正面角焊缝连接高温后的强度试验

朱美春，程 亮，李国强，王 英

1)上海师范大学建筑工程学院，上海201418；2)中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071；3)同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092



【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

正面角焊缝连接高温后的强度试验

朱美春1，程 亮2，李国强3，王 英1

1)上海师范大学建筑工程学院，上海201418；2)中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071；3)同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092

为研究高温过火对正面角焊缝残余强度的影响规律，对43个Q345B钢材双盖板正面角焊缝连接试件进行高温冷却后的拉伸试验.试件统一设计为正面角焊缝发生断裂，试验参数为过火温度和冷却方式，其中过火温度介于200～900℃，冷却方式包括自然冷却和泼水冷却.结果表明，高温自然冷却后正面角焊缝破坏面角度平均值为19°, 泼水冷却后为16°, 与理论值45°相差较大；正面角焊缝残余强度随过火温度的升高而下降，泼水冷却情况下强度降低更显著, 最大降低幅度达到37%；采用三直线模型计算高温后残余强度降低系数，计算结果与试验值吻合良好.可供火灾后钢结构安全性鉴定参考.

结构工程；钢结构；焊缝连接；正面角焊缝；强度实验；高温过火；安全性鉴定；冷却方式

建筑火灾发生频繁而且对钢结构危害严重，但在实际工程中，钢结构通常会采取防火保护措施，同时随着科技的进步和经济的发展，控火灭火能力也有了很大的提升，因此在绝大多数火灾中，钢结构并未受到根本性的破坏.尽快开展钢结构火灾后安全性鉴定，恢复这些建筑物的使用功能，对于减小火灾后的间接经济损失意义重大．

焊缝连接是现在钢结构最主要的连接方法，其常温及火灾下的受力性能已有大量研究成果[1-5]可供参考，而火灾后受力性能的研究却相对较少．陈建锋等[6]进行了Q235B钢材正面角焊缝连接高温后受力性能试验研究，发现常温下发生钢板母材拉断试件的情况，当过火温度超过500℃，试件全部发生角焊缝脆性断裂情况．Kathryn[7]对A588钢材正面角焊缝连接高温下及高温后受力性能进行研究，发现过火冷却后正面角焊缝强度较常温下的强度有所提高，由于该研究以高温下试验为主，高温后试件数目很少，结论还有待验证．Hanus等[8]进行了S355JR钢材对接焊缝连接高温过火后拉伸试验，发现当过火温度超过800℃时，焊缝高温冷却后强度较常温时下降20%．

综上所述，目前国内外关于焊缝连接高温后受力性能的试验数据仍很少，需要进一步开展深入系统的研究．本研究针对中国钢结构工程中常用的Q345B钢材，系统开展了对接焊缝、侧面角焊缝和正面角焊缝高温后受力性能的试验研究，由于对接焊缝[9]和侧面角焊缝[10]的研究成果已先后发表，本研究主要给出Q345B钢材正面角焊缝高温后强度试验研究的成果．

1 试验概况

1.1 试件设计

试件采用双盖板接头试样，根据文献[11]的相关规定确定，试件尺寸如图1(a).为避免起弧和灭弧的不良影响，所有试件采用线切割方法从整块样坯中取样加工，取样位置如图1(b).

图1 试件示意图(单位：mm)Fig.1 Specimen diagram(unit：mm)

每个试件内有4条正面角焊缝，为了测量和试验观察的方便，试件统一设计为左侧两条正面角焊缝处断裂，因此左右两侧焊脚尺寸取值不同，分别为5mm和10mm.钢板采用Q345B钢，焊接方法为CO2气体保护焊，焊材采用ER50-6型焊丝, 其原材料化学成分及力学性能见表1．

试验共包括43个试件，主要的试验参数为过火温度和冷却方式.过火温度在200～900℃，含7个温度点，每个温度点均为3个试件(900℃为2个试件)，另外还进行了常温试验作为对比.冷却方式包括自然冷却和泼水冷却．试件分组情况见表2.其中，lw1和lw2为两条焊缝的长度；hf1和hf2为两条焊缝的焊角尺寸；θ1和θ2为两条焊缝实测破坏角度.

1.2 试验方法

试验在同济大学抗火试验室进行，包括高温过火模拟、冷却和冷却后拉伸3部分，采用的试验设备有电炉和1000kN级万能试验机(图2)．

表1 焊丝化学成分及熔敷金属力学性能Table 1 Chemical components and mechanical behavior of the doposited metal

图2 试验装置图Fig.2 (Color online) Test set-up

试验步骤如下：

1) 在距试件两端130mm处和试件中间各布置1个K型热电偶以监测试件温度.将试件放入电炉内加热，待达到指定温度后恒温60min，使试件充分、均匀受热.

2) 冷却．采用自然冷却和泼水冷却两种方式.对于自然冷却试件，直接置于电炉内冷却至室温；对于泼水冷却试件，从电炉中取出后在试件表面淋水，冷却至室温，模拟消防灭火降温过程.

3) 冷却后拉伸试验．在上下盖板上对称黏贴2个应变片以考察角焊缝连接试件的受力均匀性.使用0.01mm电子游标卡尺测量试样实际尺寸，将试件安装到万能试验机上进行抗拉试验，直至试件破坏，测量拉力-变形关系曲线.试件被破坏后，对角焊缝断裂面尺寸及角度进行测量，测量值见表2.

2 结果及分析

2.1 试验现象及破坏特征

所有试件均发生了角焊缝断裂，但需要说明的是，由于焊缝尺寸较小，焊接时难以准确控制，部分试件焊缝尺寸比较均匀，两侧焊缝同时发生破坏；大部分试件两侧焊缝先后破坏，由于承受了偏心荷载作用，后破坏一侧的钢板产生了明显的翘曲.试件破坏形态见图3.

图3 试件破坏形态Fig.3 (Color online) Failure modes of specimens

焊缝破坏截面的角度通过描图法确定，如图3(a)，实测值见表2.自然冷却时所有试件破坏截面角度平均值为19°，泼水冷却时为16°，均小于常温下的平均值22°.但是破坏截面角度与高温过火温度之间未发现明显变化规律.角焊缝实际破坏截面与45°理论破坏截面相差较远，原因是正面角焊缝是在切应力和正应力共同作用下破坏的，角焊缝的断裂方向是切应力和正应力按某种规律合成后的合成应力最大的方向[12].

文献[10] 报道了侧面角焊缝高温后受力性能试验结果, 侧面角焊缝断面与钢板平面的夹角基本呈45°, 这表明侧面角焊缝是在切应力作用下破坏的．在现行钢结构设计规范中, 正面角焊缝和侧面角焊缝的强度计算均采用45°截面作为计算截面, 这对正面角焊缝来说是偏于保守的.

2.2 过火温度对正面角焊缝残余强度的影响

正面角焊缝残余强度 fu可由试件承受的极限荷载Fu和断裂面积Af计得[7].为了比较按理论断裂面和实际断裂面计算所得残余强度的差异，焊缝高温后理论断面和实际断面的残余强度分别采用式(1)和式(2)计算：

(1)

(2)

对比由式(1)和式(2)计算所得正面角焊缝高温后残余强度可以发现，设计时采用45°理论破坏截面进行正面角焊缝承载力计算会更保守，对于自然冷却试件安全系数提高约12%，对于泼水冷却试件该数值为15%.

定义由实际断裂面计算所得正面角焊缝连接试件高温后的残余强度与常温下的强度之比为强度变化系数, 如式(2)，其数值在表2中给出.强度变化系数随高温过火温度的变化规律如图4.由图4可知，对于自然冷却方式，最高过火温度不超过500℃时，强度变化不明显，降低幅度小于5%；最高过火温度超过500℃以后，残余强度开始明显降低，700℃时降低幅度达到27%；在700～900℃温度范围内，残余强度保持稳定．泼水冷却情况下强度系数波动性较大，过火温度为200℃时残余强度下降27%，随后残余强度有所回升，在过火温度为700℃时残余强度达到最低，降低幅度为37%；过火温度超过700℃以后，残余强度又有所回升．

表2 正面角焊缝连接试件试验参数及试验结果Table2 Parameters and test results of transverse fillet weld specimens

(续表2)

图4 高温后正面角焊缝强度变化系数Fig.4 (Color online) Residual strength of transverse fillet weld after fire

虽然两种冷却方式下正面角焊缝残余强度的降低幅度有所不同, 但降低幅度最大时对应的过火温度都是700℃, 该结果与对接焊缝[9]、侧面角焊缝[10]的试验结果一致．导致这个结果的原因是钢材在723℃时微观组织处于不稳定变化状态，当试件的过火温度大于723℃时，试件受力后微观组织重组，刚性增强，强度有所回升．

2.3 正面角焊缝与侧面角焊缝残余强度关系

常温下直角焊缝的强度和荷载作用方向有关.文献[13]规定任意角度θ的角焊缝强度设计值(fu,θ)与侧面角焊缝(θ=90°)的强度设计值fu, 90°关系为[13]

fu,θ=(1+0.5sin1.5(90°-θ))fu, 90°

(3)

对于正面角焊缝，通过式(3)可以得到常温下正面角焊缝与侧面角焊缝的强度比为1.50.本试验测得的正面角焊缝常温下强度平均值为748.9MPa (表2)，文献[10]中侧面角焊缝常温下强度平均值为502.2MPa, 两者比值为1.49, 与式(3)计算值1.50吻合.

图5为过火温度在200～900℃时, 自然冷却和泼水冷却情况下正面角焊缝与侧面角焊缝残余强度的相对关系.

图5 正面和侧面角焊缝高温后残余强度关系图Fig.5 (Color online) Relationship between residual strength of transverse and longitudinal fillet welded connections after fire

从图5可见，试验数据大致均匀的分布在1.3倍直线两侧, 进一步对试验数据进行回归分析，得出高温后正面角焊缝与侧面角焊缝残余强度比的均值为1.31，标准差为0.131，与式(3)计算值1.50相差较大.从上述分析可见，式(3)不适用于高温过火后正面角焊缝与侧面角焊缝残余强度比值的计算．

3 高温后正面角焊缝强度简化计算方法

两种冷却方式下正面角焊缝强度变化有所不同，但是考虑到工程应用的方便，进行残余强度计算时，暂不区分冷却方式．根据试验结果，偏于安全地取各试件强度值的下限拟合公式，得到以下正面角焊缝经过200～900℃高温后残余强度计算公式为

(4)

其中，t 为正面角焊缝连接的最高过火温度；fu,t为正面角焊缝高温后抗拉强度；fu,0为常温下正面角焊缝抗拉强度.利用式(4)计算各过火温度下残余强度，可见公式计算值与试验值吻合良好(图6).

图6 试验值与公式计算值的比较Fig.6 (Color online) Comparison between test data and calculated values

4 结 论

1) Q345B钢材正面角焊缝连接高温过火后自然冷却时焊缝破坏截面角度平均值为19°，泼水冷却时为16°，实际破坏面与45°理论破坏面相差较远.两种冷却情况下采用理论破坏面计算正面角焊缝抗拉强度将使其安全系数分别提高12%和15%.

2) Q345B钢材正面角焊缝残余强度随过火温度的升高而降低，冷却方式对正面角焊缝残余强度有影响，总体来看泼水冷却情况下焊缝残余强度降低幅度更大．

3)正面角焊缝与侧面角焊缝高温后残余强度的比值为1.31，与常温下的比值1.50相差较大.

4)本研究采用三直线模型来计算高温过火后正面角焊缝残余强度降低系数，计算结果与试验值吻合良好，可用于火灾后焊接钢结构安全性评定.

实际结构在经历火灾时同时承受荷载作用，焊接节点处的应力水平对其火灾后受力性能有所影响，下一步将开展升温时承受荷载的钢结构正面角焊缝连接火灾后受力性能的研究.

/ References：

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[13] AISC 360—05.Specification for structural steel buildings[S].

【中文责编：坪 梓；英文责编：之 聿】

Experiment on strength of transverse fillet weld connections after high temperature treatment

Zhu Meichun1†, Cheng Liang2, Li Guoqiang3, and Wang Ying1

1) College of Civil Engineering, Shanghai Normal University, Shanghai201418, P.R.China 2) Central Southern China Electric Power Design Institute, China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071,Hubei Province, P.R.China 3) State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai200092, P.R.China

We investigate the effect of heating and cooling on strength of transverse fillet weld connections by tensile test.Fourty-three connection specimens made up of four Q345B steel plates and with four transverse fillet welds were heated to a specified target temperature, then cooled to the ambient temperature, and finally loaded to failure.Experimental parameters are the heating temperature and the cooling method.Seven temperature levels from200℃ to 900℃ and two cooling methods including natural cooling and water cooling were chosen.Experimental results show that the average value of fracture angles is 19° for natural cooling specimens, and the value is 16° for water cooling specimens, both quite different from the theoretical value 45°.The post-fire residual strength reduces with the increase of the heating temperature, and generally water cooling leads to higher degradation in strength than natural cooling, whose maximum reduction rate reaches 37%.Tri-linear model is proposed to calculate the variation factor of the post-fire residual strength.The calculated value matches well with the experimental result, which can provide reference for safety identification of steel structures after fire.

structure engineering; steel structure; welded connection; transverse fillet weld; strength experiment; high temperature annealing; safety identification; cooling method

TU 391；TU 502+.6

10.3724/SP.J.1249.2016.06620

国家自然科学基金资助项目(51108265)

朱美春(1979—)，女，上海师范大学副教授、博士．研究方向：钢结构抗火．E-mail：meichunzhu@163.com

引 文：朱美春，程 亮，李国强，等．正面角焊缝连接高温后的强度试验[J].深圳大学学报理工版，2016，33(6)：620-626.