钢结构厚板力学性能的低温试验研究

王元清，周 晖，胡宗文，石永久，陈 宏

(清华大学a.土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室；b.建筑设计研究院，北京100084)

近年来，厚板钢材在高层建筑和大跨度结构中得到了广泛的应用[1]。例如，国家体育场“鸟巢”采用了厚110mm 的 Q460E－Z35厚板[2]；央视新台址大楼钢结构工程中大量选用Q390、Q420钢材，厚度范围在80～130mm[3]。由于对厚板钢材的力学性能和焊接性能等缺乏足够的认识，钢结构厚板工程在焊接施工和使用过程中，出现了各种裂纹事故。如天津国贸中心工程的箱形柱在车间焊接完工后即出现了严重的层状撕裂现象，造成3 000多t厚板钢材的浪费；重庆某高层钢结构酒店工程和上海某枢纽大厦工程也出现了类似的裂纹事故[4]。钢板的冶炼、轧制工艺使厚板的Z向性能与轧制平面内的性能存在着较大差异，轧制后钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片状而使厚板出现分层现象，使厚板的Z向受拉性能劣化[4]。随着构件板厚的增大，构件中缺陷处的应力应变状态由平面应力向平面应变转变，发生脆性断裂的倾向增加[5]。低温下焊接施工或低温下服役均容易引发钢结构的脆性断裂[6－7]，尤其是厚板焊接工程。

中国学者[8]曾对常温下A3和16Mn厚板钢材的材性参数进行过分析研究，补充了《钢结构设计规范》(GBJ17－88)中厚板的强度设计值。然而，有关厚板钢材的低温力学性能的试验数据较为缺乏，厚度方向性能的研究则更少。中国冬季覆盖的范围很广且部分地区长期处于低温下，开展厚板钢材低温下的力学性能试验研究，对于防止钢结构厚板工程的低温冷脆具有重要的意义。

本文采用圆棒拉伸试样，对60、90、120、150mm 4种厚度的结构用厚板钢材Q345B的低温力学性能进行了试验研究。试样分为垂直钢板轧制方向的横向试样和贯穿全厚度的Z向试样。试验获得了厚板钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu和断面收缩率ψ等性能指标及其随温度和取样位置的变化规律；同时测得了4种厚度钢板Z向性能的相应指标；为厚板钢材积累了丰富的低温力学性能的试验数据。

1 试验概况

1.1 试验依据与目的

试验根据《金属材料 室温拉伸试验方法》(GB／T 228—2002)和《金属材料 低温拉伸试验方法》(GB／T 13239—2006)以及《厚度方向性能钢板》(GB 5313—85)等规范，在＋20、0、－20、－40、－60℃5个温度点下对结构钢材Q345B的厚板(t＝60、90、120、150mm 4种厚度)进行单轴拉伸试验。试验测量每个试样的屈服强度fy、抗拉强度fu和断面收缩率Ψ等性能指标，得到各项指标随钢板厚度、取样位置以及温度的变化规律，并测得4种厚度钢板Z向性能的相应指标，为工程设计提供材性数据。

1.2 试样材料与尺寸

试验选用首钢生产的建筑结构用厚板钢材Q345B，厚度规格有60、90、120、150mm 4种，主要化学成分如表1所示。

表1 Q345B厚板的主要化学成分(质量分数／%)

拉伸试样分为垂直轧制方向的横向试样和贯穿厚度方向的Z向试样2类，试样尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样尺寸

为研究厚板的力学性能随厚度位置的变化规律，在钢板不同的厚度位置进行了取样，如图2(a)、(b)所示；为研究厚板Z向性能与轧制平面内性能的差异，对厚板进行了贯穿全厚度方向的取样，如图2(c)所示。试验分组情况如表2所示，共包括156个横向试样和60个Z向拉伸试样。

图2 拉伸试样的取样位置

表2 常规拉伸和Z向拉伸试验的分组情况

1.3 试验设备与注意事项

试验在清华大学航空航天学院力学系强度实验室进行，该实验室拥有全套进行低温试验的设备，如图3所示。试验中试样由空气和液氮的混合气体进行冷却，并由温度传感器、控制器、伺服阀等组成的温度调节装置控制保温箱内的温度保持在某一温度预设值，精度在±1℃。

图3 低温拉伸试验设备

试验过程中应注意如下事项：

1)试验机应保证试样轴心受拉，保持匀速加载，速率为1mm／min。

2)试验从高温到低温进行，多试样同时在低温箱内冷却，提高试验效率。

3)冷却试样的时间不少于15min，且在拉伸过程中保温箱内的温度不能偏离预设值±2℃。

4)试样破坏前荷载与位移的完整曲线由自动记录仪得到。

2 常规拉伸试验结果

2.1 不同厚度钢板的力学性能随温度的变化

《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》(GB／T 2975—1998)规定，对于厚度大于50mm的钢板，取样位置为距表面1／4厚度处。因此，将板厚1／4位置的拉伸试样试验值作为厚板整体力学性能的代表值。4种厚度钢板的基本力学性能指标(屈服强度fy、抗拉强度fu和断面收缩率Ψ)随温度的变化关系如图4所示(数值为3个试样试验的平均值)。

图4 不同厚度钢板力学性能指标随温度的变化

1)由图4(a)和(b)可见，4种厚度钢板的屈服强度和抗拉强度均随着温度的降低而提高，由20～－60℃，增幅分别达9.2%～12.5%和6.5%～9.8%；屈强比随温度的降低，略有增大的趋势。

2)由图4(c)可见，反映钢材塑性的断面收缩率指标随着温度的降低而降低，即塑性变差；同一温度点下，断面收缩率随钢板厚度的增加而减小，如20℃时，60、90、120、150mm 厚钢板的断面收缩率依次为67.3%、66.6%、65.2%、64%。

2.2 不同厚度钢板的力学性能随取样位置的变化

为研究厚板力学性能沿厚度方向不同位置的差异性，按图2所示，对厚板进行了不同厚度位置的取样，并在20℃～－40℃2个温度点下进行了拉伸试验。基本力学性能指标如图5所示。

图5 不同厚度钢板力学性能随取样位置的变化

1)如图5(a)、(b)，厚板的屈服强度从钢板表面至中心处呈下降的趋势，90mm和150mm厚板的这种趋势较为明显。如20℃时，90mm钢板屈服强度从表面的396.8MPa减小至中心的359MPa，降幅为9.5%；150mm钢板屈服强度由表面的398.4MPa减小至中心的373.4MPa，降幅为6.3%。

2)如图5(c)、(d)，厚板的抗拉强度沿厚度位置的变化规律与屈服强度的规律并不一致，如厚度为60mm的钢板，中心位置的抗拉强度比表面处大。

3)如图5(e)、(f)，厚板的断面收缩率指标从钢板表面至中心处呈下降的趋势，降幅在2.3%～4.1%左右，90mm和150mm厚板的降幅更明显。

4)屈服强度和断面收缩率指标的试验结果，一定程度上反映了厚板中心的材性比表面处略差。

2.3 150mm厚板力学性能随温度及取样位置的变化

对150mm厚板的力学性能做进一步分析，试验结果如图6、7，分别以温度和取样位置为横坐标。由图6可见，不同厚度位置试样的屈服强度和抗拉强度均随温度的降低而提高，而断面收缩率减小。由图7可见，相同温度下，厚板从表面至中心位置，屈服强度和断面收缩率不断减小，而抗拉强度随取样位置的变化无明显规律。

2.4 强度指标随温度变化关系的拟合

大量研究结果表明，钢材的屈服强度和抗拉强度随温度的变化关系可用以下简化公式表示[7，9]：

图6 150mm厚板不同取样位置的力学性能随温度的变化

图7 150mm厚板不同温度下力学性能随取样位置的变化

式中：fy(T)、fy(T′)和fu(T)、fu(T′)分别为温度T和T′下的屈服强度和抗拉强度；qs和qb分别为屈服强度和抗拉强度的温度敏感系数(1／℃)。

图8 60mm厚板屈服强度随温度的变化曲线拟合

以T′＝20℃下的强度指标为参考，对60、90、120、150mm厚钢板1／4厚度位置的屈服强度和抗拉强度随温度变化的曲线进行拟合(每个温度点含3个试样的试验值)，其中60mm厚钢板屈服强度随温度的变化曲线拟合结果如图8所示，类似地，其他拟合参数结果如表3所示。

表3 厚板强度指标的温度敏感系数拟合结果

3 Z向拉伸试验结果

厚板Z向拉伸试验结果如图9所示。

图9 厚板Z向性能随温度的变化规律

对4种厚度钢板Z向试样的屈服强度和抗拉强度随温度的变化曲线进行了拟合，参数结果如表4。

表4 厚板Z向强度指标的温度敏感系数拟合结果

1)如图9(a)、(b)，厚板Z向拉伸的屈服强度和抗拉强度均随温度的降低而提高，从20～－60℃，增幅分别达8.4%～12.2%和7.5%～10.5%。

2)如图9(c)，Z向断面收缩率随温度的降低而减小，从20～－60℃，降幅达2.4%～4.2%；相同温度下断面收缩率随板厚的增加而减小，从60～150mm，降幅达4.5%～8.4%。

3)厚板Z向断面收缩率是评价其抗层状撕裂性能的指标，Z向断面收缩率越大则抗层状撕裂性能越好，试验结果表明厚板抗层状撕裂性能随温度的降低和板厚的增加而变差。

4 结 论

1)从20～－60℃，厚板的屈服强度和抗拉强度随温度的降低而提高，对于横向试样最大增幅分别为12.5%和9.8%；对于Z向试样最大增幅分别为12.2%和10.5%。

2)从20～－60℃，厚板的断面收缩率随温度的降低而减小，对于横向试样和Z向试样，最大降幅分别为4.8%和4.2%；从60～150mm，断面收缩率随板厚的增加而降低，对于横向试样和Z向试样，最大降幅分别为5.5%和8.4%；Z向试样的断面收缩率略小于横向试样的2.0%～6.3%。

3)从钢板表面至中心，屈服强度和断面收缩率逐渐降低，最大降幅分别为9.5%和4.1%；表明厚板的力学性能在不同厚度位置上存在着差异，厚度中心的材质较差。

4)论文积累了丰富的厚板低温力学性能数据，特别是Z向拉伸的材性数据，可为钢结构厚板工程的设计、施工提供有益参考。

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