鋼材高溫蠕變性能試驗研究.pdf

1、鋼結(jié)構(gòu)不耐火，在火災下容易提前失穩(wěn)和破壞。鋼材高溫蠕變現(xiàn)象明顯，對結(jié)構(gòu)在火災下的變形產(chǎn)生很大影響。目前，國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計尚未考慮高溫蠕變的影響，因為缺乏成熟的研究成果作為支撐。因此，深入開展鋼材高溫蠕變特性研究十分必要。
　　本文進行了國產(chǎn)低合金Q345鋼和高強度Q460鋼高溫蠕變試驗。以高溫蠕變試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)值擬合得到高溫蠕變模型參數(shù)。利用通用有限元軟件ANSYS，分析了鋼材高溫蠕變對鋼柱抗火性能的影響。主要完成以

2、下幾個方面的工作：
　　(1)常溫材性試驗和高溫蠕變試驗：完成了低合金Q345鋼材12個試件的常溫材性試驗和55個試件高溫蠕變試驗，完成了高強度Q460鋼材10個試件的常溫材性試驗和49個試件的高溫蠕變試驗；常溫材性試驗得到了應力-應變關(guān)系曲線、屈服強度、極限強度、彈性模量和極限應變；高溫蠕變試驗總時間超過1000小時，得到了高溫蠕變-時間曲線；
　　(2)高溫蠕變模型：介紹了目前常見的七種蠕變模型并比較了其優(yōu)缺點；在現(xiàn)有模

3、型的基礎(chǔ)上，通過對鋼材高溫蠕變試驗數(shù)據(jù)的數(shù)值擬合，得到了ANSYS復合時間強化、Norton及Field&Field三種模型的參數(shù)；對比了試驗數(shù)據(jù)與不同蠕變模型擬合結(jié)果，并比較了三種模型的擬合結(jié)果；
　　(3)有限元分析：考慮殘余應力和初彎曲以及高溫蠕變，建立了鋼柱承載力分析的有限元模型，分別進行了低合金 Q345鋼、高強度 Q460鋼常溫承載力分析、熱分析和鋼柱抗火性能分析，得到了鋼柱的常溫承載力、升溫曲線、考慮高溫蠕變的鋼柱屈

4、曲荷載-耐火極限關(guān)系曲線以及屈曲荷載-臨界溫度關(guān)系曲線，并與不考慮蠕變進行了對比。
　　通過試驗和分析得到三個方面的主要結(jié)論：
　　(1)通過高溫蠕變試驗可以發(fā)現(xiàn)：對于低合金Q345鋼和高強度Q460鋼，溫度在400℃以下時，第一階段蠕變占主要比例，第二階段蠕變發(fā)展緩慢；隨著溫度升高，第二階段蠕變占主要比例，第三階段蠕變出現(xiàn)提前，尤其是在高應力水平下，蠕變發(fā)展迅速，容易出現(xiàn)蠕變斷裂現(xiàn)象；特別地，在700℃~900℃范圍內(nèi)，體

5、現(xiàn)出超塑性質(zhì)，韌性增強，具有較好的延伸率；
　　(2)采用不同高溫蠕變模型計算可以發(fā)現(xiàn)：三種模型參數(shù)均能有效預測高溫蠕變，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好；采用由相同試驗溫度的數(shù)據(jù)擬合得到的ANSYS復合時間強化模型、Norton模型的參數(shù)進行鋼柱抗火性能對比分析可知，同種鋼材的耐火極限比較接近，規(guī)律一致；建議優(yōu)先選用Norton模型，其形式簡單、模型參數(shù)較少、計算方便；
　　(3)通過有限元分析可以發(fā)現(xiàn)：有限元驗證模型計算結(jié)果與

6、試驗吻合很好，驗證了有限元模型的正確性；有限元熱分析結(jié)果與四國規(guī)范計算結(jié)果吻合較好，更接近EC3計算結(jié)果；蠕變使處在溫度高于600℃或荷載比在0.5以上的鋼柱的耐火極限明顯降低；在相同溫度、荷載比下，計算結(jié)果表明低合金Q345鋼柱的耐火極限大體上更長；總體上鋼柱的臨界溫度降低2％~17%左右，在相同的荷載比(除0.1和0.9)下，高強度鋼Q460鋼柱的臨界溫度要高10℃~25℃；總之，蠕變使構(gòu)件變形增大，剛度變?nèi)?，失效提前，承載力減小，