高温(火灾)条件下钢结构材料性能研究

　　现代钢结构高温（火灾）条件下钢结构材料性能研究谭巍（上海美建钢结构有限公司上海201103）各项力学性能指标随温度变化的规律，建立其随温度变化的力学模型，并利用该模型对钢框架模型在火灾中的反应进行分析研究。结果表明该理论模型是有效的、可靠的。

　　9广挪以000―⑶钢结构具有独特的优越性，因而在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。但钢结构耐火性能差早已为人们所熟知。虽然我国已兴建了大量钢结构建筑，但是我国目前还没有钢结构抗火设计规范，计算理论也不成熟，钢结构耐火设计还停留在用破坏性试验来确定防火被覆厚度的较低水平上。这种方法有时偏于不安全，有时又很浪费。大量工程实践表明，用于钢结构防火的费用高达工程造价的30%，使造价高昂的钢结构更加昂贵。因此，为减轻钢结构建筑在火灾中的损坏，充分利用材料强度，实现更高的经济目标，使得钢结构抗火研宄具有深远的现实意义和实用价值。

　　1试验概况本文进行的高温（火灾）条件下钢材材料性能试验在AUTOGRAPHDCS25型万能材料试验机上进行。试验机*大加载能力为500kN，试件通过电进行加热，由试验机自动记录试件单向拉伸的应力一应变关系曲线。试件按照试验机指定的形式来制作，如所示。试件材料为在实际工程中*常用到的钢材Q235钢。试件加载依照中华人民共和国国家标准金属高温拉伸试验方法（GB433884）和金属拉伸试验方法（GB228― 87）进行。

　　试件形式试验分为A、B两组进行，其中A组为常温加载试验，B组为高温加载试验，试验方案如下：A组试验进行常温下拉伸试验，以获得钢材在常温下的基本物理、力学性能指标。由于该组试验离散性不大，故该组试件只有3根。试验为常应变速率加载试验，应变速率控制在0.000250.0025/ min之间，本试验应变速率控制在0001/min B组试验共为9种工况进行每种工况重复做C九种。在每一工况下，先把试件升温至指定温度，恒温5min再开始加载，加载过程中试件应变速率保持为00030007/min之间的某一恒定值，试验时应变速率控制在*佳值0005/min加载直至试件破坏，记录试件在各个温度下的应力一应变关系、抗拉强度、极限强度、极限应变等当没有明显屈服点时，以02%的残余应变所对应的应力值为屈服强度。

　　2试验研究1不同温度下试件表观特征C时，表观现象与常温下基本相似，冷却后试件表面颜色较常温下略深，断口颜色更深一些，有金属光泽。在试件接近破坏时，有明显的C时，试件呈现出明显的“蓝脆”

　　现象，试件表面呈浅蓝色，冷却后，试件表面呈深蓝色，断口为紫色，有金属光泽。试件接近断裂时有明显的‘颈缩“现象。

　　C时，在加热过程中试件表面颜色变为深红色，冷却后试件表面略呈黑色，断口呈灰黑色，有金属光泽，亦有明显的“颈缩”现象。试验过程中有一试件表面出现纵向裂纹。

　　C时，试件在加热过程中表面呈红黑色，冷却后试件表面为灰黑色，断口呈黑色，有金属光泽，“颈缩”现象也较为明显。

　　C时，试件表观现象十分接近，试件表面为浅黑色，断口为黑色，断口金属已失去金属光泽，但“颈缩”现象仍较为明显。

　　研究试件在高温下及高温冷却后的表观特征对于确定结构在火灾中经历的*高温度和火灾后结构的鉴定与加固具有重大意义。

　　2试验结果及其分析给出了试件在不同温度下的屈服强度/yr、极限强度/uT、弹性模量Et和极限应变与常温下对应性能指标比值。

　　从中可以看出，在高温作用下，试件的屈服强度、极限强度、弹性模量和极限应变都表现出与常温下截然不同的性能。屈服强度和弹性模量基本上表现为随温度的升高而降低，600 c时，试件的屈服强度只有常温下的208%，由于实际结构中构件截面应力不可能只有屈服强度的1/5，因此结构此时已破坏，当温度达到600C时，材料的弹性模量已很小，只有常温下的17.41%；极限强度先随温度的升高而升高，在200C时极限强度*大，达到574 7MPa当温度为250C时，出现明显的“蓝脆”现象，极限强度较常温时提高187%，但比200C时的极限强度低3%，温度超过200C后，极限强度随温度的升高开始降低，600C时，极限强度降至常温下的23.4%；试件的极限应变先随温度的升高而降低，300C时极限应变值*小，为常温下的66. 7%，温度超过300C后，极限应变随温度的升高有所回升，600C时极限应变*大，为0.393，较常温下的极限应变提高22 3理论模型由于钢结构材料在高温下的性能发生了很大变化，在进行高温下结构分析考虑材料的几何非线性时，首先要了解钢结构材料在高温下的材料特性，因此，本文在试验基础上，对高温（火灾）条件下钢结构材料性能进行研究分析，提出了Q235钢的屈服强度、极限强度、弹性模量和极限应变随温度变化的理本文参照ECCS按照式（3）来确定钢材在各个温度下的弹性模量：高温（火灾）条件下钢结构材料性能研究一~I谭巍得到Q235钢的弹性模量随温度变化的理论模型为：高温下Q235钢的极限应变的离散性较大，但其随温度变化的规律仍然可近似用四次多项式的形式表达，而且回归的理论曲线也具有较好的精度。利用*小二乘法对高温下Q235钢极限应变的试验结果进行回归，得到其随温度变化的理论模型为：4理论模型的试验验证利用该理论模型对中抗火试验的钢框架模型进行试验验证。

　　1理论模型的材料性能验证各项力学性能指标的理论值与实测值对比见，图中直线均为理论值。

　　从图中可以看出，理论模型具有较好的精度，只有极限应变理论值与实测值两者有一定差距，但影响不大。

　　2理论模型的可靠性验证利用本文建立的理论模型对中进行抗火试验的钢框架FRAME1进行计算分析，以验证理论模型的可靠性与实用性。FRAME1的计算简图、位移测点布置如所示，构件截面形式、升温曲线详见。测点H2、V3位移一时间的理论值与实测值对比如和所示。

　　（下转第67页）要考虑分级分批张拉、换索等一系列情况1231.如何分析和计算这些情况中出现的力学问题，显得非常重要。对拉索分级分批张拉施加预应力时，当前批张拉索张拉到设计张力时，由于后批张拉索的张拉会对前批张拉索的张力发生改变，使得其实际张力偏离设计张力。因此，在对前批张拉索进行张拉时，应该将后批张拉索的影响考虑进去。如何考虑这个问题，是非常关键的。文添24从拉索张力的角度提出了以上问题的分析方法。可以看出，该方法的思路非常烦琐，计算相当复杂。但是，如果从拉索缺陷长度的角度出发就会发现，任何批次张拉时，张拉索的缺陷长度就是设计缺陷长度，其值始终是不会变化的。利用初始缺陷长度不变的性质，在分析第i批拉索的张拉力时，直接将己知的第i批拉索的设计缺陷长度D代入下式：这样便可求得第i批拉索的张力值。可以看出，从拉索的初始缺陷长度的角度来分析各批次拉索相互影响远比从拉索张力角度来分析简单而高效。这也说明了真正认识预应力的本质初始缺陷长度是非常必要的。

　　6预应力对结构动力特性的影响预应力是否可以改变结构的动力性能，答案是肯定的。预应力如何在结构的动力特性分析中体现出来，可以从结构动力特性的特征值问题的基本方程式来看：其中：K为结构的刚度矩阵，M为结构的质量矩阵，⑴为结构的自振频率，幻为振型向量。可见结构的动力特性主要是结构刚度特性的反映。一般来说，工程设计通常采用线性分析理论（一阶分析理论），而在线性分析理论中，结构刚度只与结构几何特性、截面特性和材料特性相关，与结构的内力无关。因此，从线性分析的角度来看，结构的动力特性是与内力无关的。那么又如何理解预应力会改变结构的动力性能。

　　为了说明这个问题，必须引入结构分析的非线性理论（二阶分析理论）考虑结构内力和变形的耦合作用。

　　在非线性分析中，结构的刚度矩阵表示如下：其中：K为结构的线性刚度矩阵；Kg为结构的几何刚度矩阵，Kg与内力相关因此可以看出，预应力对结构刚度的影响体现在Kg中。当然，预应力对结构动力特性的影响大小可以进一步探讨，但是是否改变结构的动力特性则是概念上的问题。