度路径下材料性能的试验研究和本构关系9 7 1盯一(万知一

25、爱广(5)4 结语回归，相应表达式的系数见表3 由于降温加载路径的试验数据太少，回归拟合得到的模拟曲面不太理想，故没有给出降温加载路径所对应的模拟曲面表3 降温加载路径回归系数T a b 3R e g r e s s i V ec O e f f i c i e n t so fI O a d i n ga n dc o o H n gp a t h s3 6 本构关系式的相关性检验为了对求出的本构关系式和试验数据的相关性进行检验，还需求出每个本构关系式的调整相关系数R：，即一1R：=1(1 一尺2)二_ 三彳(6)，z p l式中：尺为相关系数；户为本构关系式中的自变量个数；以为试验数据个数

26、对上面5 种盯一路径下的本构关系式和试验结果进行统计分析，分析结果如表4 所示由表可见，各种口一路径下的本构关系式的计算结果与试验结果比较符合表4 本构关系式的统计分析T a b 4S t a t i s t i ca n a l y s I so f t h e o r e t i c a lm o d e I s由本文的分析可知，不同盯一f 历史对钢材应变有很大影响根据试验数据回归得到的不同盯一f 路径下的本构关系式与试验结果比较符合因此在以后的钢结构抗火分析中，首先需要确定结构曾经经历的d 一历史，并按发生的先后顺序分解成基本的盯一路径组合然后利用本文的本构关系式，把各个阶段的结构效应累

27、加，即可得到与结构实际反应较为一致的理论结果参考文献：1 吕彤光高温下钢筋的强度和变形试验研究 D 北京：清华大学土木工程系，1 9 9 6 2 赵金城，沈祖炎钢结构抗火分析中的材性模型 J 工业建筑，1 9 9 6，2 6(9)：3 1 1 Z H A 0J i n c h e n g，S H E NZ u y a n M a t e r i a lp r o p e r t ym o d e li nt h ea n a l y s i so ff i r er e s i s t a n c eo fs t e e ls t r u c t u r e J I n d u s t r i

28、 a lC o n s t r u c t i o n，1 9 9 6，2 6(9)：3 1 1 3 谭巍高温(火灾)条件下钢结构的材料性能及钢框架结构反应的分析研究 D 上海：同济大学土木工程学院，1 9 9 8 4 李国强，陈凯，蒋首超，等高温下Q 3 4 5 钢的材料性能试验研究 J 建筑结构，2 0 0 1，3 1(1)：5 3 5 5 L IG u o q i a n g，C H E NK a i，J I A N GS h o u c h a o，以口Z E x p e r j m e n t a ls t u d i e so ft h em a t e r i a lp r o

29、p e r t i e so fQ 3 4 5s t e e la te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s J B u n d i n gS t r u c t u r e，2 0 0 1，3 l(1)：5 3 5 5 5 李囡强，张晓进，蒋首超，等高温下S M 4 1 钢的材料性能试验研究口 工业建筑，2 0 0 1，3 1(6)：5 7 5 9 L IG u o q i a n g，Z H A N GX i a o j i n，J I A N GS h o u c h a o，P 口Z E x p e r i m e n t a ls t u d i

30、 e so ft h em a t e r i a Ip r o p e r t i e so fS M 4 ls t e e la te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s J I n d u s t r j a lC o n s t r u c t i o n，2 0 0 1，3 1(6)：5 7 5 9 6 G B 2 2 8 8 7 金属拉伸试验方法 S 7 G B 4 3 3 8 1 9 9 5 金属材料高温拉伸试验 S 8 曹文衔损伤累积条件下钢框架结构火灾反应的分析研究 D 上海：同济大学土木工程学院，1 9 9 8 国家期刊奖百种重点期刊百

31、种中国杰出学术期刊欢迎投稿欢迎订阅 万方数据Q235钢在不同应力-温度路径下材料性能的试验研究和本构关Q235钢在不同应力-温度路径下材料性能的试验研究和本构关系系作者：徐彦，赵金城作者单位：上海交通大学,建筑工程与力学学院,上海,200030刊名：上海交通大学学报英文刊名：JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY年，卷(期)：2004,38(6)被引用次数：10次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.赵金城;沈祖炎 钢结构抗火分析中的材性模型期刊论文-工业建筑 1996(09)2.吕彤光 高温下钢筋的强度和变形试验研究学位论文 19963.曹文衔 损伤累

32、积条件下钢框架结构火灾反应的分析研究学位论文 19984.GB/T4338-1995.金属材料 高温拉伸试验 19965.GB228-1987.金属拉伸试验方法 19886.李国强;张晓进;蒋首超 高温下SM41钢的材料性能试验研究期刊论文-工业建筑 2001(06)7.李国强;陈凯;蒋首超 高温下Q345钢的材料性能试验研究期刊论文-建筑结构 2001(01)8.谭巍 高温(火灾)条件下钢结构材料性能及钢框架结构反应的分析研究学位论文 1998 本文读者也读过(2条)本文读者也读过(2条)1.丁发兴.余志武.温海林.DING Fa-xing.YU Zhi-wu.WEN Hai-lin 高温后

33、Q235钢材力学性能试验研究期刊论文-建筑材料学报2006,9(2)2.胡志鹏.刘海明.HU Zhi-peng.LIU Hai-ming Q235钢厚向拉伸试验研究期刊论文-塑性工程学报2010,17(2)引证文献(10条)引证文献(10条)1.龚顺风.程江敏.程鹏 加固钢柱的非线性屈曲性能研究期刊论文-钢结构 2011(11)2.李国强.吴波.蒋首超 工程结构抗火研究进展与建议期刊论文-建筑钢结构进展 2010(5)3.乔长江.吴波 降温阶段建筑材料特性与结构性能的研究现状期刊论文-工程抗震与加固改造 2009(4)4.唐明君 钢结构抗火研究现状综述期刊论文-城市建设与商业网点 2009(1

34、1)5.屈立军.李焕群.王跃琴.张辉.保彦晴 国产钢结构用Q345(16Mn)钢高温力学性能的恒温加载试验研究期刊论文-土木工程学报 2008(7)6.王迎春.张立.方园 薄板坯的铸态高温力学性能研究期刊论文-炼钢 2008(5)7.屈立军.李焕群.王跃琴.张辉.保彦晴 国产钢结构用Q345(16Mn)钢在恒载升温条件下的应变-温度-应力材料模型期刊论文-土木工程学报 2008(7)8.赵欣莉.Xue Suduo.赵磊 钢结构抗火研究现状与发展趋势期刊论文-河北建筑工程学院学报 2008(1)9.丁发兴.余志武.温海林 高温后Q235钢材力学性能试验研究期刊论文-建筑材料学报 2006(2)10.李国强.吴波.韩林海 结构抗火研究进展与趋势期刊论文-建筑钢结构进展 2006(1)本文链接：http:/