0 引言

焊接空心球壳是空间网格结构中最常用的节点形式之一。在经历火灾后，网格结构未必会整体倒塌，因此，应准确估计火灾后网格结构剩余性能，而对其进行准确的有限元分析主要依赖于材料特性。

目前，已有学者对钢材高温下性能开展了研究，如欧蔓丽等通过试验获得了 Q235 钢高温下的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、伸长率等; 杨秀英等研究了不同温度-应力路径下 Q235 钢高温性能，结果表明同种钢材在不同路径下表现出各不相同的材料性能。针对普通低强钢高温后的力学性能，相关学者也进行了研究，如丁发兴等试验得到了自然冷却方式下 Q235 钢材高温后的力学性能; 张有桔、陈建锋等对加热至不同高温后分别经历自然冷却、喷水冷却的 Q235 结构钢进行了力学性能试验，拟合了相关公式; 潘俊武试验研究发现采用烃类和标准升温对于钢材高温后性能有一定影响。针对高强钢高温后的性能，如 Qiang 等、Lu 等、王卫永等试验研究了两种冷却方式下 Q460 钢高温后力学性能; 李国强等对经历不同高温，自然和浸水冷却后的 Q690 钢进行拉伸试验，研究经历温度与冷却方式对其力学性能影响，并与 Q235 和 Q460 钢高温后性能进行对比。Tao 等基于已有试验结果，拟合了高温后结构钢和钢筋的简化应力-应变曲线。上述研究基本都是针对普通热轧钢板的高温性能研究，对于圆钢管单曲面钢材的高温研究还较少。Yuan 等采用稳态和瞬态试验方法研究了 Q345 圆钢管高温下热膨胀系数、屈服强度和弹性模量。而对热冲压球壳双曲面钢材高温力学性能研究鲜见报道。

为研究热冲压球壳 Q235 钢材高温后的力学性能，本文中采用自然冷却和喷水冷却两种冷却方式，通过拉伸试验，得到热冲压球壳 Q235 钢材高温后的力学性能指标及折减系数，并与普通 Q235 热轧钢板高温后的力学性能进行对比。

1 试验概况

1． 1 试件设计

由于形状的特殊性，为了减小弧度的影响，并未按照 GB/T 228． 1—2010^［16］标准设计试样。试样取自经历高温后外径 400 mm、厚度 12 mm 的焊接空心球节点，如图 1 所示。试样制作方法见图 2，其尺寸见图 3。根据试验温度和冷却方式不同，共设计了 13 组试样，其中自然冷却方式 6 组，喷水冷却方式 6 组，常温试样 1 组，每组 3 个，共计 39 个试样。

1． 2 试验方案

试验过程分为加热冷却、切割试样、常温拉伸 3 个步骤。根据已有研究成果，考虑到经历温度在 400 ℃以内时，高温后钢材的力学性能基本上没有变化^［7-9］，为此设定加热温度分别为 400、500、600、700、800、900 ℃。将空心球壳放置于装配式复合加热炉 ( ＲX-60-12) 中进行加热，如图 4 所示。当炉内温度达到预定温度后恒温 30 min，使试件温度达到预定值。试验中采用自然冷却和喷水冷却两种方法，用于模拟火灾材料烧尽自然灭火和消防喷水灭火两种情况。对于自然冷却试样，取出空心球节点在空气中自然冷却; 对于喷水冷却试样，将球节点置于水槽中进行喷水冷却。

按图 2 所示的方式进行线切割，加工制作成受拉试样，试样两侧刻好标记段以测定断后伸长率。在电子万能试验机上进行轴向拉伸试验，如图 5、6 所示。采用位移控制进行加载，加载速率为 2 mm/min，符合规范 GB/T 228． 1—2010 的要求。测定经历预定高温后的钢材应力-应变曲线、屈服强度 f_y，T、抗拉强度 f_u，T、弹性模量 E_T、断后伸长率 A_T。拉伸时试件应力、应变自动采集，弹性模量由弹性范围内应力-应变曲线斜率算出，断后伸长率采用游标卡尺测量。

2 试验结果及其分析

图7 为拉伸后试样破坏形态，其中 Z 表示自然冷却，P 表示喷水冷却，20 表示常温试件。每组试验结果均取 3 个试样数据的平均值，得到高温后不同冷却方式下试样应力-应变曲线，见图 8、9; 不同冷却方式下，Q235 钢材高温后力学指标及折减系数值见表 1，其中折减系数为高温后力学参数值与常温下钢材的比值。图 10 为不同冷却方式下高温后钢材力学参数折减系数变化曲线。

   2． 1 应力-应变曲线

由图 8、9 可以看出，温度和冷却方式对热冲压球壳 Q235 钢应力-应变关系曲线的影响较大。自然冷却方式下，高温后钢材的应力-应变曲线形状与常温下的类似，有弹性段、屈服段和强化段，弹性范围内钢材应力-应变曲线基本重合，斜率基本一致，随着温度的升高，钢材应力-应变关系曲线屈服段和强化段逐渐下降，而下降段逐渐变缓，且温度越高这种变化趋势越明显; 喷水冷却方式下，其应力-应变曲线弹性段斜率 略 有 不 同，但 相 差 不 大，除 温 度 400 ℃ 和 500 ℃外，钢材的应力-应变曲线强化段均高于常温下的曲线，这是由于钢材淬火的原因，当温度 T≤700 ℃时，钢材应力-应变关系曲线仍有可见的屈服平台，但当 T ＞700 ℃时，钢材应力-应变曲线屈服平台消失，且曲线下降段变陡。

2． 2 屈服强度

当钢材的应力-应变曲线有明显屈服平台时，则以屈服应力下限为屈服强度值，若无明显屈服平台，则以产生 0． 2% 残余变形的应力值为其屈服强度。结合表 1 和图 10a 可以看出，当 T≤500 ℃时，不同冷却方式下热冲压球壳 Q235 钢高温后屈服强度变化规律类似: 屈服强度随加热温度的增加而缓慢减小，当 T = 500 ℃ 时，减幅为 5% 左右。当 T ＞ 500 ℃ 时，冷却方式对高温后热冲压球壳 Q235 钢屈服强度影响显著。自然冷却方式下，随着温度的升高，屈服强度继续下降。喷水冷却方式下，T 为 500 ～ 700 ℃ 时，屈服强度逐渐增大，当 T ＞700 ℃时又快速下降。

2． 3 抗拉强度

由表 1 和图 10b 可以看出，当 T≤500 ℃时，不同冷却方式下热冲压球壳 Q235 钢高温后抗拉强度具有类似的变化规律: 抗拉强度随加热温度的增加而缓慢减小，当 T = 500 ℃ 时，减幅为 3% 左右。当 T ＞ 500 ℃时，冷却方式对高温后热冲压球壳 Q235 钢抗拉强度有较大影响。自然冷却方式下，钢材抗拉强度继续降低，当 T = 900 ℃ 时，强度降为常温下的 91% 。喷水冷却方式下，随着温度的升高，钢材抗拉强度逐渐提高，当 T = 900℃ 时，增长为常温下的

110% 。

2． 4 弹性模量

由表 1 和图 10c 可以看出，高温冷却后的钢材弹性模量呈波动变化，但变化幅度不大，当 T≤900 ℃ 时，弹性模量较常温最大相差 5% 。因此，高温后热冲压球壳 Q235 钢弹性模量可取常温下的弹性模量。

2． 5 断后伸长率

由表 1 和图 10d 可以看出，当 T≤500 ℃时，两种冷却方式下钢材的断后伸长率变化甚微，自然冷却方式下伸长率略大于喷水冷却。当 T ＞ 500 ℃ 时，冷却方式对断后伸长率影响较大，自然冷却方式下，随着温度的升高，断后伸长率逐渐增大，当 T = 900 ℃，其值是常温下的 1． 16 倍。喷水冷却方式下，随着温度的升高，断后伸长率逐渐减小，当 T = 900 ℃ 时，断后伸长率为常温下的 83% 。

3 热冲压球壳钢材与热轧钢材的对比

为对比热冲压球壳 Q235 钢与普通 Q235 钢高温后的力学性能差异，将本文试验结果与文献［7］和文献［8］的试验结果进行对比，见图 11 ～14。

由图 11 可以看出，自然冷却方式下屈服强度折减系数，当 T≤600 ℃ 时，文献［7］与文献［8］的结果差别不大，而当 T ＞ 600 ℃ 时，呈完全相反的变化趋势。本文试验结果与文献［8］的变化规律基本一致: 随着受热温度的升高，屈服强度逐渐降低，但折减程度较文献［8］的低。喷水冷却方式下，当 T≤400 ℃ 时，文献［7］与文献［8］的结果变化幅度不大，但当 T 分别为 600、800 ℃ 时，文献［7］的折减系数相对较大。当 T≤700 ℃ 时，本文试验结果与文献［8］的变化趋势与折减系数基本相同，当 T ＞700 ℃时，二者变化规律完全相反。

由图 12 可以看出，文献［7］与文献［8］中两种冷却方式下抗拉强度折减系数，变化趋势基上均随温度的升高而增大，本文试验结果与文献［8］的变化规律基本相同，二者的折减系数差别不大。

由图 13 可以看出，对于弹性模量，本文试验结果与文献［7］和文献［8］中结果在两种冷却方式下呈波动变化，但是变化幅度很小。本文弹性模量折减系数均高于文献［8］的，当 T≤800 ℃ 时，也高于文献［7］的。

由图 14 可以看出，自然冷却方式下，文献［7］中的断后伸长率基本保持不变，文献［8］中在 T≤400 ℃ 时，伸长率增长不大，当 T 分别为 500 ℃和 600 ℃时，其值突然减小到常温时的 0． 9 左右，而当 T≥ 600 ℃ 时，伸长率随着温度升高逐渐增大。本文试验结果在 T≤500 ℃时与文献［7］的基本相同，而在 T ＞500 ℃ 时整体趋势与文献［8］的相似。喷水冷却方式下，文献［7］中的断后伸长率逐渐减小，文献［8］中的断后伸长率波动下降。本文试验结果与文献［7］整体变化规律相似，当 T≤400 ℃ 时，折减程度基本相同，当T≥400 ℃时，折减程度明显小于文献［7］的。

上述对比分析可以看出，不同学者对于普通 Q235 钢高温后的力学性能的研究结果不同，热冲压球壳 Q235 钢高温后力学性能变化规律与有些学者得到的普通热轧钢材高温后性能相似，由于试验的离散性，还需更多试验进行论证。

4 结论

1) 热冲压球壳 Q235 钢高温后应力-应变曲线受加热温度和冷却方式影响较大，除喷水冷却方式下 800 ℃和 900 ℃试件以外，均有较为明显的屈服平台和强化阶段。

2) 高温冷却对热冲压成型的空心球壳 Q235 钢的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率影响较大，对弹性模量影响较小。

当加热温度不超过 500 ℃ 时，热冲压成型的空心球壳 Q235 钢高温后力学参数( 屈服强度、抗拉强度和断后伸长率) 在不同冷却方式下的变化规律基本相同: 强度随着温度的升高而降低，且降幅很小; 断后伸长率基本保持不变。

4）当加热温度超过 500 ℃ 时，不同冷却方式对热冲压成型的空心球壳 Q235 钢高温后的强度和断后伸长率产生影响，且受热温度越高差距越大。自然冷却方式下，随着受热温度的升高，屈服强度和抗拉强度逐渐减小，而伸长率逐渐增大。喷水冷却方式下，抗拉强度随着温度的升高而增大，伸长率随着温度的升高而降低; 500 ～ 700 ℃ 之间，屈服强度逐渐增大，700 ℃之后又快速下降。