铁素体不锈钢火灾后力学性能试验研究

正中国香港研究人员开展了经历1 000℃高温冷却后的铁素体不锈钢力学性能的试验研究。试验考虑了降温方式的影响,测试了试件的残余力学性能和显微组织。研究结果表明,不同的冷却速率对铁素体不锈钢的强度影响较小,但在一定温度范围内影响应变和Ramberg Osgood参数。     

Q690钢材高温后的力学性能试验研究

通过升温、冷却和拉伸试验,对历经300~900℃高温后的Q690钢材在自然冷却和浸水冷却条件下的力学性能展开试验研究。结果表明：经高温冷却的Q690钢材在不同温度和不同冷却方式下有不同的外观特征;受热温度超过500℃时,高温冷却对Q690钢材的弹性模量影响很小,对其强度和伸长率影响较大;当受热温度不超过700℃时,Q690钢材高温后的强度和伸长率在两种冷却方式下具有基本相同的变化规律;在700~800℃之间,不同冷却方式对Q690钢材高温后强度和伸长率产生影响,且随温度升高差别愈加明显,自然冷却条件下强度降低且伸长率增大,浸水冷却条件下强度增大且伸长率减小。将Q690钢材高温后力学性能与Q235钢材和Q460钢材比较,认为不同强度等级钢材高温后的力学性能差别显著,在自然冷却条件下较高强度钢材（Q690）的强度衰减和延性增长大于较低强度钢材（Q235和Q460）的。根据试验结果,建立了不同冷却条件下的高温后各力学参数与受热温度之间的数学模型,该模型可用于火灾后Q690钢结构的承载能力的评估。     

国产超高强钢Q890高温力学性能试验

通过稳态拉伸试验法对国产超高强钢Q890在不同火灾高温条件下的力学性能进行了试验研究,得到高温下钢材的力学性能参数、应力-应变关系曲线和试验现象,并将所得试验结果与钢结构抗火设计规范及相关超高强钢研究文献中高温材料模型结果进行比较。分别采用多项式模型和钢材高温通用材料模型对试验结果进行数值拟合,建立高温下Q890钢力学性能参数的材料模型。结果表明:不同温度条件下的Q890钢试件在试验后有明显不同的外观特征,相应的应力-应变关系曲线基本形状差异较大;当受热温度低于500 ℃时,弹性模量和强度随温度升高逐步减小,断后伸长率变化不大;超过500 ℃后,弹性模量和强度下降速率明显加快,断后伸长率急剧增大;所建立的模型为研究Q890钢结构抗火性能及其计算方法提供理论基础。     

高温后钢筋套筒灌浆接头力学性能试验研究

为研究火灾高温后钢筋套筒灌浆接头的力学性能,考虑不同钢筋直径、温度以及高温持续时间等因素,对钢筋套筒灌浆接头进行了模拟火灾高温试验,并对高温后接头的变形性能及抗拉强度进行了试验研究。结果表明,随火灾温度的升高,接头的残余变形增大、抗拉强度降低,接头破坏状态也由钢筋拉断逐步向钢筋拔出转变;当温度低于600℃时,接头各项力学性能变化幅度较小,当温度高于600℃后,接头各项力学性能退化明显,且高温持续时间越长,接头各项力学性能退化幅度越大;钢筋直径越大,接头各项力学性能受高温影响越明显。研究结果可为装配式结构火灾后的性能评估提供参考依据。     

HRBF500钢筋高温后力学性能试验研究

通过拉伸试验,研究20,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000℃高温冷却后HRBF500钢筋屈服强度、极限强度、弹性模量、延伸率和受拉应力-应变关系的变化规律。结果表明,高温冷却后细晶钢筋,温度历程低于500℃时,钢筋的力学性能变化不明显;高于500℃时,随温度历程的升高,钢筋的应力-应变关系曲线逐渐软化,钢筋的各项力学指标逐渐退化。基于试验数据,提出了高温后500 MPa细晶粒钢筋屈服强度、极限强度和弹性模量随温度变化的计算公式,为开展细晶粒钢筋结构抗火性能分析及火灾后损伤评估提供基础性素材。     

高温下不锈钢螺栓的材料性能试验研究

为了给建筑钢结构螺栓连接的抗火性能分析与抗火设计提供依据,对不锈钢螺栓高温下的力学性能进行试验研究,开展了两组不同等级不锈钢螺栓高温下的拉伸试验,得到了不同温度下不锈钢螺栓的全应力应变曲线。对不锈钢螺栓高温下的弹性模量、屈服强度和极限强度进行分析,将试验结果与不锈钢母材和耐火钢螺栓在高温下力学性能进行了对比,并对比相关规范关于不锈钢母材的推荐值,提出了不锈钢螺栓高温下弹性模量、屈服强度和极限强度的折减模型。研究结果表明:不锈钢螺栓高温下的极限强度折减系数与欧洲规范EC3中对不锈钢母材的推荐值相近,弹性模量折减系数差距较大。温度低于650℃时,不锈钢螺栓相比不锈钢母材屈服强度下降更慢;温度在500～900℃时,不锈钢螺栓相比耐火钢螺栓强度和弹性模量下降更慢。     

高温后1860级钢绞线力学性能试验研究

钢绞线高温力学性能是研究预应力结构抗火性能及受火灾后结构损伤鉴定与评估的基础。从同一根钢绞线边丝中截取16根钢丝试件进行高温后拉伸试验,得到高温后钢丝试件拉伸的应力-应变关系曲线以及屈服强度、极限强度、比例极限、弹性模量与试验温度的关系。试验结果表明,高温后钢绞线钢丝的力学性能指标在温度低于300℃时变化不明显,高于300℃时力学性能指标逐渐退化。试验结果可以为研究预应力结构受火灾后的损伤鉴定与评估提供参考。     

高温后HRBF500细晶粒钢筋力学性能试验研究

试验研究了16组共48根HRBF500细晶粒钢筋在常温和高温冷却作用后（5种温度、3种冷却方式）的力学性能,得到了不同高温冷却作用后细晶粒钢筋的应力-应变关系,分析了屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断后伸长率、均匀伸长率、截面收缩率等的变化规律。试验表明：温度作用相对较低时(300℃、400℃、600℃),细晶粒钢筋力学性能变化不明显;温度作用相对较高时(700℃、900℃),细晶粒钢筋各项力学指标逐渐退化。根据试验结果,经回归分析建议了高温后细晶粒钢筋屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断后伸长率的计算公式。研究成果可作为火灾后采用HRBF500级细晶粒钢筋混凝土结构的损伤评估的依据。图12表6参7     

Q345冷成型钢高温力学性能试验制度参数的影响研究

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此,开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究,定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响,结果表明： 高温稳态试验中,峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显,相对百分偏差均介于-10%~10%之间;若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同,则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近; 高温瞬态试验中,温度历程对钢材高温试验应变影响显著;相同拉伸温度下,升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%; 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显,试验参数范围内,相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之,Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响,且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

Influence of test procedure parameters on high-temperature material properties of Q345 cold-formed steel

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此，开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究，定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响，结果表明： 高温稳态试验中，峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显，相对百分偏差均介于-10%~10%之间；若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同，则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近； 高温瞬态试验中，温度历程对钢材高温试验应变影响显著；相同拉伸温度下，升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%； 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显，试验参数范围内，相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之，Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响，且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

高温自然冷却后Q345钢材疲劳性能试验研究

为研究火灾后钢材承受机械振动、风致振动和车辆振动等动力荷载的疲劳性能,通过升温、自然冷却和疲劳试验,对室温和经历250～750℃高温自然冷却后的40个Q345钢材试样进行轴向拉伸疲劳性能试验研究。结果表明:不同高温自然冷却后Q345钢材疲劳断口的破坏特征存在明显差异,裂纹扩展区和瞬断区的面积随温度升高而发生变化; Q345钢材在室温或经高温自然冷却后的疲劳断口具有典型韧窝组织,受热温度不超过500℃时韧窝组织随温度升高而增多变密,受热温度为750℃时韧窝组织减少、变浅且大小分布不均匀,主要表现为具有撕裂痕迹的类解理破坏;经高温自然冷却后Q345钢材的疲劳寿命随着温度增加而呈先增加后减小的变化趋势,与常温下钢材的疲劳寿命相比,500℃以内时,疲劳寿命随温度升高而增加,最大增幅为277.18%,750℃时疲劳寿命下降了65.27%。根据试验结果,建立不同高温自然冷却后Q345钢材的概率S-N曲线模型,利用该模型可对火灾后Q345钢结构的疲劳性能进行有效评估。     

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。     

火灾后不锈钢网架结构残余力学性能研究

研究火灾后不锈钢网架结构的残余力学性能,可为火灾后结构的评估鉴定及修复加固提供理论依据。基于奥氏体S30408不锈钢材料,采用欧洲ENV 1993-1-1∶1992《欧规3:钢结构设计规范》规定的高温下材料强度折减系数进行材料性能折减。以正放四角锥不锈钢网架为例,考虑结构在火灾升温90 min的不均匀温度场,运用ABAQUS有限元软件对比分析结构在常温下以及火灾发生过程中的力学性能。最后对火灾后有一定残余变形的结构进行分析,研究火灾后结构的残余力学性能以及承载能力。研究表明:火灾升温90 min过程中,不锈钢网架的内力及变形均有不同程度增加,其中三向铰支座处变化最快,很快达到屈服。火灾后,支座及跨中处部分杆件发生破坏。仅将破坏杆件替换修复,经分析,修复后的结构残余力学性能较好。     

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。     

高温后钢材及再生混凝土的力学性能试验研究

为了研究高温后钢材及再生混凝土的力学性能,设计了再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土立方体试块并加工了钢材标准试件,对其进行常温、200~800℃(级差为100℃)的模拟火灾高温后的受力性能试验,细致观察了高温后再生混凝土、钢材的表观变化,获取了高温后再生混凝土的破坏形态和强度、钢材的屈服及极限强度等力学性能指标;分析火灾温度对钢材及再生混凝土剩余强度的影响,并提出高温后再生混凝土的剩余强度计算式。研究结果表明:随着温度的升高,钢材的屈服强度呈先上升后下降的变化趋势,极限强度在600℃以下时变化不大,在600℃以上则显著降低;随着温度的升高,其抗压强度逐渐降低。     

静动组合荷载下混凝土高温后的双轴动态力学性能

由于试验的复杂性,高温后混凝土在复杂应力状态下的动态力学性能研究一直较少,但在建筑物火灾和国防军事防护工程中,混凝土结构多处于多轴应力和冲击荷载的共同作用下。为研究静动组合荷载下混凝土高温后双轴动态力学性能,采用真三轴静、动力综合加载试验系统,使用真三轴试验机预先施加双轴轴压,再利用SHPB试验装置,分别对常温(25℃)和200、400、600、800℃高温后混凝土试件施加冲击动载,发现了双轴应力状态下混凝土在高温后的动态力学性能规律性。结果表明:温度变化是影响高温后混凝土双轴动态力学性能的主要因素,应变率变化是次要因素;当温度大于400℃时,应力应变关系曲线出现屈服平台,混凝土韧性比低温时有显著提高。200℃是高温后混凝土双轴动态抗压强度的转折温度,当温度继续升高时,双轴动态抗压强度明显下降。     

高温下及高温后1770级ф~P5低松弛预应力钢丝力学性能试验研究

鉴于预应力钢丝高温下及高温后的力学性能是开展预应力结构抗火设计及进行火灾后预应力结构损伤评估与修复的重要依据,对16个1770级P5低松弛预应力钢丝试件进行了高温下拉伸试验,14个钢丝试件进行了高温后拉伸试验。试验表明,随着温度升高,高温下钢丝应力-应变关系曲线形状趋于平缓,钢丝的强度、弹性模量等力学指标不断退化;对于高温后钢丝,温度历程低于300℃时,钢丝力学性能变化不明显;高于300℃时,随温度历程的升高,钢丝应力-应变关系曲线逐渐软化,钢丝各项力学指标逐渐退化。应用粘弹性力学理论,得到了去除加载速率影响的高温下钢丝应力-应变关系曲线,得到了钢丝各项力学指标在高温下及高温后的退化规律,建立了高温下及高温后的钢丝应力-应变曲线方程。为开展预应力结构抗火性能分析及火灾后损伤评估提供了基础性素材。     

建筑用铝合金单次及反复受火后力学性能试验研究

为评估火灾后铝合金结构性能，应采用合理的材料本构模型，为此，对建筑用6061-T6、7075-T73铝合金进行了单次和反复受火后力学性能试验（采用自然冷却和消防喷水冷却两种冷却方式）。分析了受火后铝合金应力-应变全曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度以及延性等相关力学性能指标及其随受火温度的变化。试验结果表明：6061-T6铝合金在经历超过300℃高温后，其力学性能发生明显变化，而对于7075-T73铝合金，相应温度为200℃；不同冷却方式和反复升温-冷却过程对铝合金的力学性能影响较大；拟合了不同冷却方式下6061-T6、7075-T73铝合金单次及反复受火后力学性能的计算式，其结果与试验结果吻合良好。     

热冲压球壳Q235钢材高温后力学性能试验研究

为研究热冲压球壳Q235钢材高温后的力学性能,对经历400~900℃高温后由自然冷却和喷水冷却到常温空心球加工制作成的受拉试样进行拉伸试验,得到高温冷却后该材料的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率,并与普通Q235钢高温后力学性能进行了对比。研究结果表明：当经历温度不超过500℃时,钢材高温后强度与断后伸长率在两种冷却方式下变化规律基本类似,且变化很小。当经历温度超过500℃后,不同冷却方式对材料高温后强度与断后伸长率产生明显影响,且温度越高,相差越大,自然冷却方式下,随着温度的升高,强度降低而断后伸长率变大。喷水冷却方式下,抗拉强度增大而伸长率减小,屈服强度在500~700℃之间逐渐增大,700℃之后又快速下降。弹性模量受经历温度与冷却方式的影响较小。