Study on nominal values of mechanical properties of high strength steel at elevated temperature and after fire exposure

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。     

压型钢板钢-混凝土组合楼盖的抗火性能

对于压型钢板钢一混凝土组合结构，分析了结构钢和混凝土的高温材性特性以及压型钢板与混凝土的粘结强度随温度变化的规律，总结了高温下影响组合楼盖抗火性能的因素。     

结构钢高温流变模型及有限元方程

结构钢在高温下的蠕变不可忽略,推导高温流变本构方程和蠕变,在考虑应力、温度和时间作用下建立平面结构钢梁单元有限元方程,为钢结构的高温（抗火）分析提供合理的依据。     

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。     

火灾作用下和碳钢和不锈钢管混凝土的热传递

现今,性能化设计方法被越来越多地用于评估结构耐火性能。为了实施这种设计方法,首先要尽可能精确和有效地确定火灾作用下结构部件内部的温度发展规律。改进数值模型从而模拟碳钢和不锈钢管混凝土的温度发展规律。发现混合结构钢-混凝土界面的混凝土含水率和接触热导率对此有很大影响。提出一个新的关于混合结构钢-混凝土界面的混凝土和接触热导导热系数的模型。比较数值模拟和大量试验得出的关于温度发展规律的结果。在热传递分析中使用所提出的模型会使分析结果与试验结果吻合得更好。     

高温后结构钢热变色试验

为了研究火灾后结构钢热变色的变化规律,对Q235结构钢加热至不同高温,再分别经历自然冷却、喷水冷却后采用Lab色差仪观测其热变色,由此提出了高温后钢材热变色Lab色度值的变化范围.结果表明:结构钢经不同高温冷却后,有显著热变色反应;冷却方式对结构钢热变色影响不显著,火灾温度是影响结构钢热变色的主要因素;高温后时效对热变色影响早期明显,3d后趋于稳定.本文研究成果可供火灾后钢结构损伤评估和加固分析时参考.     

结构钢断裂机理及抗断设防

结合古典强度理论和微观断裂力学对金属屈服和断裂解释的力学原理,通过对结构钢深槽刻痕杆刻痕根部微观断裂应力场的数值模拟,导出了结构钢在应力三轴空间的屈服轨迹方程。随后,根据结构钢在三向等拉伸应力状态下屈服和宏观脆断的重合性,提出了结构钢在应力三轴空间宏观韧、脆断准则。最后,给出了该屈服和断裂模型的物理解释及结构钢破坏设防。     

高温结构钢温度-应力耦合本构关系和梁单元的切线刚度方程

钢结构在高温下的强度和变形性能随温度和应力的耦合作用而变化。采用ECCS建议热膨胀系数、屈服强度和弹性模量确定双线性应力-应变曲线方程。高温下结构钢的变形分为瞬态应力变形、瞬态热应变和短期高温蠕变。在此基础上建立了温度—应力耦合本构关系及高温下的钢结构梁单元切线刚度方程,为钢结构的高温(抗火)分析提供合理的依据。     

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。     

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。     

16Mn钢的高温强度试验

通过对国产某厂16Mn钢的高温强度试验,得到其恒载加温条件下不同温度时的临界荷载水平,以及在恒温加载下强度折减系数随温度的变化规律,为我国钢结构建筑耐火设计提供了重要的参考基础数据。     

16Mn钢的高温强度试验

通过对国产某厂16Mn钢的高温强度试验,得到其恒载加温条件下不同温度时的临界荷载水平,以及在恒温加载下强度折减系数随温度的变化规律,为我国钢结构建筑耐火设计提供了重要的参考基础数据.     

Q420钢材高温强度试验研究

对某型 Q4 2 0结构用钢在高温下的强度性能进行试验研究。结果表明 ,恒载加温比恒温加载钢材的强度要小     

受火后钢筋混凝土吊车梁加固方法的试验研究

为研究受火后钢筋混凝土吊车梁的维修加固方法,开展了粘贴CFRP布和粘贴钢板加固受火后足尺吊车梁受力性能的试验研究、理论分析和有限元分析。结果表明：未受火对比试件发生受拉区钢筋屈服、受压区混凝土压碎破坏;粘贴CFRP布加固试件的主要破坏模式为受拉区钢筋屈服和CFRP布拉断;粘贴钢板加固试件的主要破坏模式为受拉区钢筋和加固钢板受拉屈服以及受压区混凝土压碎。对于ISO 834等效受火60min后钢筋混凝土吊车梁,粘贴钢板加固效果优于粘贴CFRP布;ISO 834等效受火60min和90min后的钢筋混凝土吊车梁采用CFRP布加固后,极限荷载接近。加固后钢筋混凝土吊车梁试件跨中截面混凝土应变发展规律在混凝土腹板垂直裂缝完全发展前基本符合平截面假定。受火后加固试件的位移延性系数较未加固对比试件有所降低,粘贴钢板加固试件降低稍大。加固的受火后钢筋混凝土吊车梁极限荷载计算结果和有限元结果与试验结果误差绝对值为0.4%~7.8%,满足工程精度要求。     

火灾作用后钢管混凝土柱-钢梁节点滞回性能试验研究

进行了外加强环板型钢管混凝土柱-钢梁节点在恒定轴压力和水平往复荷载作用下的滞回性能试验研究,考察了试验参数,如柱截面形式(圆形和方形截面)、受火时间、梁柱线刚度比和轴压比等对该类节点的延性和耗能指标的影响规律,并对该类节点火灾后的节点刚性和节点域剪切变形性能进行了分析。试验结果表明,本次试验的节点层间位移延性系数μ=2.723~7.856,弹性极限层间位移角θy=1.64[θe]~4.39[θe],弹塑性极限层间位移角θu=1.15[θp]~3.06[θp],等效粘滞阻尼系数ξeq=0.2266~0.3358,故可认为,本文试验参数范围内的该类节点试件都具有良好的抗震性能;此外,火灾后该类节点仍可视为刚性节点,且可不计节点域剪切变形对结构变形的影响。     

火灾后型钢混凝土梁受力性能试验研究

进行7个火灾后型钢混凝土梁力学性能试验,考察剪跨比、受火时间对构件破坏形态、截面应变分布、变形性能、剩余承载能力的影响。试验结果表明,火灾后型钢混凝土梁在荷载作用下的破坏形态与常温下基本相同,但是经历火灾高温作用后,型钢混凝土梁出现腹剪斜裂缝的时间提前。火灾作用后发生弯曲破坏的梁,加载初期沿截面高度的应变满足直线分布,应变分布符合平截面假定;大约80%极限荷载后,受到受压区混凝土开裂和型钢受压翼缘与混凝土之间相对滑移的影响,截面受压边缘混凝土的应变增长减缓,截面应变分布偏离直线,平截面假定不完全成立。火灾后型钢混凝土梁的荷载-跨中挠度曲线在试件屈服后都有一段不小的水平段,表明型钢混凝土梁在经历火灾作用后仍具有良好的后期变形能力;同时随着剪跨比的增大,后期变形能力增强。型钢混凝土梁经历火灾高温以后,其承载能力均有不同程度降低,试验结果和我国JGJ 138—2001《型钢混凝土组合结构技术规程》计算结果的对比表明,在本次试验中,梁斜截面抗剪承载力的降低程度在10%～21%之间,正截面抗弯承载力降低程度在16%～19%之间。     

Study on the interfacial shear behavior of steel reinforced concrete (SRC) members with stud connectors after fire

Statically push-out tests of 20 steel reinforced concrete short columns (SRCSC) with stud connectors on the surface of shape steel after fire and two SRCSC under ambient temperature were carried out, in order to study the failure mode, load-slip relationship and the interfacial shear transfer of SRC members after fire. Experimental results show that the typical failure modes and load-slip curves of SRCSC after fire are almost the same as the case under ambient temperature. The interfacial shear transfer of SRCSC declines exponentially not only with the increase of the peak temperature the specimen experienced but also with the increase of the peak temperature duration. The interfacial shear transfer of the specimens with studs arranged at the steel web is much higher than those with studs arranged at the steel flange. Empirical formulas of SRCSC interfacial shear transfer after fire are proposed, and the calculated results generally agree well with the experimental results.     

火灾后栓接Q690角钢净截面受拉承载力研究

对栓接Q690角钢在火灾后的净截面受拉承载力展开研究,参考过火后高强钢Q690材性试验结果,利用ABAQUS建立栓接Q690角钢的有限元模型,分析面外偏心距、螺栓连接长度、过火温度对火灾后栓接Q690角钢净截面受拉承载力的影响; 将已有相关公式及规范公式的计算结果与模拟得到的角钢支撑受拉极限荷载进行比较; 基于最小二乘法,提出了Q690角钢净截面受拉承载力的有效截面系数公式,对比了数值结果及其他文献试验结果; 基于数值模拟数据库,进行了可靠度分析。结果表明:有效截面系数随着螺栓连接长度的增大而增大,随着面外偏心距的增大而减小,而过火温度对有效截面系数几乎没有影响; 美国规范AISC 360-16对不同过火温度下Q690角钢净截面受拉承载力预测结果偏于不安全,中国现行《钢结构设计标准》预测结果偏于离散; 提出的计算公式对于不同过火温度下的栓接Q690角钢净截面受拉承载力均能进行较好预测; 推荐所提出公式计算火灾后栓接Q690角钢净截面受拉承载力的抗力分项系数为1.061。     

火灾高温下耐火保护钢梁设计荷载的分析

研究了火灾高温环境下耐火保护钢梁温度和结构的变化,运用有限元软件ANSYS模拟不同涂料厚度的耐火保护钢梁在标准温升模型、慢速和快速温升BFD模型3种温升曲线下,荷载作用不同时的最大挠度值,并与Robertson-Ryan准则中的最大挠度值比较,确定耐火保护钢梁的设计荷载值。结果表明,采用标准火灾模型代替自然火灾模型确定的设计荷载是不安全的;钢梁最高温度越高,设计荷载越低;随着涂料增厚,温升速率的改变对设计荷载值的影响逐渐明显。     

钢管高性能混凝土恒高温后力学性能研究

在确定高温后钢材和混凝土应力-应变关系的基础上,建立了恒高温后钢管高性能混凝土轴压构件的理论分析模型,对恒高温后该类构件的荷载-变形关系由线进行了计算,并与以往试验结果进行了比较,二者符合较好。分析结果表明,恒高温后钢管高性能混凝土轴压构件的荷载-变形关系弹性段变短,弹塑性段变长,极限承载力降低,极限承载力对应的应变增大,曲线下降段趋于不明显,这一特性与钢管普通混凝土构件高温后性能较为相似。