钢结构厚板的冲击韧性研究_叶兵.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 5 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 5 2020 基金项目国家自然科学基金 51568029 收稿日期2018 －09 －07修改稿收到日期2018 －10 －16 第一作者 叶兵 男， 硕士生， 1992 年生 通信作者 李睿 男， 博士， 副教授， 1974 年生 钢结构厚板的冲击韧性研究 叶兵1，李睿1，罗仕庭2，胡贤群2，李晓章1 1． 昆明理工大学 建筑工程学院，昆明650000; 2． 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650000 摘要随着钢材在我国大跨度桥梁工程中广泛应用， 钢材板厚也日益增加。对于厚板钢材， 厚度增大使钢板的 应力应变状态发生变化， 中心偏析现象严重， 更容易降低钢板厚度方向的韧性， 且在低温环境下， 这种现象表现尤为突出。 而现行相关规范缺乏对厚钢板冲击试验规定。根据厚板低温冲击韧性试验数据， 对钢板厚度变化对冲击韧性影响进行了 探讨， 并且利用 Boltzmann 函数对试验结果进行拟合， 为钢结构厚板工程中冲击韧性取值提供参考作用。 关键词钢结构厚板;冲击韧性;韧脆转变温度;低温 中图分类号U444文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 05． 037 Impact toughness of thick steel plates YE Bing1，LI Rui1，LUO Shiting2，HU Xianqun2，LI Xiaozhang1 1． Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650000，China; 2． Kunming Engineering Corporation Planning Limited Power China，Kunming 650000，China Abstract At present，steel products are widely applied in long- span bridge engineering of our country，thickness of steel plate day- to- day increases． Increase in steel plate’ s thickness causes change of its stress- strain state and serious central segregation phenomena to more easily reduce toughness in steel plate’ s thickness direction，this phenomenon is particularly prominent under low- temperature environment． The current code lacks provisions for impact tests of thick steel plates． Here，according to test data of low- temperature impact toughness of thick steel plates，effects of steel plate’ s thickness variation on its impact toughness were explored． Boltzmann function was used to fit test results． The study results provided a reference for choosing impact toughness value of thick steel plates in engineering． Key wordsthick steel plate;impact toughness;ductile- brittle transition temperature;low temperature 随着国民经济迅速发展， 钢材产能保持长期快速 增长态势， 钢材已经成为一种常用建筑材料， 被广泛应 用到超高层建筑、 大跨度桥梁中， 导致对厚板钢材需求 日益增加。随着厚度的增加， 钢板中裂纹或类裂纹缺 陷尖端的应力应变状态由平面应力向平面应变转变， 约束增加而使脆性断裂倾向增大［1 ］。加上我国北部地 区气候严寒， 最低气温在 －40 ℃以下， 低温环境下厚钢 板冲击韧性会表现得更差， 从而更容易发生脆性断裂。 基于上述情况， 对结构钢厚板低温下， 脆性断裂研究具 有重要现实意义。 由于冲击韧性试验简单、 成熟， 而且冲击韧性指标 在一定程度上能够反映钢材抵抗断裂的能力， 因此在 钢结构工程中得到了广泛应用 ［2 ］。贾单峰等［3- 7 ］做了 大量结构钢厚板低温冲击韧性试验研究， 得出厚钢板 的冲击韧性随温度降低， 板厚增大以及沿板厚方向由 表面到中心的位置变化而降低， 但没有具体指出工程 中， 对于结构钢厚板冲击韧性如何取值。本文通过相 关试验数据， 提出对结构钢厚板冲击韧性简化计算方 法， 为工程相关试验， 提供一定参考价值。 1冲击试验概况 1． 1试验钢材温度和厚度选取 我国北方大部分地区， 冬天最低气温均在 － 40℃ 左右， 故试验温度选 20 ℃， 0 ℃，－20 ℃，－ 40 ℃四 个温度点。在桥梁工程中， 厚板钢材主要用于主桁杆 件、 箱梁等， 厚板一般在 40 ～ 80 mm， 典型的桥梁工程 如表 1 所示。故试验钢材板厚选 60 mm， 90 mm， 120 mm 三种厚度尺寸。 1． 2化学成分分析 本文试验根据 GB/T 2292007金属材料夏比摆 ChaoXing 表 1国内外典型的桥梁钢结构厚板工程 Tab． 1Typical bridge steel structure thick plate engineering at home and abroad 序号桥梁名称桥型 主要厚板钢材 最大板厚/mm 1上海南浦大桥斜拉桥STE35580 2上海卢浦大桥钢拱桥S355N65 3杭州湾大桥斜拉桥Q450q55 4沪通大桥钢桁架Q420q60 5芜湖长江大桥斜拉桥Q370q50 6天兴洲大桥斜拉桥Q370q50 7日本大扳港桥钢桁架HT7075 8明石海峡大桥悬索桥HT8048 锤冲击试验方法 ［8 ］， 在 20 ℃， 0 ℃， －20 ℃， －40 ℃ 四个温度点下对结构钢 Q345B 厚板 60 mm， 90 mm， 120 mm 三种厚度 进行冲击试验， 试验钢材化学成分 与 GB/T 15912008低合金高强度结构钢 ［9 ］对比如 表 2 所示。 表 2钢材主要化学成分比较 Tab． 2Comparison of main chemical components of steel 板厚/mm 成分含量/ CSiMnP 规范值≤0． 20≤0． 50≤1． 70≤0． 03 600． 170． 341． 560． 013 900． 180． 371． 590． 014 1200． 180． 381． 50． 016 结果情况满足满足满足满足 由表 2 可知， 钢材主要化学成分均满足相关规范 要求。 2试验结果分析 2． 1试验结果 对 3 种厚度板材， 分别取板厚度方向 0、 1/8 、 1/4、 1/2 位置， 在四个温度 20 ℃， 0 ℃，－ 20 ℃，－ 40 ℃ 情况下试验。试验采用 V 型缺口式样， 冷却采用酒 精和液氮的混合液， 在 SANS 摆锤式冲击试验机上进 行， 测定每个式样在不同温度下冲击功值， 试验结果如 表 3 所示。 2． 2结果分析 我国 GB/T 15912008低合金高强度结构钢 对 Q345 钢材做了相应规定如下; 厚度不小于 6 mm 或直 径不小于 12 mm 的钢材应做冲击试验， 冲击试样尺寸 取10 mm 10 mm 55 mm 的标准试样， 钢材的夏比 V 型 冲击试验的试验温度和冲击吸收能量应符合表 4 的规定。 从表 4 可以看出， 目前相关规范中对 Q345 钢材冲 击韧性规定比较模糊， 没有考虑温度和板厚变化对钢 材冲击韧性影响。 从图1 可以得出如下几点 当温度一定下， Q345 钢 表 3冲击功试验结果 Tab． 3Impact power test result 板厚/ mm 取样位置 试样试验冲击功/J 20 ℃0 ℃－20℃－40 ℃ 60表面167． 5126． 4108． 5102． 4 八分之一161． 3124． 5104． 285． 4 四分之一156． 3120． 5100． 671． 6 八分之三153． 7116． 898． 258． 6 二分之一150． 2112． 592． 442． 5 90表面163． 2124． 8102． 498． 5 八分之一157． 9116． 816． 278． 1 四分之一152． 6112． 493． 661． 3 八分之三148． 5110． 288． 550． 7 二分之一145． 8108． 385． 145． 6 120表面161． 5102． 781． 570． 5 八分之一142． 5101． 475． 341． 2 四分之一128． 596． 270． 421． 4 八分之三104． 690． 760． 518． 1 二分之一86． 275． 654． 615． 7 规范值12 ～150≥34≥34≥34≥34 表 4规范规定 Q345 的冲击韧性 Tab． 4The specification specifies the impact energy value of Q345 牌号 质量 等级 试验 温度/℃ 冲击吸收能量/J 公称厚 12 ～150 mm Q345 B20≥34 C0≥34 D－20≥34 E－40≥34 a20 ℃ b－40 ℃ 图 1冲击功随板厚变化规律 Fig． 1Impact force variation with plate thickness 862振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 材冲击韧性随着板厚增加而降低; 当板厚一定下， 越靠 近板中心位置， 钢材冲击韧性越差; 在 － 40 ℃温度下， 厚板中心附近钢材冲击韧性值只有 15． 7 J， 小于 GB/T 15912008低合金高强度结构钢 规定的 34 J， 不满 足规范要。 从图 2 可以得出如下几点 当板厚一定， Q345B 钢 材冲击韧性随温度降低而降低， 特别是在厚板中心处， 这种现象更加明显。当 Q345B 钢材板厚达到 120 mm 时， 中心处冲击韧性不满足相关规范要求。 a距板厚方向 1/4 位置 b距板厚方向 1/2 位置 图 2冲击功随温度变化规律 Fig． 2Impact law of temperature with temperature 3厚度修正 3． 1厚板取样位置对结果影响 GB/T 15912008低 合 金 高 强 度 结 构 钢中 6． 4． 2． 2 对冲击试验做了以下规定 厚度不小于 6 mm 或直径不小于 12 mm 的钢材应做冲击试验， 冲击试样 尺寸取 10 10 55 mm 的标准试样。但是没有对厚钢 板如何取样做出明确要求， 例如当板厚超过 10 mm 以 上时， 是取板厚方向表明钢材还是取中心部位钢材， 这 一点规范中没有指出。由于钢材生产工艺原因， 随着 钢板厚度增大， 中心偏析现象明显， 钢板中心部位冲击 韧性越差。所以厚板冲击试验取样位置， 对钢材冲击 韧性结果影响较大。以 120 mm 厚钢板为例， 具体如图 3 所示。 图 3 120 mm 厚板冲击功随温度变化规律 Fig． 3Impact law of temperature with temperature 由图 3 可知， 厚板在做冲击试验时， 厚板取样位置 对钢材冲击试验结果影响非常大， 从图中可以看出厚 板表面钢材冲击韧性明显优于中心部位钢材。 3． 2厚板取样位置对结果影响 对与厚板钢材冲击韧性判定， 如果取表面钢材做 冲击韧性试验， 得出来结果作为整块厚板冲击韧性值， 这样结果值用于工程中是不安全的［10- 12 ］。如果取中心 位置钢材做冲击韧性试验， 得出来结果作为整块厚板 冲击韧性值， 这样结果值用于工程中是不经济的。如 何平衡二者之间关系， 显得尤为主要。 工程实际中对于厚板钢材， 往往把距表面 1/4L 处 的冲击功试验值作为一个整体性能的代表值， 这种办 法得出结果较为粗糙。厚板钢材的冶炼工艺， 不可避 免的会导致碳、 磷、 硫等元素中心偏析现象， 导致厚板 Z 向力学性能存在一定差异性， 而这种偏析变化可以近 似为线性变化 ［13 ］。因此对于厚板钢材冲击试验， 分别 取板厚方向表面、 1/4 处、 1/2 处钢材， 得出冲击功进行 分权平均， 作为整块钢板冲击功代表值， 具体公式如下 Akv k0A0 k1/4A1/4 k1/2A1/2 k0 k1/4 k1/2 1 式中Akv为冲击功; A0、 A1/4、 A1/2分别为板厚方向表面、 1/4 处、 1/2 处钢材冲击功; K0、 K1/4、 K1/2分别为表面、 1/ 4 处、 1/2 处钢材权重系数， 这里取值为 K0 2、K1/4 2、 K1/21。利用分权平均值修正法分别对 60、 90、 120 mm 板厚修正， 结果如表 5 所示。 由表 5 可知， Q345B 钢材冲击功经过修正后， 不同 厚度、 不同温度下的冲击功均满足了规范值， 而在 －40 ℃情况下。120 mm 厚板材中心附近试验值低于规范 值， 为了保证结构绝对安全， 对于板厚超过 120 mm 重 要构件钢材， 且工作温度低于 －40 ℃， 建议进行 CTOD 测试， 与修正值进行校核［14 ］。 3． 3Boltzmann 函数拟合 利用表 5 修正结果， 可以得出 60 mm、 90 mm、 120 mm 三种厚板冲击功随温度变化情况， 具体如图 4 所示。 962第 5 期叶兵等钢结构厚板的冲击韧性研究 ChaoXing 表 5厚板冲击功修正结果 Tab． 5Thick plate impact work correction result 板厚/ mm 取样位置 试样试验冲击功/J 20 ℃0 ℃－20 ℃－40 ℃ 60表面167． 5126． 4108． 5102． 4 四分之一156． 3120． 5100． 671． 6 二分之一150． 2112． 592． 442． 5 修正值159． 6121． 3102． 178． 1 90表面163． 2124． 8102． 498． 5 四分之一152． 6112． 493． 661． 3 二分之一145． 8108． 385． 145． 6 修正值155． 5116． 595． 4273． 0 120表面161． 5102． 781． 570． 5 四分之一128． 596． 270． 421． 4 二分之一86． 275． 654． 615． 7 修正值133． 294． 6871． 6839． 9 规范值12 ～150≥34≥34≥34≥34 图 4三种厚板冲击功随温度变化情况 Fig． 4Three kinds of thick plate impact work with temperature changes 由图 4 可以看出， 三种厚度结构钢厚板的冲击功 AKV随温度变化曲线接近 S 型， 可用 Boltzmann 函数进 行拟合 ［15 ］ Akv A2 A1－ A2 1 e T－x 0 /Δx 2 式中Akv为冲击功， J; A1为下平台能， J; A2 为上平台 能， J; T 为温度， ℃; X0为韧脆转变温度， ℃; Δx 为转变 温度区范围。利用 Boltzmann 函数对图 5 修正数据进 行拟合， 相关系数均大于 96。 4结论 本文选取了钢结构桥梁服役过程中可能遇到温度 和板厚， 进行相关冲击试验， 并对试验结果进行分析， 提出一种对厚板冲击韧性简化计算方法 1随着环境温度降低， 特别在零下 40 ℃ 条件 下， 结构钢 Q345B 冲击功值会明显降低， 降幅甚至达到 200以上， 冲击韧性变得极差。 2结构钢板越厚， 板材中心处钢材冲击韧性越 差， 会出现不满足规范要求现象。 3利用加权平均值对厚板冲击功值进行修正， 得到结果与 Boltzmann 函数比较吻合。 参 考 文 献 ［1］ KUWANURA H， IYAMA J， MATSUI K． Effects of material toughness and plate thickness on brittle fracture of steel members［J］ ． Journal of Structural Engineering，2003， 129 11 1471- 1483． ［2］ WANG Y Q，ZHOU H， SHI Y J， et al． Study on fracture toughness indices of Chinese structural steel and weld metal ［C］/ /20th International Offshore and Polar Engineering Conference． Beijing， 2010． ［3］ 贾单锋， 王元清， 崔佳， 等． Q345qD 对接焊缝疲劳性能及断 裂机理试验研究［ J］ ． 钢结构， 2017， 5 32 41- 45． JIA Danfeng， WANGYuanqing， CUIJia， etal． Experimental research on fatigue prance and fracture mechanism of Q345QD butt welds［J］ ．Steel Structure， 2017， 5 32 41- 45． ［4］ 王元清， 奚望， 石永久． 钢轨钢材低温冲击功的试验研究 ［ J］清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 ， 2007， 47 9 1414- 1417． WANG Yuanqing，XI Wang，SHI Yongjiu．Experimental study of the impact toughness of rail steel at low temperatures ［ J］ Journal of Tsinghua University Natural Science ， 2007， 47 9 1414- 1417． ［5］ 王元清， 廖小伟， 贾单锋， 等． 钢结构的低温疲劳性能研究 进展综述［ J］ ． 建筑钢结构进展， 2018， 20 1 1- 11． WANG Yuanqing，LIAOXiaowei， JIADanfeng， etal． Overview of research progress for the low- temperature fatigue perance of steel structures ［J］ ． Progress in Construction Steel Structure， 2018， 20 1 1- 11． ［6］ 王元清， 胡宗文， 石永久， 等． 钢结构厚板低温冲击韧性试 验研 究［J］ ． 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 2010， 31 9 1179- 1184． WANG Yuanqing，HU Zongwen，SHI Yongjiu，et al． Testing the impact resistance of thick structural steel plate at low tempcraturcs［ J］ ． Journal of Harbin Engineering University， 2010， 31 9 1179- 1184． ［7］ 王元清， 林云， 石永久． 高强钢 Q460C 对接焊缝低温冲击 韧性试验［J］ ． 沈阳建筑大学学报 自然科学版 ， 2015 6 971- 980． WANG Yuanqing， LIN Yun，SHI Yongjiu． High- temperature impact toughness test of butt weld of Q460C［J］ ． Journal of Shenyang Jianzhu University Natural Science ， 2015 6 971- 980． ［8］ 国家质量监督检验检疫总局 GB/T2292007 金属材料夏 比摆锤冲击试验方法［ S］ 北京 中国标准出版社， 2008． ［9］ 国家质量监督检验检疫总局 GB/T15912008 低合金高 强度结构钢［ S］ 北京 中国标准出版社， 2008． ［ 10］ 聂良学， 许金余， 任韦波， 等． 钢不同温度及加载速率对混 凝土冲击变形韧性影响［ J］ ． 振动与冲击，2015， 34 6 67- 71． NIE Liangxue， XU Jinyu，REN Weibo，et al．Effects of temperature and impact velocity on impact deation and toughness of concrete ［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2015， 34 6 67- 71． ［ 11］ 张顺先， 张肖宁， 徐伟， 等． 基于冲击韧性的钢桥面铺装环 氧沥青混凝土疲劳性能设计研究［ J］ ． 振动与冲击， 2013， 072振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 32 23 1- 4． ZHANG Shunxian， ZHANG Xiaoning， XU Wei，et al． Epoxy asphalt concrete fatigue perance design for a steel bridge deck pavement based on impact toughness ［J］ ． Journal of Vibration and Shock， 2013， 32 23 1- 4． ［ 12］ FEMA- 355A． 2000 state of the art report on base metals and fracture［R］ ． Prepared by the SAC ， Joint Venture for the Federal Emergency Management Agency， Washington， DC． ［ 13］ 陈训浩． 中心偏析原因、 危害、 评定及预防［ J］冶金标准化 与质量， 1998 4 12- 17． CHEN Xunhao． Central segregation cment， harm， assessment and prevention ［ J］ ． Metallurgical Standardization ＆ Quality， 1998 4 12- 17． ［ 14］ 余启明． 桥粱钢断裂韧性 CTOD 试验与仿真分析研究 ［ D］ ． 武汉 武汉理工大学， 2010． ［ 15］ 赵建平， 张秀敏， 沈士明． 材料韧脆转变温度数据处理方法 探讨［ J］ ． 石油化工设备， 2004， 33 4 29- 32． ZHAO Jianping， ZHANG Xiumin， SHEN Shiming． Discussion on data processing of material toughness and brittle transition temperature［ J］ ． Petrochemical Equipment， 2004， 33 4 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 29- 32． 上接第 249 页 ［ 19］ JUNG P， HANGGI P． Dynamical system a unified colored- noise approximation［J］ ． Physical Review A， 1987， 35 10 4464- 4466． ［ 20］ GILBARG D，TRUDINGER N． Elliptic partial differential equations of second order［ M］ ． Berlin Springer， 2001． ［ 21］ SANCHO J M， MIGUEL M S， KATZ S L， et al． Analytical and numerical studies of multiplicative noise［ J］ ． Physical Review A， 1982， 26 3 1589- 1609． ［ 22］ NOVIKOV E A． Functionals and the random- force in turbulence theory［J］ ．Soviet Journal of Experimental ＆ Theoretical Physics， 1965， 20 1919- 1926． ［ 23］ FOX R F． Uni convergence to an effective Fokker- Planck equation for weakly colored noise［J］ ． Physical Review A， 1986， 34 5 4525- 4527． ［ 24］ RISKEN H． The fokker- planck equation s of solution and applications ［ M］ ． Berlin Springer， 1984． ［ 25］ JEFFREY A，ZWILLINGER D． Table of Integrals Series and Products［ M］ ． Berlin Springer， 2007． 172第 5 期叶兵等钢结构厚板的冲击韧性研究 ChaoXing