建筑钢结构耐火钢焊接箱形截面残余应力试验研究

张吉玄

（山西八建集团有限公司，山西 太原 030027）

0 引言

钢结构具有重量轻、强度高等优点，但普通结构钢的强度和弹性模量随着温度的升高而迅速下降，会导致钢结构在火灾下的倒塌[1-2]。为了改善钢的高温力学性能，耐火钢（FRS）被提出和开发，FRS 主要用于提高钢结构火灾时的耐火性。通常加入Mo、Nb、Si、Cr 等合金元素以提高高温下的钢强度[3]，为降低成本，保证材料的高温强度，研制了一种新型高强度FRS。

目前，FRS 构件主要用作型材料，在焊接过程中，由于焊接构件板的温度场不均匀，导致其膨胀和收缩不均匀。在冷却至室温后，焊接试样内部锁定自平衡内应力，称为焊接残余应力。由于钢具有良好的延性，其内部的自平衡残余应力构件不会影响焊接截面的抗拉性能。然而在压缩条件下，残余应力的存在会导致钢构件过早屈服，从而影响钢构件的局部和整体屈曲行为[4-5]。为了保证FRS 在钢结构中安全有效的应用，本文对FRS 焊接箱形截面残余应力的大小和分布进行研究与分析。

1 FRS的力学性能

采用3组试验研究FRS在室温、高温下的材料性能和火灾后的力学性能。所有拉伸试样均采用Q345FR和Q460FR钢制造。

1.1 室温下的机械性能

试验采用标称厚度为10mm 和20mm 的Q345FR 和Q460FR 钢板。用10mm 厚的钢板制作残余应力试件，用20mm厚的钢板制作圆形棒材试件，以测试高温和火灾后的力学性能。在每个试样的中长处附有一个伸长计，以获得纵向应变。根据《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2010），FRS 室温拉伸试验采用两级加载速率控制。第一阶段采用应变速率控制，应变速率为0.003/min。当应变达到0.012 时，采用位移速率为0.26mm/min 的位移控制模式，直至第二阶段破坏。两种等级耐火钢的室温平均应力-应变曲线如图1 所示，可以看出在室温下，标称厚度为10mm的钢板剪切拉伸试件的强度低于标称厚度为20mm 的钢板剪切拉伸试件。

图1 Q345FR和Q460FR在室温下的应力-应变曲线

1.2 高温下的机械性能

采用稳态试验方法研究了复合材料在高温下的力学性能，用标称厚度为20mm的Q345FR和Q460FR钢板切割制作拉伸卷片。加载前，将试样加热至目标温度，升温速率为10℃/min，并保持15min的高温电子材料试验机。在加热过程中，夹紧试件的上端，松开另一端，直至试件达到目标温度。然后在保持目标温度的情况下，加载试件直至失效，加载速率与室温拉伸试验相同。将K型热电偶插入高温炉中，连接在试件中间，测量炉膛内和试件内的空气温度。用高温伸长仪测量了试件的变形，目标温度分别为200℃、300℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃和800℃。在每个目标温度下重复测试2次，图2为Q345FR和Q460FR试样在高温下的拉伸应力-应变曲线。

图2 Q345FR 和Q460FR 钢在高温下的应力-应变曲线

1.3 FRS火灾后力学性能

为评价FRS 的火灾后力学性能，以标称厚度为20mm 的Q345FR 和Q460FR 钢板为材料，切割并制作了拉伸卷片，拉伸试样的尺寸和目标温度与高温下力学性能研究的试样相同，在每个目标温度下重复测试2次。将试样放入高温炉中，以10℃/min 的速率加热，恒温保存15min 后达到目标温度，保证炉膛内温度均匀。在加热过程中，夹紧试样两端，然后将试样从炉膛中取出，置于空气中自然冷却至室温。在室温下进行拉伸试验，拉伸试验中位移控制速率为2mm/min。本次试验得到的Q345FR 和Q460FR 火灾后应力-应变关系曲线分别绘制在图3 中，由于芯材成分的不同，在高温和火灾后，FRS 的力学性能可能与CSS 不同，这说明它们之间的残余应力存在差异。

图3 Q345FR和Q460FR钢暴露在不同温度下的应力-应变曲线

2 焊接残余应力的测量

2.1 残余应力试件的设计

用10mmQ460FR和Q345FR钢板作为拉伸夹头，制作了6 个试件，用于测量FRS 的残余应力分布。“Q460FR”表示FRS 的名义屈服强度为460MPa；“-R”表示主要研究对象的残余应力；“-B”代表箱体截面；“-20”表示试件的宽度与厚度之比。每个试样由4 个用火焰从母板上切割下来的10mm厚的板组成，采用坡口对接焊方法，通过气体弧焊连接试件的翼缘和腹板。焊缝和焊脚的尺寸与板的厚度一致。制造过程中使用了BHG-2焊丝。

2.2 切片方法

采用切片法将箱形截面分成小条，试样采用低热输入线电极切割加工，由于切削过程中及时冷却，热影响可以忽略不计。分割后，锁定在盒状切片上的残余染色剂被完全释放。

2.2.1 确定切割条的宽度，钻标准孔

切削前对试样进行钻孔和编号，宽度B 为220mm的试件，法兰板切成22 条，腹板切成20 条；宽度B 为110mm 的试件，每个法兰板切成11 条，腹板切成9 条。因此，每条切割带的宽度约为10mm。宽度B 为155mm的试件，每个法兰板切成17条，每个腹板切成15条，因此带材切割的宽度约为9mm。

2.2.2 切片前测量

使用长度为150mm 的Whittemore 应变片测量孔间距离，每条测量3 次，若3 次测量误差不超过0.005mm，取其平均值作为初始长度。为了考虑温度变形，在测量每条带材之前和之后记录一个参考棒的长度，截面前的初始长度为r1，温度基准杆的对应长度为t1。

2.2.3 切片后测量

箱形截面试样的组成板被切成小条。再次测量每条带材的孔距，并记录为r2。同时记录相应的温度基准棒长度为t2。

2.3 计算方法

用切片法测量单个带材的释放应变ε，可由式（1）求得，其中l为两规孔之间原标记的长度，l=l0+r1，Δt=t2-t1。l0为Whittemore应变片的应变长度（150mm）。

残余应力由式（2）中的胡克定律得到：

观察到切片后位于焊缝附近的部分带材出现弯曲变形，考虑到弯曲变形的影响，通过测量弯曲带的偏移量来修正残余应变。修正公式如式（3）所示，其中ε′为修正后的残余应变，η为最大弯曲位移。当η/l不超过0.001时，不需要进行修正。

3 试验结果与讨论

3.1 残余应力测试结果

6个试件的实测残余应力大小如表1所示，表中列出了每种规格的拉伸区和压缩区残余应力的平均大小。Q460FR-R-B-20 试样的最大残余拉应力为253.7MPa。Q345FR-R-B-9 试样的最大残余压应力为-74.7MPa。

表1 平均残余应力

3.2 残余应力模型

根据试验结果，对Q345FR 和Q460FR 制造的焊接箱形截面柱提出了简化的残余应力模型，如图4所示。残余应力与屈服强度比对于揭示残余应力对受压钢构件屈曲行为的影响更为重要。因此，简化模型以残余应力与屈服强度之比给出。

图4 Q345FR和Q460FR的简化残余应力模型

3.3 强度影响

与Q345FR 钢板相比，Q460FR 钢板的厚度比具有更低的拉伸残余应力比。从图3 可以看出，Q460FR 钢高温暴露在750~800℃后，火后抗拉强度下降了21%。对于Q345FR 钢，火灾后抗拉强度相应降低12%，这很好地解释了Q460FR 焊接箱形截面与相同宽厚比的Q345FR 焊接箱形截面相比，具有较低的残余拉应力比。Q460FR 钢焊接箱形截面由于残余应力的自平衡，b/t为20、13.5 和9 时的压缩残余应力比Q345FR 钢焊接箱形截面分别降低了5.7%、6.4%和13.6%。对于测试的耐火钢，钢级越高，其残余压应力比越低，对柱的屈曲性能的危害越小。

4 结束语

本文对Q345FR 和Q460FR 钢板6 个焊接箱形截面的残余应力分布进行了试验研究，用切片法测量了焊接箱形截面的残余应力。结果发现：Q460FR 钢焊接箱形截面的拉、压残余应力平均值分别为253.7MPa、221.8MPa、156.7MPa和-63.6MPa、-68.6MPa和-75.5MPa，对应的宽厚比分别为20、14 和9。Q345FR 钢焊接箱形截面的拉、压残余应力平均值分别为233.2MPa、211.2MPa、181.5MPa 和-60.8MPa、-66.6MPa、-74.7MPa，宽厚比为20，14 和9。在相同宽厚比条件下，Q460FR 的残余拉压应力比低于Q345FR。通过对不同宽厚比的FRS 焊接箱形截面的残余应力进行比较，发现随着宽厚比的增大，残余压应力比减小。此外，基于试验结果，本文提出了一种新的简化的FRS 焊接箱形截面残余应力模型，有助于快速进行钢结构的残余应力分析。