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。     

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。     

高温下钢材力学性能研究进展

钢结构建筑发生火灾时,钢材在高温条件下屈服强度、弹性模量等材料特性出现退化,导致钢结构承载力降低。因此,研究高温条件下钢材的材料特性具有重要意义。但目前国内外没有统一公式来表达高温下不同类型钢材的材料特性。回顾了国内外钢材高温力学性能的研究现状,包括应力-应变曲线、屈服强度和弹性模量等,将现有的普通钢、高强钢和不锈钢的一些重要试验结果与欧洲规范Eurocode 3(EC3)和国内《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200:2006)(防火技术规范)进行对比分析,检验规范的适用性。从对比的结果可以看出,相对于其它应力-应变模型而言,EC3模型更加灵活;EC3和防火技术规范规定的高温下屈服强度折减系数适用于高于600℃时的普通钢,对于高强钢和低于600℃时的普通钢则不安全;弹性模量的折减系数适用于普通钢材,而对高强钢则偏保守;对于不锈钢,EC3和防火技术规范都没有给出统一的计算公式。     

高强Q460钢高温冷却后力学性能研究

为了评估高强Q460钢高温冷却后的力学性能,采用电炉对高强Q460钢进行加热升温,再采用自然冷却或浸水冷却方式冷却,然后进行拉伸试验,获得了高温冷却后高强Q460钢的应力-应变关系曲线、屈服强度、极限强度、弹性模量和极限伸长率.将高温冷却后高强Q460钢和普通Q235钢的屈服强度、极限强度和弹性模量进行对比.结果表明:高温后高强Q460钢力学性能与常温下力学性能相比有所变化,尤其是当温度超过700℃时,变化基本较大;700℃后,不同冷却方式对高强Q460钢极限强度和极限伸长率影响较大,浸水冷却后钢材的极限强度明显高于自然冷却后钢材的极限强度,而浸水冷却后钢材的极限伸长率则明显低于自然冷却后钢材的极限伸长率;高强Q460钢弹性模量和屈服强度受冷却方式的影响较小;高温冷却后高强Q460钢与普通Q235钢屈服强度、极限强度和弹性模量折减系数存在差异.     

高强Q960钢高温后力学性能试验研究

为了研究高强Q960钢在火灾后的力学性能,对过火温度为300~900℃的高强Q960钢试件进行了稳态拉伸试验,得到其在自然冷却和浸水冷却条件下的应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度和极限强度.结果表明:600℃是高强Q960钢强度发生明显变化的临界温度,将试验结果与普通Q235钢、Q345钢和高强Q460钢、Q690钢、S960钢进行比较,发现不同种类钢材经历高温后的力学性能退化程度并不相同;根据试验结果,建立了高强Q960钢高温后力学性能折减系数随温度变化的拟合公式,拟合结果与试验结果吻合较好.     

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。     

国产高强钢高温动态弹性模量试验研究

高温下弹性模量的降低将影响钢结构的承载能力和刚度,因而精确得到高温弹性模量值对于指导钢结构抗火设计、评估火灾下钢建筑性能具有重要意义。我国关于钢材高温弹性模量的现行规范为基于普通钢试验结果制定,相关研究也主要针对普通钢,国产高强钢研究的缺乏制约其在建筑工程中的应用。因此采用悬丝耦合弯曲共振法对国产高强钢Q550、Q690、Q890进行试验研究,得到3种不同强度等级钢材在20~800℃内的高温动态弹性模量值,并将所得折减系数结果与国内外相关规范和研究成果做对比。试验表明:不同强度等级高强钢的动态弹性模量折减系数随着温度升高有相似的变化规律,且明显比静态试验随温度变化的结果和相关规范值高。依据试验结果建立了国产高强钢高温动态弹性模量模型。     

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。     

高温后不同冷却条件下钢材力学性能试验研究

对经200 ℃,400 ℃,600 ℃和800 ℃热处理后的Q235钢材在自然冷却和浸水冷却两种冷却条件下的力学性能展开试验研究.描述了高温后钢材的表面特征,定性地探讨了受热温度、冷却方式对高温后钢材力学性能的影响,包括屈服强度、极限强度、弹性模量、伸长率和颈缩率,最后用最小二乘法建立了不同冷却条件下高温后钢材屈服强度和极限强度与热处理温度之间的数学模型,并将试验结果和模拟结果进行了比较.试验表明,高温后,钢材在自然冷却条件下,其力学性能基本不变;而在浸水冷却条件下,其力学性能的变化与热处理温度密切相关,尤其是热处理温度达到600 ℃以后,各项力学性能变化明显.     

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。     

高温下轴心受压高强Q690钢柱的局部稳定

现行《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249-2017)未给出火灾下钢结构的局部稳定设计方法,为了获得轴心受压焊接H形高强Q690钢柱高温下的局部稳定性能,考虑钢材高温下力学性能退化、截面高温下焊接残余应力降低及初始几何缺陷,采用ABAQUS软件建立经试验验证的高温局部稳定分析有限元模型,得到焊接H形高强Q690钢...     

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。     

Elevated-temperature mechanical properties of high strength structural steel S460N: Experimental study and recommendations for fire-resistance design

Fire-resistance design is one of the most important considerations when structural engineers conduct design of steel structures. As a basis of analyzing fire performance of steel structures, elevated-temperature mechanical properties of structural steels are significant for practical design. The recommendations of current European, American, Australian and British standards were mainly obtained from mild steels, which are in question when used to conduct fire-resistance design of high strength steel structures. In order to reveal the elevated-temperature mechanical properties of high strength steel S460N, tensile tests were conducted at various temperatures ranged 20–700 °C. The elevated-temperature reduction factors of elastic modulus, yield and ultimate strengths of S460N were obtained and compared with current design standards and available literature. According to the comparison between this research result on S460N and the available research results in literature on S460N, S460M and various mild steels, it is found that the deterioration of mechanical properties of structural steels at elevated temperature is dependent on steel grades. Thus the recommendations in current design standards are not applicable to high strength structural steels. Further unique predictive equations for the deterioration of high strength structural steel S460 at elevated temperatures were proposed and validated with available literature.     

Experimental study of the mechanical properties of light gauge cold-formed steels at elevated temperatures

In recent times, light gauge cold-formed steel sections have been used extensively as primary load-bearing structural members in many applications in the building industry. Fire safety design of structures using such sections has, therefore, become more important. Deterioration of mechanical properties of yield stress and elasticity modulus is considered the most important factor affecting the performance of steel structures in fires. Hence, there is a need to fully understand the mechanical properties of light gauge cold-formed steels at elevated temperatures. A research project based on experimental studies was, therefore, undertaken to investigate the deterioration of mechanical properties of light gauge cold-formed steels. Tensile coupon tests were undertaken to determine the mechanical properties of these steels made of both low- and high-strength steels and thicknesses of 0.60, 0.80 and 0.95 mm at temperatures ranging from 20 to 800 °C. Test results showed that the currently available reduction factors are unsafe to use in the fire safety design of cold-formed steel structures. Therefore, new predictive equations were developed for the mechanical properties of yield strength and elasticity modulus at elevated temperatures. This paper presents the details of the experimental study, and the results including the developed equations. It also includes details of a stress–strain model for light gauge cold-formed steels at elevated temperatures.     

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。