王元清1 刘晓玲1 刘 明2 冷松洋2 韩 旭2
(1. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084； 2. 鞍钢股份产品发展部，辽宁鞍山 114009)
摘 要：由于轧制工艺不同，纵向变厚度钢板力学性能与等厚度钢板存在较大差异，且性能变化范围较大。针对该问题进行研究，对12～120 mm厚的纵向变厚度钢板进行拉伸、冲击及Z向性能试验，得到钢板不同厚度处力学性能变化规律并评价其均质性。结果表明：纵向变厚度钢板性能基本满足相关规范要求，强度指标随厚度增加而降低；Z向性能稳定，但冲击韧性随厚度变化波动较大，板厚较大时需要特别注意。变厚度钢板的力学性能不同于等厚度钢板，采用等厚度钢板性能评价指标并不合理，需要进行深入研究。
关键词：纵向变厚度钢板； 拉伸试验； 冲击试验；Z向性能试验
随着大型结构和桥梁建设的发展，工程建设对厚钢板的需求越来越多，并且通常在同一构件中使用传统等厚度钢板。但是，由于在实际中结构或者构件不同位置处的内力往往不同，根据最大受力截面设计时钢板强度并不能充分发挥。即使大跨度桥梁结构中采用的多块等厚度钢板分段焊接方法，也不能最大程度地接近实际的内力分布。纵向变厚度钢板的应用正是实现这一目的的有效途径[1]，优化结构设计，节约钢材用量，即是开发和研究纵向变厚度钢板的初衷[2-4]。
纵向变厚度钢板[4](Longitudinally Profiled Steel Plate，简称LP钢板)是通过特殊的变厚度轧制工艺轧制的厚度沿轧制方向变化的钢板，由于可以根据结构服役时的承载状况来定制钢板形状及厚度尺寸，从而具有节省钢材、减轻结构重量等优点，被称为节约型绿色钢板，得到国内外钢铁生产厂家和建筑工程行业的青睐[4]，在国外桥梁结构中已有很多应用[4-6]，在国内有广阔的应用前景。
由于轧制工艺特殊，不仅钢板厚度沿轧制方向连续变化，力学性能随板厚变化也产生较大改变，不可以简单按照单一厚度板件性能进行设计，尤其设计强度值的取定需要进行深入研究。但是，纵向变厚度钢板在国内尚处于研发推广阶段，自2009年10月邯钢中板厂轧制成功首块LP钢板后[4]，并未获得批量化生产，且未进行相关材性试验。
基于上述情况，纵向变厚度钢板的力学性能研究很有意义。本文对厚度12～120 mm的3块钢板进行材性试验，钢材等级为Q345GJC，考察LP钢板是否可以满足现行GB/T 19879—2005 《建筑结构用钢板》 以及GB/T 5313—2010《厚度方向性能钢板》的性能要求，同时研究其力学性能随厚度变化的基本规律，并考虑轧制方向以及厚度方向对其力学性能的影响，考察其均质性，为研究其设计强度的取值奠定基础。
本文试验所用3块钢板，均由同一批次的Q345GJC等级钢坯在鞍钢集团鲅鱼圈中厚板生产厂的可逆式四辊轧机上轧制而成，钢板形状及尺寸如图1所示，钢坯化学成分如表1所示。其中，板1坯料厚度为250 mm，压缩比为20.83～5.43；板2和板3坯料厚度为300 mm，压缩比分别为6.25～3.41，3.49～2.36。本次试验前已对纵向变厚度钢板进行多轮试制。
图1 钢板形状及尺寸
根据GB/T 19879—2005，查得等厚度钢板有关Q345GJC的力学性能要求，如表2所示。
表1 Q345GJC钢坯化学成分 %
CSiMnPSVNbTiAlsCrCuNi0.160.441.50.0190.0010.0740.0420.0160.0240.020.010.01
表2 等厚度Q345GJC等级钢材力学性能[6]
钢材牌号不同板厚的屈服强度/MPa6～16>16～35>35～50>50～100抗拉强度/MPa伸长率/%冲击功(纵向,20℃)/J屈强比Q345GJC≥345345～465335～455325～445490～610≥22>34≤0.83
注：板厚的单位为mm。
本文试验依据以下规范：GB/T 2975—1998《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》、GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》以及GB/T 5313—2010《厚度方向性能钢板》。
鞍钢产品检验中心依据规范选取12～120 mm共9个代表厚度进行了拉伸、冲击与Z向性能试验，研究性能随板厚变化，同时在垂直于轧制方向和沿轧制方向两个方向取样，研究轧制方向对性能影响，50～120 mm在距表面1/4处和1/2处分别取样，研究厚度方向上性能变化。上述每个条件点均对称取3～4个试样，其中，12、20 mm取全厚度矩形试件，30～120 mm均取圆形截面试样，具体取样位置及方法如图2所示。拉伸试验在ZWICK600液压式万能试验机上进行，采用引伸计测量应变，自动采集应力-应变曲线；冲击试验在ZBC2452-3D摆锤式冲击试验机上进行，采用V型缺口标准试样。对于拉伸试验，测得试样屈服强度、抗拉强度、屈强比，以及断后伸长率；对于冲击试验，测得冲击功；对于厚度方向拉伸试验测Z向断面收缩率。
a—横向及纵向取样位置及符号表示;b—50～120 mm厚度方向取样位置。
图2 试件取样方法
为检验鞍钢试验结果，着重检验强度试验结果，于清华大学实验室液压式万能试验机上对板1进行了拉伸试验，试验采用手动控制应力加载，加载速率为1 kN/s，并采用应变片与引伸计共同测量应变，由于引伸计在弹性段精度较差，变形较大时应变片破坏，因此应力较小时采用应变片读数，应力较大时采用引伸计读数，过渡段应变约为(3 000～5 000)×10-6。且本次试验选取16,20,30,40 mm四种厚度，每种厚度垂直于轧制方向选取3个试样。由于材料限制，选取非比例矩形截面试样，试件尺寸及破坏形态如图3所示。
a—拉伸试件几何尺寸;b—破坏形态。
图3 拉伸尺寸及破坏形态
2.1 鞍钢试验结果及分析
拉伸试验结果如表3所示。
表3 钢板拉伸试验结果(鞍钢)
试件编号板号厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈强比/%断后伸长率/%T12-Z1255464486.120.5T20-Z2050962381.725.5T30-Z板13046160676.027.5L30-Z3046160176.729.0T40-Z4043258773.628.0L40-Z4043158573.629.0T50-15041757272.933.0T50-25040157270.131.0L50-15041957672.831.5T60-16041857073.332.5T60-2板26039357568.430.0L60-16041157271.832.0T80-18039756770.031.5T80-28038656768.126.5L80-18039256869.131.5T100-1T100-210010038136955955868.166.232.527.0L100-1板310037656167.028.5T120-112037455267.933.0T120-212036955766.232.0L120-112036955466.533.0
2.1.1 强度随厚度变化及轧制方向影响
由于50～120 mm厚度处均在厚度方向不同位置处取样，但有关试验规范里，均将据表面1/4厚度处的试验值作为整体性能的代表值，以此为准，可得12～120 mm的9个代表厚度处的强度指标随厚度变化的规律如图4所示。
图4 横向及纵向强度指标随厚度变化曲线
从图中可以看出：1)横向及纵向的屈服强度、抗拉强度和屈强比均随厚度增加而降低，明显不同于等厚度钢板的正态分布统计规律[7]，且横向及纵向试验数值相差极小，说明轧制方向对性能影响可以忽略；2)12、20 mm处强度及屈强比超过表1规定，且板1强度变化达25%，且随板厚增加强度变化率减小，说明厚板强度性能更加稳定，这与高层建筑结构钢的性能特点一致[9-10]。
2.1.2 塑性随厚度变化及轧制方向影响
图5为断后伸长率随厚度变化的曲线。可以看出：1)断后伸长率随厚度增加而增大，除12 mm外均大于22%；2)横纵向结果相差较小；3)横向断后伸长率最大值为33.0%，最小值为20.5%，上升幅度为37.9%，说明变化范围较大。
图5 塑性指标随厚度变化的曲线
2.1.3 厚度方向上强度变化
当板厚超过40 mm，由于中心偏析的影响[11]，考察板厚度中心到距板表面1/4厚度处的性能变化(取垂直于轧制方向试件)，结果如表4所示。可以看出，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率在厚度方向上变化幅度较小，说明厚度方向上性能稳定。
表4 横向拉伸试验结果(厚度中心到1/4处降幅)
厚度/mm屈服强度降幅/%抗拉强度降幅/%断后伸长率降幅/%503.80.06.1606.0-0.86.3802.80.012.91003.10.218.21200.5-0.93.0
2.2 试验结果及分析
本文所做验证试验结果如表5所示。
表5 钢板拉伸试验结果
序号屈服强度/MPa极限强度/MPa屈强比断后伸长率(换算)/%序号屈服强度/MPa极限强度/MPa屈强比断后伸长率(换算)/%H16-15356430.8325.0H20-15116260.8223.9H16-25426560.8317.1H20-24996200.8128.3H16-35526590.8421.6H20-34976180.8126.1平均5436530.8321.2平均5026210.8126.1H30-14646020.7726.1H40-14225970.7130.1H30-24706060.7729.1H40-24175870.7129.1H30-34575930.7729.1H40-34115890.70—平均4646010.7728.1平均4175910.7029.6
2.2.1 强度随厚度变化及试验数据对比
图6 强度随厚度变化规律
图6为试验得到的强度随厚度变化规律，图7为与鞍钢试验结果的对比结果，A与Q分别代表鞍钢与清华大学，y与u分别代表屈服强度和抗拉强度，且图中细实线与虚线为规范限定的强度范围。可以看出，不同试验所得结果变化规律一致，且相同厚度点上强度值相差极小。但是，10～20 mm厚度范围的强度值高于规范上限，原因可能是由于钢坯厚度选取过大，压缩比较大。
图7 强度试验结果及对比
图8 塑性试验结果及对比
2.2.2 塑性随厚度变化及试验数据对比
塑性指标试验结果及对比如图8所示，同样的，与鞍钢试验结果基本一致。除12 mm厚度处断后伸长率外均满足规范要求。
鞍钢所做冲击试验结果如表6所示。
表6 钢板冲击韧性试验结果(鞍钢)
试件编号kV/J试件编号kV/JL12-1195.3T12-1150.7L20-1237.3T20-1165.3L30-1223.0T30-1188.7L40-1201.0T40-1171.3L50-1174.3T50-1229.7L50-2111.7T50-2104.7L60-1183.0T60-1189.3L60-229.7T60-2147.7L80-198.0T80-199.7L80-273.0T80-2121.7L100-192.0T100-1120.7L100-220.0T100-239.4L120-190.0T120-180.3L120-233.3T120-2146.7
3.1 冲击韧性随厚度及轧制方向变化
图9 冲击功随厚度增加的变化曲线
冲击功随钢板厚度变化的试验结果如图9所示，可见冲击功值均满足规范要求[7]，但是板1冲击功随厚度增加波动较大，板2冲击功值在 80 mm厚度处急剧下降，12～120 mm厚度范围内纵向最大冲击功值为最小冲击功值的2.6倍，说明冲击功值随厚度变化波动很大，厚板时需要特别注意。
3.2 厚度方向上冲击韧性变化
冲击功值在厚度方向上的变化见表7，可见，在厚度方向上，有表面到中心的冲击功减小，且随厚度增加无明显规律，但单一厚度处下降最大超过80%。
表7 冲击功(厚度中心到四分之一处降幅)
厚度/mm纵向冲击功降幅/%横向冲击功降幅/%5035.954.46083.822.08025.5-22.110078.367.412063.0-82.7
鞍钢所做Z向性能试验结果如表8所示。
表8 钢板Z向性能试验结果(鞍钢)
厚度/mm断面收缩率/%Z1Z2Z3平均值4073.066.966.368.75050.066.768.867.86060.067.466.467.48080.066.668.966.610070.670.371.770.912071.069.444.761.7
Z向性能随厚度变化的曲线见图10。由表8和图10可见，厚度变化范围不同的3块变厚度钢板，断面收缩率基本相同，满足规范要求[7]，且断面收缩率均随着厚度的增加整体上呈下降趋势，最大值与最小值相差13.0%，Z向性能较好。
图10 Z向性能指标沿厚度位置的变化曲线
通过对鞍钢生产的Q345GJC等级的纵向变厚度钢板进行材料性能试验，证明所生产钢板不同厚度处各项性能基本满足相应等厚度钢板性能指标要求，但是性能规律明显不同于等厚度钢板，采用等厚度钢板强度评价指标对纵向变厚度钢板描述并不合理。具体性能变化规律如下：
1)纵向变厚度钢板的强度、冲击韧性、Z向性能均随厚度增加而下降，其中冲击韧性波动范围很大，Z向性能变化很小，强度变化介于两者之间。厚度较大的纵向变厚度钢板性能更稳定，但是厚板冲击韧性较差，需特别注意。
2)轧制方向对纵向变厚度钢板的材性影响较小，强度指标基本相等，塑性和韧性指标在某些厚度处相差较大，但是此种差异可由改进生产工艺得到降低。
3)厚度方向上的不同位置对材性有一定影响，屈服强度和抗拉强度相差极小，但是冲击韧性变化很大，因此于厚度较大情况下，应注意其冲击韧性在厚度方向上的变化。
4)由于GJ系列钢材本身就具有屈服强度波动范围较小的特点，更适用于研制纵向变厚度钢板，其性能比较稳定，均质性良好。
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EXPERIMENTAL RESEARCH ON MECHANICAL PROPERTIES OF LONGITUDINALLY PROFILED STEEL PLATE
Wang Yuanqing1 Liu Xiaoling1 Liu Ming2 Leng Songyang2 Han Xu2
(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability，Tsinghua University, Ministry of Education, 100084 Beijing, China; 2. Product Development Department, Anshan Iron & Steel, 114009 Anshan, China)
ABSTRACT：Due to the different rolling process, there is a big difference between the material mechanical properties of longitudinally profiled steel plate (LP plate) and normal plate, and the former performance varies greatly. For further research on this issue, uniaxial tensile test, Charpy impact test andZ-direction property test were performed on LP plate of 12～120 mm to obtain the change law of mechanical properties of different thickness and evaluate its homogeneity. The experimental results indicated that the mechanical properties of LP plates could meet the specification requirements, and strength properties decreasd with the increase of thickness; Z-direction property was stable, but impact property need special attention because of large fluctuations. The mechanical properties of LP plate and normal plate were different, so it was unreasonable to evaluate the LP plate by the normal way and a further research was necessary.
KEY WORDS：longitudinally profiled steel plate; uniaxial tensile test; charpy impact test;Z-direction property test
第一作者：王元清，男，1963年出生，教授。
通信作者：刘晓玲，liuxiaoling950718@163.com。
收稿日期：收稿日期：2016-05-01
DOI：10.13206/j.gjg201704004
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