高强钢高温下和高温后力学性能指标的标准值研究

高强钢高温下和高温后的力学性能是进行高强钢结构抗火设计和火灾后评估的重要基础。我国GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EC3中针对普通低碳钢提出了高温下屈服强度和弹性模量计算公式,但其不适用于高强钢。国内外学者对高温下和高温后高强钢力学性能已开展了一系列试验研究,但由于钢材强度等级、试验设备、加热速率和加载制度等影响,导致试验结果离散性较大,不能应用于实际工程中。同时不同学者提出的力学性能指标计算式各不相同,均不具有普遍适用性。采用数理统计中t分布与置信区间的方法对高强钢高温下和高温后力学性能试验数据进行统计分析,得到不同温度下力学性能指标具有95%保证率的标准值,拟合出高强钢高温下和高温后力学性能指标的计算式,并与GB 51249—2017和欧洲规范EC3预测结果进行对比。结果表明：自然冷却和浸水冷却条件下,高强钢高温后屈服强度发生明显下降的转折点分别是600℃和 500℃;高温下高强钢的屈服强度折减系数低于普通结构钢;高强钢弹性模量折减系数在作用温度小于600℃时低于普通结构钢的,而在温度大于600℃时高于普通结构钢的。     

国产Q690高强钢高温下力学性能试验研究

通过国产Q690高强钢的稳态试验研究,得到20～800℃下钢材的试验现象、应力-应变关系曲线、力学性能参数,并将所得试验结果与相关规范和已有研究进行比较。研究发现:随温度升高,试验后钢材表面及断口形貌区别明显,应力-应变关系曲线的初始线弹性段缩短、极限应力对应应变减小、下降段趋于平缓;弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学性能指标随温度升高而降低;而断后伸长率在200～500℃时相较于常温值有小幅度下降,600℃后明显增加;当温度低于500℃时,不同名义屈服强度折减系数之间存在较大差异。目前已有研究建议的钢材高温力学性能模型并不适用于Q690高强钢,通过试验结果拟合得到了高温下Q690钢力学性能模型,以期用于Q690钢材的钢结构抗火安全评估与设计。     

国产高强度Q960钢高温蠕变及其对钢柱抗火性能影响

为获得国产高强度Q960钢高温下蠕变应变,对Q960钢进行高温拉伸蠕变试验,得到不同温度和应力水平下的蠕变应变-时间曲线,基于试验数据,提出适用于Q960钢结构抗火分析的蠕变模型。采用有限元模型分析蠕变效应对Q960钢柱抗火性能的影响,得到标准升温条件下无防火保护Q960钢柱的临界温度,并与《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249)计算的结果进行对比。研究表明:当温度超过600℃时,Q960钢材具有明显的蠕变效应,且温度越高,断裂前蠕变总变形越大;蠕变效应会显著降低Q960钢柱的临界温度和耐火极限;《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249)中的临界温度法不适用于Q960钢柱,当荷载比小于0.75时,计算结果不安全,而荷载比大于0.75时,计算结果偏于保守。     

控轧控冷型高强钢高温下的力学性能试验研究

通过稳态法进行了控轧控冷(TMCP)型Q550高强钢在不同温度下的力学性能试验研究,得到常温及200～800℃9个不同高温下钢材的表观特征、应力-应变关系与基本力学性能参数,包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度及断后伸长率.结果表明:应力-应变关系曲线在常温时有屈服平台而高温下没有,在超过300℃的高温下曲线形状不同;温度...     

不同路径对Q235钢材高温性能的影响

为了研究温度和应力变化历史对钢材高温性能的影响,采用MTS809和MTS653试验系统对我国建筑结构中常用的Q235钢材进行了不同温度-应力路径下的材料高温性能试验。其中用MTS809系统控制试件荷载大小,用MTS653系统控制试件温度变化,两套试验系统同时使用,从而可以同步测得试件在各个时刻的应力、应变和温度值。试验得到Q235钢材在各种不同温度-应力路径下的性能以及应力(应力增量)与应变(应变增量)、温度(温度增量)与应变(应变增量)之间的相对变化规律曲线,结果表明同一种钢材在不同路径下表现出各不相同的材料性能,其应力、应变和温度三者之间呈现出不同的关系。从而提出了钢材的高温性能不仅与温度状态有关,还受温度-应力历史的影响,采用因路径而异的应力、应变、温度三者关系进行钢结构高温性能分析将更为精确。     

钢网架螺栓球节点用高强度螺栓过火冷却后力学性能试验研究

螺栓球钢网架结构火灾后,其螺栓球节点用高强度螺栓剩余力学性能对结构整体安全至关重要.通过对螺栓球钢网架常用的10.9 s级40Cr和35CrMn螺栓球节点用高强度螺栓进行过火冷却后力学性能试验,主要控制参数为过火温度和冷却方式,并对其力学性能变化规律进行了分析,得到两种高强螺栓过火冷却后的抗拉强度变化规律.结果表明:4...     

Experimental study on mechanical properties of high-strength fire-resistant steel at elevated temperatures

为研究高强耐火钢在高温下的力学性能，通过国产Q345FR、Q420FR、Q460FR耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验，得到了20~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数，并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。研究结果表明：在温度低于350~400℃时，国产高强耐火钢屈服强度、抗拉强度高于常温的，当温度超过400℃后，屈服强度、抗拉强度开始快速下降；欧洲规范EC3中给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢；温度低于450℃时，耐火钢试验值与GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中普通钢取值更吻合；温度高于450℃时，耐火钢试验值与规范GB 51249—2017中耐火钢取值更吻合。针对Q345FR、Q420FR、Q460FR高强耐火钢，提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式，可用于耐火钢结构抗火设计。     

钢纤维混凝土高温后力学强度研究

对钢纤维混凝土进行最高温度分别为100℃,300℃,500℃,700℃,900℃高温试验,考察其高温后抗压,劈拉抗折,抗剪强度的变化情况,将其残余抗压,劈拉强度率与素混凝土进行比较。结果表明,钢纤维混凝土高温后各项力学性能均明显优于素混凝土。最后还对钢纤维在高温混凝土中的作用进行了初步分析。     

高强度耐火钢高温下力学性能试验研究

为研究高强耐火钢在高温下的力学性能,通过国产Q345FR、Q420FR、Q460FR耐火钢的高温下稳态拉伸试验和热膨胀变形试验,得到了20~800℃下各等级耐火钢的破坏模式、应力-应变关系曲线、力学性能参数及热膨胀系数,并与普通结构钢高温性能以及欧洲、中国的抗火设计规范的相关规定进行了对比。研究结果表明：在温度低于350~400℃时,国产高强耐火钢屈服强度、抗拉强度高于常温的,当温度超过400℃后,屈服强度、抗拉强度开始快速下降;欧洲规范EC3中给出的高温下普通结构钢的弹性模量、强度计算公式不适用于高强度耐火钢;温度低于450℃时,耐火钢试验值与GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中普通钢取值更吻合;温度高于450℃时,耐火钢试验值与规范GB 51249—2017中耐火钢取值更吻合。针对Q345FR、Q420FR、Q460FR高强耐火钢,提出了高温下弹性模量、屈服强度、抗拉强度变化系数拟合公式,可用于耐火钢结构抗火设计。     

Q690高强钢疲劳损伤后力学性能试验研究

服役结构材料疲劳损伤后的残余力学性能对结构可靠性的评估有着至关重要的作用.为此,对Q690高强钢经不同疲劳损伤后的残余力学性能进行了试验研究.根据Q690高强钢在不同疲劳荷载作用下的疲劳寿命,设定了3级疲劳荷载和9组损伤振动次数,并将Q690高强钢试件在各疲劳荷载下进行不同次数的预损伤疲劳振动.然后,对这些具有不同疲劳...     

耐火钢与普通结构钢高温强度的比较试验

对两种耐火钢(FR)与普通结构钢在常温到高温700℃之间的力学性能比较试验研究结果显示,耐火钢比普通结构钢具有更好的高温力学性能,耐火钢在约650℃时的屈服强度为常温下强度的50%,而普通结构钢在550℃时的屈服强度就已降到常温下强度的50%。同时耐火钢的高温(600℃)蠕变也比普通结构钢的小。研究结果表明在建筑设计中用耐火钢替代需要采取防火措施的普通结构钢更经济安全。     

高温后钢纤维高强混凝土力学性能试验研究

通过对高温后钢纤维高强混凝土和素高强混凝土力学性能的试验研究，探讨了钢纤维高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度在不同温度下的变化规律，分析了温度对钢纤维高强混凝土力学性能的影响机理。研究结果表明，钢纤维高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度随温度的升高而降低，在400℃以内，降低幅度较小，400℃以后显著降低，相同温度时，钢纤维提高了高强混凝土的高温后强度值。     

高温中钢纤维混凝土抗压强度试验研究

综述了国内外混凝土及纤维混凝土高温后及高温中的性能变化规律。研究了3种水胶比混凝土及钢纤维混凝土在20、200、400、600、800℃五个温度段高温中的抗压强度,结果表明:素混凝土及钢纤维混凝土高温中抗压强度都呈先升高再降低趋势,素混凝土和钢纤维混凝土分别在200、400℃时达到峰值,400℃时钢纤维的增强效果最明显。     

经历不同温升作用后CFRP筋受力性能的试验研究

为研究经历不同温升作用后碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)筋材的静力性能,以筋材的处理温度为试验参数,完成9个试件的轴向拉伸试验;以筋材的处理温度和初张比为试验参数,完成15个试件的横向受力试验。结果表明：处理温度不超过100℃时,筋材的轴向拉伸、横向受力及与活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC) 间黏结强度等性能的退化程度轻微。对于轴向拉伸试验,经历30℃和100℃温升作用的试件均发生筋材拉断破坏,处理温度100℃试件的抗拉强度、极限应变和弹性模量较30℃试件分别减小2.9%、1.0%和1.6%;经历200℃温升作用的轴向拉伸试件均发生滑移破坏,筋材与RPC界面间的平均黏结强度较常温条件下降低34.5%,弹性模量较30℃试件减小9.1%。对于横向受力试验,所有试件均发生折断破坏。初张比一定时,随着处理温度由30℃增至200℃,CFRP筋的极限索力、最大索力增量及横向破断力均逐渐降低,但横向极限位移变化较小;处理温度相同时,随着初张比由0增至0.34,CFRP筋的最大索力增量、横向破断力及横向极限位移均逐渐减小,但破坏时的极限索力则逐渐增大。提出经历不同温升作用后CFRP筋横向极限位移、极限索力及横向极限荷载的计算公式,并以试验结果验证其适用性。     

高温后混凝土的力学性能试验研究

为了研究高温后混凝土材料的力学性能,设计24个高温后棱柱体试件进行轴心受压试验,主要考虑火灾温度对试件破坏形态、变形性能、剩余承载能力的影响,试验观察了不同温度下试件的外观变化、破坏形态,测试了其物理、力学性能指标,并分析了经历不同温度后混凝土材料的力学性能退化规律,提出了高温后混凝土的应力-应变关系以及强度计算式。研究表明:随着试件受火温度的增加,混凝土的表面颜色发生改变,并伴随龟裂现象,质量变轻;峰值应力降低,而峰值应变总体呈增大趋势。研究结果可为混凝土工程的高温后评估提供参考。     

高强混凝土的耐火性能

就国内外的研究结果,总结普通高强混凝土、钢纤维高强混凝土和聚丙烯高强混凝土高温后的强度和耐久性、渗透性能恶化的规律。综合阐述高强混凝土的耐火性能,并深入探讨高强混凝土高温爆裂机理,影响爆裂的主要因素及防治方法,并对高强混凝土耐火性能的研究方向提出建议。     

高温后不同冷却方式下自密实混凝土力学性能研究

对54个标准立方体和27个标准棱柱体C40自密实混凝土试件高温后,采用自然冷却和喷水冷却两种方式下的力学性能进行研究,并观察试块的表观特征及测量高温后损失率,结果表明:两种冷却方式下,500℃时混凝土试块的表观特征均发生显著变化;高温后质量损失率和峰值应变随温度升高而增大,弹性模量随温度升高而下降;试块的抗压强度、劈拉...     

钢纤维对高强混凝土高温作用后力学性能影响的研究

通过对钢纤维高强混凝土高温后力学性能的试验研究,探讨了钢纤维高强混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度在不同温度下的变化规律。与高强混凝土火灾后性能变化规律进行比较,分析了钢纤维对高强混凝土受高温作用后力学性能的影响机理。     

Numerical modelling of high strength steel beams at elevated temperature

High strength steels are increasingly common in structural engineering applications owing to their favourable strength to weight ratio, excellent sustainability credentials and attractive physical and mechanical properties. However, these grades are under-used in structures owing to a lack of reliable information relating to their structural performance, particularly at elevated temperature. This paper presents a review of high strength steels in structural applications including the key design considerations. Particular focus is given to the lateral torsional buckling response of laterally unrestrained beams. A finite element model is developed to investigate this behaviour at ambient and elevated temperature. A series of beams between 500 and 4500 mm in length are studied in order to develop buckling curves which are comparable with current design provisions. At ambient temperature, it is shown that all of the buckling curves currently included in Eurocode 3 Part 1-1 give unsatisfactory and potentially unsafe predictions. In elevated temperature conditions, the buckling curves presented in Eurocode 3 Part 1–2 depict the behaviour reasonably well but, at relatively high slenderness values, the standard does not always provide a safe prediction. Revised bucking curves are proposed for high strength steel beams for laterally unrestrained beams made from high strength steel.