论文推荐460FRW抗震耐蚀耐火钢材料性能及抗力分项系数研究

摘 要

我国抗震耐腐蚀耐火钢目前处于初步开发阶段，尚未形成完整的系列，附加特殊性能要求的品种规格尚不配套。目前国内外建筑用钢的发展趋势有以下几个方向：1)高强度化。屈服强度提升至460～690 MPa；2)高性能化。满足大线能量焊接要求，如低屈强比(如 f _Y / f _T ≤0.80)、低屈服强度(如 f _Y <160 MPa)、高伸长率(如 A ≥45%)以及耐火(FR)、耐大气腐蚀(NH)等；3)大型化。如特厚钢板、特厚特高热轧H型钢及特厚钢管。

为适应国内外建筑钢结构行业的迅猛发展，满足钢结构对建筑用钢板力学性能和特殊性能的要求，首钢自主研发了460 MPa抗震耐蚀耐火钢。钢板的屈服强度为460 MPa(简称460FRW钢)。460FRW钢集高强度、高韧性、高延性、高耐火性、高耐腐蚀性和良好的焊接性能于一体，并按国家钢材标准及用户需求(如屈强比和伸长率的附加要求)对不同强度、厚度规格分档设计，主要用于处于易受腐蚀的大型工程中的重要构件(如高层框架的角柱)和重要节点的关键部位(如梁柱连接节点的柱身区段)。

本文以首钢研发的不同规格的460FRW试制钢板为样本试件，对其进行拉伸和冲击试验，对试验数据进行统计分析，为首钢生产的460FRW抗震耐蚀耐火钢用于工程设计时提供设计强度建议值。

本次试验采用的460FRW钢板由首钢提供，厚度规格分别为10，14，20，28 mm。由于研制生产的钢材量少，460FRW钢均取自同一炉钢，试件的多样性和代表性受到限制。对每种厚度的钢板，由首钢取样加工成试件。试样尺寸和加工执行GB/T 2975—2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试件制备》标准。根据钢板的强度级别和试件截面尺寸，使试件的屈服荷载位于试验机名义拉力的30%～60%之间，处于试验机柔度影响的合理范围以内。试验机由计算机自动控制，能自动判别并输出上、下屈服强度和抗拉强度，以便进行材料不确定性分析。

460FRW钢屈服强度的试验数据统计分析见表1。

表1 460FRW钢屈服强度试验数据的统计分析

结构抗力是指结构承受外加作用的能力，影响结构构件抗力的因素很多，主要因素有三种，即：材料性能的不确定性 Ω _M 、几何参数的不确定性 Ω _A 和计算模式的不确定性 Ω _P 。一般可以处理为随机变量，因此结构构件的抗力是多元随机变量的函数 Ω _R ，即：

(1)

式中： μ 为抗力不确定性的平均值； δ 为抗力不确定性的变异系数。

2.1 材料性能不确定性统计参数

结构构件材料性能的不确定性可以采用随机变量 Ω _M 来表示：

(2)

式中： Ω ₀ 为反映结构构件材料性能和试件材料性能差别的随机变量； Ω _f 为反映试件材料性能不确定性的随机变量； f _c 为结构构件实际的材料性能值； f _k 为GB/T 1591—2018规定的材料性能标准值； f _s 为试件的材料性能值。

根据概率论知识，材料性能不确定性的统计特性可以按下式计算：

(3)

结构构件实际材料性能与试件材料性能差别主要考虑为标准试件试验不确定性。影响标准试件试验不确定性的主要因素有试验加载速度和试验机柔度。

金属材料在一定的拉伸加载速度下，其强度会随着加载速度的提高而增大。因此，要得到钢材在实际工作环境中屈服强度的近似值，应尽量控制试验的加载速度。

在实际使用条件下，钢结构构件长期处在承受较稳定的荷载变化环境中，应以准静态加载来考虑；但实验室对试件的拉伸试验则不然。我国GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[2]对钢材试件的拉伸方法作出了比较详细的规定，要求试验时，钢材应力速度保持在6～60 MPa/s的范围内；在只测定下屈服强度时，试样平行长度的屈服期间应变速率应保持在0.00025～0.0025 s ^-1 之间，且尽可能保持恒定。由此可见，GB/T 228.1—2010对试验加载速度的控制和准静态有一定差别。另外，GB/T 228.1—2010中应力速度要保持在6～60 MPa/s的规定是针对弹性模量大于1.5×10 ⁵  MPa的金属材料，建筑钢材只是这些材料中的一小部分，用6～60 MPa/s的变动范围作为测量建筑钢材屈服强度的标准，区间过大，针对性不强。

另外，在测定钢材强度时，将试验机和试件视为一个系统，两者共同变形，从能量角度上分析，也可得到试验机测定的结果和所使用的试验机刚度存在较大关系：当试验机刚度大，且性能稳定时，所测得强度值较小，反之则较大。在钢材性能试验中，国产试验机与国外先进试验机的试验结果也存在差异，有时这种差异还不能被忽略。

在GB 50017—2017《钢结构设计标准》修编时，曾对加载速度和试验机柔度的影响进行过系统研究。取牌号为Q235B、Q345C和Q420C三种建筑钢材、3种厚度(10，16，30 mm)的7种钢板作为试验材料(其中Q420C只取30 mm厚)，以1，17，50 MPa/s三种加载速度进行拉伸试验，得到260组有效数据。分析试验数据得出加载速度影响系数的统计参数，即：平均值 k ₁ =0.987，变异系数  V ₁ =0.056 8。

取牌号为Q235B和Q345C的两种建筑钢材、2种厚度(10，16 mm)的4种钢板在刚度不同的3种试验机上进行拉伸试验，得到64组有效数据。分析试验数据得到试验机柔度影响系数统计参数，即：平均值  k ₂ =0.9527，变异系数 V ₂ =0.0100。

在钢材拉伸试验中，若只考虑上述两方面对试验不确定性因素的综合影响来表示结构构件实际材料性能与试件材料性能差别不确定性 Ω ₀ ，假定试验加载速度影响因素和试验机刚度影响因素之间相互独立，则由线性法则易得 Ω ₀ 的均值 μ _{Ω 0} 和变异系数 δ _{Ω 0} (等于标准差与平均值的比值)的计算式：

(4)

故可得结构构件材料性能和试件材料性能差别的随机变量统计参数，即 μ _Ω0 = 0.940, δ _Ω0 =0.0577。

根据第1节对460FRW钢材料屈服强度的统计分析，得到试件材料性能不确定性统计参数 Ω _f 见表2。

表2 试件材料性能不确定性统计参数

根据式(3)计算得到460FRW钢材料性能不确定性统计参数 Ω _M ，见表3。

表3 460FRW钢材料性能不确定性统计参数

2.2 几何特性不确定性统计参数

结构构件几何特性的不确定性，主要是钢材厚度偏差、制作尺寸偏差和安装误差等引起的构件几何特性的变异性，它反映了所设计的构件和安装后的实际构件间几何特性上的差异。对一般构件而言，主要考虑截面几何特性的不确定性，而其他因素对结构性能的影响较小。通过钢板厚度测定数据(10 541组)和热轧型钢(H型钢和普通型钢)、焊接H型钢及焊接箱形构件的板厚、截面高度和宽度测量数据(共53700余组)计算几何特性(截面面积、惯性矩、抵抗矩、回转半径)，确定截面几何不确定性变异系数。再通过误差传递原理分析几种常见的构件截面几何特性。

结构构件几何参数的不确定性可用 Ω _A 来表达：

(5)

式中: A 为结构构件几何参数的实际值； A _k 为结构构件几何参数的标准值，一般取为设计值。

Ω _A 的统计参数 μ _ΩA 、 δ _ΩA 由下式表达：

(6)

式中： μ _A 为结构构件的几何参数平均值； σ _A 为结构构件几何参数的标准差。

在以下的抗力分项系数分析计算时，沿用文献[3]的研究成果，按厚度分组取用构件截面几何特征统计参数，如表4所示。

表4 构件截面几何特性统计参数

2.3 计算模式不确定性统计参数

结构构件计算模式的不确定性，主要是指抗力计算所采用的基本假定和计算公式不精确等引起的变异性。一般可通过与精确模式的计算结果相比较，或与试验结果相比较来确定。

表5列出的是结构构件计算模式不确定性的统计参数，为现行钢结构设计规范采用的数据。

表5 计算模式不确定性统计参数

2.4 抗力不确定性统计参数

综合材料性能、几何和计算模式三种不确定性统计参数，根据式(1)计算得到460FRW钢的抗力不确定性统计参数 Ω _R ,见表6。

表6 抗力不确定性统计参数

工程中通常将各种荷载处理为平稳的二项随机过程。荷载的不确定性可由其平均值和标准值之比来表达。荷载不确定性也是一个随机变量，可以用符号 Ω _L 来表示。根据现有的研究成果，工程中常见荷载的 Ω _L 的基本统计参数如表7所示。

表7 常见荷载的不确定性统计参数

结构构件的可靠度按规定采用可靠度指标度量。当建筑结构安全等级为二级时，延性破坏承载力极限状态的可靠度指标 β 应不小于3.2。在给定目标可靠度指标 β 后，根据我国GB 50009—2017《建筑结构荷载规范》的规定，选取由可变荷载效应控制的组合：1.3×恒载+1.5×活载(住宅)，以及永久荷载效应控制的组合：1.35×恒载+1.4×0.7×活载(住宅)。由于住宅的活载比办公楼活载更为不利，因此本文仅列出计算住宅楼活载的情况。按照给定的设计表达式及各荷载分项系数和荷载组合系数，采用与文献[3]计算钢材抗力分项系数相同的方法，求出恒、活荷载比 ρ 分别为0.25、0.50、1.00、2.00时，满足精度要求的抗力分项系数 γ _R 。

表8列出了460FRW钢典型构件轴拉、轴压、偏压(弯矩作用在平面内、外)和型钢梁(弹性和塑性破坏)在四种荷载比 ρ 下的抗力分项系数。

表8 460FRW钢抗力分项系数

可以看出，当荷载比 ρ =2.00时，型钢梁弹性破坏(对应强度或稳定应力超限)的抗力分项系数最高，以此作为460FRW钢抗力分项系数的统计分析值，得出460FRW钢的建议强度设计指标见表9。

表9 460FRW的建议设计强度指标

注：1)钢材屈服强度标准值和抗拉强度最小值由材料标准规定，均为下屈服强度；2)钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值等于屈服强度标准值除以抗力分项系数后得出，即 f = f _y / γ _R ；3)抗剪强度由 计算得出；4) f _ce = f _u /1.175(用于Q345及其以上牌号钢材)；5)GB 50017—2017编制时，未收集到≤16 mm和>16～40 mm厚度组Q460钢的材性数据，由>40 mm厚度组的数据外推得出。经对首钢试制板试验数据分析后，≤16mm厚度组所取的抗力分项系数(1.125)偏小，抗力分项系数应取为1.170；>16 ～ 40 mm厚度组460FRW钢采用设计规范取用值1.125；6)460FRW只适用于首钢生产的钢板，对其他钢厂同牌号产品仅供参考。

因460FRW钢为本次研制、试验和统计分析的新钢种，钢材量少、规格不齐、试验数据较少，故设计指标仅限于首钢生产的产品试样，可为其他钢厂同牌号产品钢材提供参考。

通过对460FRW钢的试验数据分析，得出试件钢板的材料不确定性统计参数。综合材料性能、几何和计算模式三种不确定性统计参数，计算得到460FRW钢抗力不确定性统计参数，并按照给定的设计表达式及各荷载分项系数和荷载组合系数，采用与GB 50017—2017《钢结构设计标准》修编时计算钢材抗力分项系数相同的方法，求出满足精度要求的抗力分项系数，进一步得出了460FRW钢的建议设计强度取值，即抗拉、抗压、抗弯设计强度为400 MPa，抗剪设计强度为230 MPa。