高强度Q460钢梁抗火性能研究(Ⅱ)——理论验证

系列文章的第1篇已经对高强度Q460钢梁高温下的抗火性能进行了理论分析,给出了高强度Q460钢梁的温度分布和极限承载力、临界温度和稳定系数的计算方法。该文采用有限元分析对高强度Q460钢梁的温度分布和极限承载力进行了计算,并将计算结果与理论分析和试验结果进行了对比,验证了理论分析的正确性。对高强度Q460钢梁和普通Q235钢梁的抗火性能进行了对比,得到两者在抗火性能方面的区别。提出了高强度Q460钢梁抗火设计的简化方法,并通过一个算例演示了简化设计方法的使用。     

约束钢梁抗火性能研究进展分析

约束钢梁的性能是近年来建筑结构领域的热点研究领域之一,其火灾特性尤为重要。文章总结了约束钢梁抗火性能研究现状,对高温性能研究进展方面进行了概括,在已有研究成果的基础上,考虑了悬链线效应、蠕变效应等因素对约束钢梁的影响,最后对约束钢梁抗火研究领域进一步的工作进行了探讨和展望。     

高强度Q460钢梁抗火性能研究(Ⅰ)——理论分析

为了得到高强度Q460钢梁高温下的抗火性能,采用有限差分法推导了高温下高强度Q460钢梁的截面温度计算方法并计算了温度分布,提出了钢梁各个组件温度的修正公式。基于常温下钢梁的整体稳定临界弯矩,根据Q460钢材的高温力学性能参数,分析得到了高强度Q460钢梁高温下临界弯矩和整体稳定验算参数;并利用等效刚度法考虑了温度不均匀分布的影响,研究了高强度Q460钢梁在不均匀温度下的极限承载力、临界温度和稳定系数。     

高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能的影响

高温和荷载共同作用下钢材产生明显的蠕变变形,对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大影响。为了研究钢材高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能的影响,采用ANSYS有限元软件建立约束钢梁结构分析模型,引入普通钢材高温力学性能和蠕变特性,分析了约束普通Q345钢梁的火灾响应,并与试验结果进行了对比,验证了模型的正确性。采用验证后的模型,引入高强度Q460钢材的高温力学性能和蠕变模型,分析了高温蠕变对约束高强度Q460钢梁抗火性能影响的程度,并将约束普通Q345钢梁和高强度Q460钢梁的抗火性能进行了对比。最后对考虑蠕变效应后影响约束高强度Q460钢梁的抗火性能参数进行了分析。研究表明,钢材高温蠕变对约束高强度Q460钢梁的抗火性能影响很大,蠕变不利于约束Q460钢梁抗火承载力的发挥;约束高强度Q460钢梁比普通Q345钢梁的抗火性能好,约束钢梁的极限状态可以按钢梁达到轴向最大拉力时进行设计。     

高强度Q460钢柱抗火性能研究

采用恒温加载方式和振动法分别对Q460钢材高温下的强度和弹性模量进行试验研究,得到了Q460钢材的力学性能随温度的变化曲线。考虑高强钢Q460高温下力学性能和柱的初始缺陷,对常温下计算钢柱极限承载力的三种方法,即临界应力法、逆算单元长度法(ICSL法)和压杆挠曲线法(CDC法)进行延伸并得到Q460轴心受压柱高温下极限承载力。通过算例对三种方法的计算结果进行比较,并采用有限元分析对极限承载力计算结果进行验证。计算不同荷载比下高强度Q460钢柱的临界温度,将高强Q460钢柱与《建筑钢结构防火设计规范》CECS200:2006中给出的普通钢柱的高温极限承载力和临界温度进行对比。研究表明:高强度Q460钢高温下力学性能与普通钢差别较大,强度和弹性模量随温度升高降低较慢;三种方法计算高温下Q460钢柱极限承载力的结果基本一致并与有限元分析结果吻合较好;普通结构钢柱的稳定系数和临界温度与高强度Q460钢柱有较大差别,《建筑钢结构防火设计规范》CECS200:2006中给出的普通结构钢柱抗火设计结果不适用于高强度Q460钢柱。     

轴向约束钢柱的抗火性能分析

应用ANSYS软件计算了钢柱在标准的升温模式下的温度场,然后利用ANSYS的耦合分析,将温度场导入结构分析中,分析了火灾下两端简支的轴心受压钢柱随温度升高时的力学性能并与理论计算结果进行了比较。对柱的轴向约束刚度以及荷载比对轴心受压柱受力性能的影响作了进一步的分析,阐述了轴向约束钢柱在火灾下的变形及轴向附加荷载的一些规律,可为钢柱的抗火设计提供一定的参考价值。     

浅析钢管混凝土结构抗火性能

分析了钢管混凝土结构抗火性能的研究现状，探讨了钢筋混凝土结构抗火性能研究的几个关键问题，从火灾燃烧模化、温度场全过程、结构抗火性能全过程等方面研究了结构火灾作用，以降低钢管混凝土结构的防火造价。     

现代木结构抗火性能研究进展

现代木结构建筑具有结构体系明确、传力路径清晰、用材固碳环保和综合功能优越等特征,是3大装配式建筑形式之一,在国外发达国家和地区应用广泛。相较于其它建筑结构体系,木结构建筑具有突出的节能减碳效果,因此,近年来在我国的科学研究和工程应用领域日益受到重视。文章主要通过分析全球木材资源供给情况,系统阐述限制我国现代木结构发展的抗火性能研究现状,建议从加强宣传引导、着力资源保障、抗火性能提升和技术创新4个层面入手,旨在推动现代木结构在我国的可持续发展和规模化工程应用。     

蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显蠕变变形,影响火灾中结构的变形和受力性能。现有的蠕变模型较多,但没有一个广泛适用的蠕变模型。不同的蠕变模型对钢结构抗火分析结果有很大影响。为了量化蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响,对5种常用的蠕变模型进行了对比分析。采用编写的约束钢梁计算程序,分别计算5种蠕变模型下约束钢梁的抗火性能并与试验数据进行对比。结果表明,采用Norton蠕变模型的计算结果与试验数据吻合最好。最后对影响约束钢梁抗火性能参数进行了研究,研究发现,Harmathy蠕变模型对约束梁抗火性能分析结果影响最大;不同蠕变模型对不同荷载比、约束刚度下的约束钢梁抗火性能影响程度均不同。     

An approach for evaluating fire resistance of high strength Q460 steel columns

To develop a methodology for evaluating fire resistance of high strength Q460 steel columns, the load bearing capacity of high strength Q460 steel columns is investigated. The current approach of evaluating load bearing capacity of mild steel columns at room temperature is extended to high strength Q460 steel columns with due consideration to high temperature properties of high strength Q460 steel. The critical temperature of high strength Q460 steel column is presented and compared with mild steel columns. The proposed approach was validated by comparing the predicted load capacity with that evaluated through finite element analysis and test results. In addition, parametric studies were carried out by employing the proposed approach to study the effect of residual stress and geometrical imperfections. Results from parametric studies show that, only for a long column (slenderness higher than 75), the magnitude and distribution mode of residual stress have little influence on ultimate load bearing capacity of high strength Q460 steel columns, but the geometrical imperfections have significant influence on any columns. At a certain slenderness ratio, the stability factor first decreases and then increases with temperature rise.     

考虑蠕变和残余应力释放的Q460钢柱抗火设计方法

承受荷载的钢结构在火灾下可发生明显的蠕变变形,钢结构中的焊接残余应力在火灾下也会一定程度地释放,因而高温蠕变变形和残余应力会对钢柱的耐火性能产生影响.为了准确地对高强度Q460钢柱进行抗火设计,有必要定量分析高温蠕变和残余应力释放对钢柱承载力的影响.采用电炉对2根焊接H形Q460钢柱进行耐火试验,得到无保护Q460钢柱...     

Q460高强钢焊接箱形截面残余应力研究

为研究国产Q460高强钢焊接箱形截面的残余应力分布规律,采用分割法对6个不同截面尺寸的试件进行了试验研究。基于测量数据,得到了不同试件全截面残余应力分布,研究了板件宽厚比、板件厚度等几何尺寸对残余应力的影响以及测量过程中人为产生的误差、截面板件间残余应力的相互影响及自平衡性等。试验结果表明：残余压应力与截面尺寸直接相关,残余拉应力与截面尺寸关系不大;采用分割法测量时人为操作产生的误差很小;截面4块板件的残余应力能够分别满足自平衡条件。提出了适用于Q460高强钢焊接箱形截面的残余应力分布模型和计算式,该模型能够准确反映截面尺寸的影响,且与试验结果吻合良好。     

高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能，使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系，基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型，考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响，模拟得到了钢柱的受火响应，其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明，无防护的Q690钢柱在受火20min左右发生破坏，破坏模式为整体失稳破坏；荷载比对临界温度影响较大，长细比和升温速率影响较小；Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN 1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

Q460高强钢单调与反复加载性能试验研究

通过对Q460高强钢进行单向拉伸与反复加载下材料性能试验,得到了各试件单调拉伸和反复加载下的应力-应变关系曲线,以及反复加载下的骨架曲线,并将试验结果与文献研究结果进行了对比。试验结果表明：单向拉伸材性试验中,11 mm厚Q460C高强钢板的平均断后伸长率为23.7%,屈强比为0.847; 21 mm厚钢板的平均断后伸长率为30.4%,屈强比为0.792;Q460钢的循环硬化程度比Q345钢明显减弱,主要原因是随着钢材强度的提高,钢材的屈强比增大,钢材的应变强化效应减小。根据钢材反复加载的滞回曲线,提出了Q460高强钢材的应力 应变滞回模型,用该模型计算得到的关系曲线与试验曲线对比,两者吻合较好。     

Q460C高强度钢柱滞回性能有限元分析

为进一步研究Q460C高强度钢柱的滞回性能,在已有试验研究的基础上,采用通用有限元分析软件ANSYS建立了数值模型,对Q460C高强度钢材焊接箱形和H形截面柱在常轴力和水平往复荷载作用下的滞回性能进行模拟,并研究了残余应力对高强度钢试件滞回性能的影响。将有限元分析结果与已有试验结果进行对比,两者吻合较好。研究结果表明：采用提出的Q460C高强度结构钢滞回模型进行有限元分析,能较为准确的预测Q460C高强度钢材焊接H形和箱形柱的滞回性能;试件内残余应力对Q460C高强度钢材焊接H形和箱形截面柱的滞回性能影响较小。     

Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能研究

为研究高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性能,对5个国产Q460钢材焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究。试验对试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。基于试验结果,分析了该类钢柱的失稳破坏形态和整体稳定承载力,建立了有限元分析模型并对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：试件破坏模态均为整体弯曲失稳形态,大部分试件稳定承载力高于规范设计值;有限元分析模型能够准确地考虑几何初始缺陷和残余应力的影响,计算结果与试验结果吻合良好;通过与国内外钢结构设计规范的对比,提出了国产Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定设计的建议方法,即可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计,而不需要按板件宽厚比大小进行分类。     

Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱低周反复加载试验研究

为充分了解高强度结构钢构件的抗震性能,采用Q460C高强度结构钢焊接制作H形和箱形截面柱试件各4个,进行固定轴压比为0.3的低周反复加载试验。试验测得了Q460C高强度结构钢H形和箱形截面柱的荷载 位移滞回曲线和弯矩 曲率滞回曲线。试验结果表明：宽厚比接近GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中“一级抗震”限值的试件试验破坏模式为板件局部屈曲,而宽厚比远小于“一级抗震”限值的试件在柱底部可形成具有充分转动能力的塑性铰;宽厚比小于“二级抗震”限值的Q460C焊接 H形截面柱和小于“一级抗震”的Q460C焊接箱形截面柱具有良好的耗能能力和抗震性能。在试验基础上提出了Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱的弯矩 曲率滞回模型,为高强钢结构在地震作用下的弹塑性静力分析和时程分析提供参考。     

Experimental study on high strength structural steel S460 in fire and after cooling down

In order to reveal more information on material behaviour of high strength structural steel S460 both in fire and after fire, an experimental research has been carried out. The elastic modulus, yield strength and ultimate strength of S460 in fire and after cooling down are presented herein. A comparison study with current European, American, British and Australian design standards of steel structures shows that the material behaviour of high strength steel S460 in fire is different from mild steels and the current leading design standards are not applicable to high strength steel S460. This paper highlights the necessity of employing a unique elevated-temperature and post-fire material behaviour of high strength steel S460 to conduct safe fire-resistance design and evaluation after fire on steel structures with S460. Moreover, the residual material behaviour of high strength steel S460 after cooling down is found promising for its reuse.