王謀淵，吳晚博，曾 翔，曹寶珠

（海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼（屈服應(yīng)力≥460 MPa，以下簡(jiǎn)稱“高強(qiáng)鋼”）有諸多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)約鋼材，降低材料運(yùn)輸及建造成本，節(jié)能環(huán)保；減小結(jié)構(gòu)自重，進(jìn)而減少結(jié)構(gòu)地震作用；減少截面尺寸，進(jìn)而減少焊接工作量及焊接殘余應(yīng)力等［1］.因而，其已被廣泛地應(yīng)用于高層、大跨度和橋梁結(jié)構(gòu)中.鋼結(jié)構(gòu)在服役期間，可能會(huì)面臨火災(zāi)的作用.而鋼材耐火、耐熱性能較差，在較高溫度時(shí)（通常在600℃以上），鋼材強(qiáng)度會(huì)顯著降低，并且在持續(xù)高溫下，鋼材的高溫蠕變會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的性能退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，造成人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失［2?3］.因而，高強(qiáng)鋼的高溫力學(xué)性能（包括高溫蠕變性能）受到廣泛關(guān)注，其對(duì)評(píng)估結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的力學(xué)性能十分重要.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼材的高溫蠕變性能的研究已取得了一些進(jìn)展.Dorn［4］基于Dorn理論提出了Dorn模型，認(rèn)為在恒定應(yīng)力下的蠕變應(yīng)變是應(yīng)力、溫度和時(shí)間的函數(shù).Harmathy等［5?6］對(duì)Dorn理論進(jìn)行了改進(jìn)，提出了Harmathy模型，并對(duì)ASTM A36和CSAG40.12結(jié)構(gòu)鋼以及ASTM A421預(yù)應(yīng)力筋開展了高溫蠕變?cè)囼?yàn)，驗(yàn)證了Harmathy模型的正確性.Williams?Leir［7］分析了Harmathy模型，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合提出了Williams?Leir模型.Findley等［8］基于粘彈性力學(xué)提出了Burger’s模型，但該模型只適用于初始和穩(wěn)定狀態(tài)下的蠕變階段，無法模擬加速階段的蠕變.Brnic等［9?10］對(duì)高強(qiáng)度合金鋼開展了高溫蠕變?cè)囼?yàn)，分析表明Burger’s模型能較好地描述該鋼材高溫蠕變的發(fā)展.Fields等［11］提出了Field&Field蠕變模型，并給出了A36鋼的蠕變模型參數(shù)取值，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.王衛(wèi)永等［12］通過試驗(yàn)研究得到了Q345鋼的高溫蠕變?時(shí)間曲線，建立了其復(fù)合時(shí)間強(qiáng)化蠕變模型和Norton蠕變模型.Wang等［13?14］在300℃~900℃溫度范圍內(nèi)對(duì)Q460和Q690高強(qiáng)鋼進(jìn)行了不同應(yīng)力水平下的高溫蠕變?cè)囼?yàn)，建立了兩種鋼材考慮溫度、應(yīng)力和時(shí)間影響的蠕變模型.王欣欣等［15］通過對(duì)Q550、Q690和Q890三種高強(qiáng)鋼進(jìn)行了一系列的高溫蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明：溫度以及應(yīng)力比對(duì)高強(qiáng)度鋼材蠕變的發(fā)展具有顯著影響.

690 MPa的高強(qiáng)鋼已在高層、大跨及橋梁中有所應(yīng)用，《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 483—2020）已引入了Q690高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)條文.隨著高強(qiáng)鋼材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究的不斷深入，更高強(qiáng)的Q890鋼將具有良好的應(yīng)用前景.因而，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行廣泛的研究十分必要.盡管文獻(xiàn)［15?16］已對(duì)Q890高強(qiáng)鋼的高溫力學(xué)性能及蠕變性能進(jìn)行了研究，但關(guān)于Q890高強(qiáng)鋼的高溫蠕變模型的研究還未見報(bào)道.本文通過試驗(yàn)，得到了Q890高強(qiáng)鋼在不同溫度和不同應(yīng)力比下的高溫蠕變?時(shí)間曲線，通過分析進(jìn)一步獲得Q890高強(qiáng)鋼的高溫蠕變速率曲線以確定其蠕變發(fā)展的各個(gè)階段，然后基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立其高溫蠕變模型，為Q890高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的力學(xué)性能的分析提供基礎(chǔ).

1 高溫蠕變?cè)囼?yàn)

1.1試件設(shè)計(jì)已有研究［15，17?20］表明，溫度和應(yīng)力水平是影響鋼材高溫蠕變的主要因素.由于溫度較低時(shí)，蠕變變形不明顯，試驗(yàn)溫度通常在400℃以上，并且在前期試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，溫度達(dá)到800℃時(shí)，試驗(yàn)采用的視頻引伸計(jì)無法準(zhǔn)確地捕捉到試件上的散斑并進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，因此最高溫度設(shè)計(jì)為700℃.當(dāng)應(yīng)力水平過低時(shí)，試件蠕變變形不明顯，而應(yīng)力水平過高時(shí)，試件在加載階段已經(jīng)發(fā)生斷裂，不符合試驗(yàn)?zāi)康?因而，本文采用表1所示的試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)溫度T為400℃、500℃、600℃和700℃，每一溫度水平下設(shè)計(jì)3種應(yīng)力比α（施加應(yīng)力σ與該溫度下屈服強(qiáng)度之比，屈服強(qiáng)度參考文獻(xiàn)［16］取1.0%殘余應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力），以較好地考察溫度與應(yīng)力對(duì)蠕變的影響.因蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，大多數(shù)研究［17?19］中一組參數(shù)通常設(shè)計(jì)一個(gè)試件，較少的研究［15］設(shè)計(jì)兩個(gè)試件.本研究每組試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)試件，根據(jù)溫度和應(yīng)力比的不同共有12組試驗(yàn)，共計(jì)24個(gè)試件.蠕變?cè)嚰膸缀纬叽缭O(shè)計(jì)如圖1所示.

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖1 試件幾何尺寸（單位：mm）

1.2試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法試驗(yàn)裝置如圖2所示，共由四部分組成：微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)、高溫爐、視頻引伸計(jì)及電腦控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).試驗(yàn)機(jī)加載、高溫爐升溫及視頻引伸計(jì)的應(yīng)變測(cè)量均為軟件系統(tǒng)自動(dòng)控制采集.高溫爐安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)中間（圖2a），可控溫度范圍300℃~1 200℃，其內(nèi)部工作環(huán)境如圖2b所示.試件置于爐內(nèi)，其上下兩端通過銷栓與試驗(yàn)機(jī)相連（圖2b）.試驗(yàn)時(shí)高溫爐閉合，利用視頻引伸計(jì)通過高溫爐的可視窗口對(duì)試件的拉伸應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量.采用高溫漆在試件表面布滿散斑，視頻引伸計(jì)可跟蹤散斑的位移變化，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量.視頻引伸計(jì)包括攝像機(jī)、藍(lán)光燈與配套數(shù)據(jù)采集軟件，其數(shù)據(jù)采集與拉伸試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集過程能實(shí)現(xiàn)同步.

圖2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)，先在無應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)高溫爐進(jìn)行升溫（升溫速度為2.6~7.7℃·min?1），達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后恒溫10 min，使試件溫度均勻分布，此時(shí)試件的熱膨脹應(yīng)變已完成.然后，繼續(xù)保持恒溫，利用試驗(yàn)機(jī)采用力加載（速度為1~15 N·s?1）的方式對(duì)試件施加荷載，至目標(biāo)荷載后保持力恒定（應(yīng)力比恒定），此時(shí)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變也已完成.然后，開始采用視頻引伸計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，直至試驗(yàn)結(jié)束.由于熱膨脹應(yīng)變與應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變已完成，視頻引伸計(jì)測(cè)量的應(yīng)變?yōu)槿渥儜?yīng)變.試驗(yàn)結(jié)束條件設(shè)置為在恒溫恒載條件下試件發(fā)生蠕變斷裂或蠕變時(shí)間達(dá)10小時(shí).在鋼材高溫蠕變的相關(guān)研究中，閆守海［18］、王康［19］均采用試件斷裂或蠕變時(shí)間達(dá)到10小時(shí)作為試驗(yàn)結(jié)束條件，而在王欣欣等［15］和李翔等［20］的研究中，采用試件斷裂或蠕變時(shí)間達(dá)到6小時(shí)作為試驗(yàn)結(jié)束條件.綜上，為在溫度較低、應(yīng)力比較小時(shí)獲取較完整的蠕變?時(shí)間曲線，將10小時(shí)作為試驗(yàn)結(jié)束條件.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象試驗(yàn)中，部分試件發(fā)生斷裂，包括500℃下應(yīng)力比為0.85、600℃下應(yīng)力比為0.65及700℃下的全部試件.斷裂試件可見明顯的頸縮現(xiàn)象.試件經(jīng)高溫蠕變冷卻后，其表面顏色變化明顯.溫度為400℃時(shí)，試件局部呈現(xiàn)紅褐色并帶有金屬光澤，即使應(yīng)力比較大（α=0.95）時(shí)，試件也未發(fā)生斷裂，試件變形較小.500℃時(shí)，試件失去金屬光澤，整個(gè)試件遍布紅褐色，并且局部帶有黑色，斷裂試件變形明顯大于未斷裂試件.600℃時(shí)，碳化現(xiàn)象明顯，試件整體呈黑色略帶紅褐色和白色，試件變形較大.700℃時(shí)，試件整體呈灰色略帶紅褐色和黑色，應(yīng)力比越大，試件斷裂越快.

2.2高溫蠕變?時(shí)間曲線Q890高強(qiáng)鋼在相同溫度不同應(yīng)力比下和相同應(yīng)力比不同溫度下的蠕變?時(shí)間曲線如圖3和圖4所示.圖3和圖4中，橫坐標(biāo)為時(shí)間（t），縱坐標(biāo)為蠕變應(yīng)變（εcr），試件編號(hào)的含義：受熱溫度—應(yīng)力比—試件序號(hào).如400?0.65?01表示：受熱溫度為400℃，應(yīng)力比為0.65的01號(hào)試件.

圖3 相同溫度不同應(yīng)力比下Q890高強(qiáng)鋼高溫蠕變?時(shí)間曲線

圖4 相同應(yīng)力比不同溫度下Q890高強(qiáng)鋼高溫 蠕變?時(shí)間曲線

圖3和圖4所示的蠕變發(fā)展規(guī)律可總結(jié)為圖5所示的典型蠕變曲線.其中，ε為應(yīng)變?cè)黾涌偭?，t為時(shí)間.鋼材在高溫下的應(yīng)變?cè)黾涌偭浚é牛┯蔁崤蛎洃?yīng)變（εe）、應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變（εp）和蠕變應(yīng)變（εcr）組成.蠕變隨時(shí)間的發(fā)展大致可以分為3個(gè)階段：1）第Ⅰ階段（圖5中AB段）又稱瞬時(shí)蠕變階段，該階段蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速率隨時(shí)間增長(zhǎng)而減??；2）第Ⅱ階段（圖5中BC段），又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，該階段蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速率基本保持恒定；3）第Ⅲ階段（圖5中CD段），又稱加速蠕變階段，該階段蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速率急劇增大，直至試件斷裂.根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)的不同，蠕變曲線包含Ⅰ—Ⅱ階段或者同時(shí)包含3個(gè)階段.當(dāng)溫度較低，應(yīng)力比較小時(shí)，蠕變發(fā)展較慢，主要發(fā)展Ⅰ—Ⅱ階段蠕變；當(dāng)溫度較高，應(yīng)力比較大時(shí)，蠕變發(fā)展快，可能進(jìn)入第Ⅲ階段蠕變.

圖5 鋼材典型的高溫蠕變曲線

如圖3所示，相同溫度下隨應(yīng)力比增加，第Ⅰ階段蠕變發(fā)展更快更大，第二階段蠕變來得更早.700℃下應(yīng)力比α達(dá)到0.45時(shí)、600℃下應(yīng)變比α達(dá)到0.55時(shí)和500℃下應(yīng)變比α達(dá)到0.85時(shí)，蠕變均發(fā)展到第Ⅲ階段.從圖4可見，溫度是影響蠕變的非常重要因素.在溫度較低時(shí)（如400℃），即使應(yīng)力比較大，蠕變發(fā)展也相對(duì)小很多.

由圖3、圖4可知，在相同試驗(yàn)條件下，部分蠕變曲線表現(xiàn)出較大的離散性.從微觀上解釋，這可能是由于蠕變?cè)诎l(fā)展的過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因而導(dǎo)致在宏觀上蠕變的發(fā)展有明顯差異.但是在相同試驗(yàn)條件下，兩條蠕變曲線的發(fā)展趨勢(shì)基本相同.通常在相同試驗(yàn)條件下取蠕變發(fā)展程度較大的試件進(jìn)行分析，因無更多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其他已有的相關(guān)研究也是采用該方式處理.表2為同組試件中所測(cè)蠕變?時(shí)間曲線的最大蠕變應(yīng)變.

從表2看出，在相同應(yīng)力比不同溫度的條件下，最大蠕變應(yīng)變會(huì)隨溫度的升高而增加.應(yīng)力比α為0.45和0.65時(shí)，應(yīng)力比越高，相同應(yīng)力比下溫度從600℃增加到700℃導(dǎo)致的最大蠕變差異越小.

表2 Q890高強(qiáng)鋼高溫蠕變應(yīng)變最大值

2.3蠕變速率?時(shí)間曲線及發(fā)展階段劃分圖6為Q890高強(qiáng)鋼各溫度及應(yīng)力比下蠕變速率（ε＇cr）?時(shí)間（t）曲線（紅色虛線、對(duì)應(yīng)右縱坐標(biāo)）.

從圖6可見，蠕變發(fā)展初始階段，速率從快到慢衰減很快，然后進(jìn)入較穩(wěn)定的速率階段，部分試件最后進(jìn)入加速發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)圖5所示的3個(gè)階段.根據(jù)蠕變速率（ε＇cr）?時(shí)間（t）曲線，將各參數(shù)下的蠕變曲線分成3個(gè)階段，如圖6所示.在溫度較低時(shí)（T=400℃所有曲線以及T=500℃，α＜0.85曲線），蠕變曲線只有第Ⅰ階段和第Ⅱ階段，其余情況均進(jìn)入第Ⅲ階段蠕變.

圖6 Q890高強(qiáng)鋼高溫蠕變速率曲線及蠕變3個(gè)階段劃分

3 蠕變模型

現(xiàn)有 的蠕 變模 型 有Dorn模型［4］、Harmathy模 型［5?6］、G.Williams?Leir模 型［7］、Burger’s模 型［8?10］和Field&Field模型［11］等.本文采用Field&Field蠕變模型描述Q890高強(qiáng)鋼的高溫蠕變的發(fā)展.Field&Field蠕變模型包含3個(gè)參數(shù)，且每個(gè)參數(shù)都是溫度的函數(shù)，適用于第Ⅰ蠕變階段和第Ⅱ蠕變階段.基于高溫蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，可擬合得到3個(gè)參數(shù)取值.該模型的表達(dá)式為：

式中：εcr為蠕變應(yīng)變，t為時(shí)間；σ為應(yīng)力；a、b、c分別為與溫度有關(guān)的參數(shù).

表3為通過數(shù)據(jù)擬合后得到的各個(gè)溫度下的Field&Field蠕變模型參數(shù)值，其關(guān)于溫度（T）的參數(shù)模型見式（2）~（4）.去除第Ⅲ蠕變階段，將Field&Field蠕變模型曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比（圖7），結(jié)果表明，二者吻合良好.

圖7 Field&Field蠕變模型曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比

表3 Q890高強(qiáng)鋼Field&Field高溫蠕變模型參數(shù)

圖8為本文Field&Field蠕變模型曲線與文獻(xiàn)［15］蠕變曲線的對(duì)比，可見存在明顯差異.表4和表5分別為本文和文獻(xiàn)［15］中Q890鋼的化學(xué)成分和強(qiáng)度的比較.從表4和表5可以看出，本文與文獻(xiàn)［15］的Q890鋼的化學(xué)成分及強(qiáng)度存在明顯差異.相關(guān)研究［21?27］表明，一些化學(xué)元素及其含量對(duì)鋼或合金的高溫蠕變存在明顯影響.受試驗(yàn)條件的限制，目前針對(duì)元素變化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)鋼高溫蠕變性能影響的研究極少，這一問題值得進(jìn)一步探討.在缺乏大量蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)和Q890鋼高溫蠕變模型的情況下，本文僅結(jié)合文中的試驗(yàn)結(jié)果提出相應(yīng)的蠕變模型，其可靠性有待進(jìn)一步研究，但該模型仍能為描述Q890高強(qiáng)鋼蠕變行為提供一定參考.

表4 本文與文獻(xiàn)［15］Q890鋼化學(xué)成分比較

表5 本文與文獻(xiàn)［15］Q890鋼強(qiáng)度比較

圖8 Field&Field蠕變模型曲線與文獻(xiàn)［15］試驗(yàn)曲線對(duì)

4 結(jié) 論

（1）溫度和應(yīng)力比對(duì)高溫蠕變發(fā)展的程度影響顯著.相同應(yīng)力比不同溫度下，溫度越高，高溫蠕變發(fā)展越充分.相同溫度不同應(yīng)力比下，應(yīng)力比越大，高溫蠕變發(fā)展越充分.

（2）Q890高強(qiáng)鋼在400℃且應(yīng)力比小于0.95時(shí)和500℃且應(yīng)力比小于0.85時(shí)，高溫蠕變發(fā)展僅包含第Ⅰ和Ⅱ階段蠕變.500℃且應(yīng)力比達(dá)到0.85時(shí)及溫度達(dá)到600℃且應(yīng)力比達(dá)到0.45時(shí)，高溫蠕變發(fā)展包含完整的3個(gè)蠕變階段.

（3）400℃時(shí)，即使應(yīng)力比達(dá)到0.95，Q890鋼的高溫蠕變發(fā)展也相對(duì)較小.溫度達(dá)到600℃時(shí)，在0.45的應(yīng)力比下，其高溫蠕變也有很大的發(fā)展.

（4）基于本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到Q890高強(qiáng)鋼的Field&Field高溫蠕變模型，模型與試驗(yàn)曲線吻合良好.