強(qiáng)旭紅， 武念鐸， 姜　旭， 羅永峰

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

?

超高強(qiáng)鋼S960火災(zāi)后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

強(qiáng)旭紅， 武念鐸， 姜旭， 羅永峰

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

摘要：通過試驗(yàn)研究超高強(qiáng)鋼S960過火冷卻至常溫后的力學(xué)性能，得到過火高溫對超高強(qiáng)鋼S960彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律.結(jié)果表明，鋼材火災(zāi)后的力學(xué)性能取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝.通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，給出可準(zhǔn)確表達(dá)S960火災(zāi)高溫后材料力學(xué)性能剩余程度的預(yù)測公式.

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)鋼； 火災(zāi)高溫后； 力學(xué)性能； 剩余系數(shù)； 預(yù)測公式

高強(qiáng)鋼的應(yīng)用能帶來可觀的社會經(jīng)濟(jì)效益，比如：減少用鋼量；有效地解決構(gòu)件尺寸問題，創(chuàng)造更大的建筑使用空間；減少焊接工作量；節(jié)省運(yùn)輸、吊裝費(fèi)用；減輕結(jié)構(gòu)自重；減少基礎(chǔ)造價(jià)等[1].此外，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用還能節(jié)約能源、減少碳排放，是一種環(huán)境友好型材料，符合我國節(jié)約環(huán)保型社會的建設(shè)需求.因此一些結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件宜采用高強(qiáng)鋼，如受拉構(gòu)件、大跨度結(jié)構(gòu)以及高層結(jié)構(gòu)中的短粗柱等[2].近年來，許多重要建筑結(jié)構(gòu)已采用高強(qiáng)鋼.隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用前景將更加廣泛，所以對高強(qiáng)鋼進(jìn)行深入的研究勢在必行.

鋼材在常溫下具有良好的力學(xué)性能，隨著溫度升高，鋼材的力學(xué)性能顯著降低.但是，鋼材過火冷卻至常溫后可恢復(fù)大部分的初始力學(xué)性能，因此火災(zāi)后鋼材的再利用具有一定的空間.若結(jié)構(gòu)火災(zāi)后未倒塌，構(gòu)件將隨著火勢減小及環(huán)境溫度降低而冷卻至常溫.降溫過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形不斷重分布，此時的結(jié)構(gòu)可能比火災(zāi)下更危險(xiǎn).鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后是否需要拆除、維修或者直接繼續(xù)使用，需要可靠的檢測與鑒定，而鋼材火災(zāi)后力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)火災(zāi)后性能檢測與鑒定的重要依據(jù)之一.

自美國“911”恐怖事件后，研究火災(zāi)下材料性能退化、熱約束和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的偶然移除對結(jié)構(gòu)性能的綜合影響成為結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急.目前的研究主要針對常規(guī)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼(普通鋼)[3-5]，對于高強(qiáng)鋼火災(zāi)下力學(xué)性能的研究有限，涉及的強(qiáng)度等級主要有S460[6-12]和BISPLATE 80[13].至于鋼材火災(zāi)高溫后力學(xué)性能，僅文獻(xiàn)[14]對高強(qiáng)鋼S460和S690進(jìn)行研究，即使對于普通鋼火災(zāi)后力學(xué)性能的研究也很有限[7-8,15-17].BS 5950-8(2003)附錄B[18]針對普通鋼的火災(zāi)后力學(xué)性能及繼續(xù)使用提出若干建議：若火災(zāi)后熱處理鋼和鑄鋼的變形在限值內(nèi)，則可以繼續(xù)使用；火災(zāi)后的普通鋼S235和S275可恢復(fù)常溫下(未過火)90%的力學(xué)性能；當(dāng)過火溫度超過600 °C，S355冷卻至常溫后的強(qiáng)度可恢復(fù)至常溫下(未過火)的75%以上.但是對于高強(qiáng)鋼，世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范還沒有給出任何相關(guān)建議.

本文對超高強(qiáng)鋼S960進(jìn)行火災(zāi)高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)，旨在揭示S960火災(zāi)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的剩余情況，并與現(xiàn)有研究及現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的其他等級鋼材對比，同時給出超高強(qiáng)鋼S960火災(zāi)后力學(xué)性能剩余情況的預(yù)測公式，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性.

1　試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試件的升溫在可控溫的電熱爐中完成(見圖1).高溫后的拉伸試驗(yàn)通過Gleeble 3800系統(tǒng)進(jìn)行，如圖2和3所示.Gleeble 3800系統(tǒng)是力學(xué)與熱學(xué)耦合的一體化系統(tǒng)，最大可施加20 t的壓力和10 t的拉力.本試驗(yàn)采用非接觸式激光變形測量儀測量試件的應(yīng)變，通過QuikSim軟件預(yù)先設(shè)定的程序來控制試驗(yàn)過程.試驗(yàn)過程中得出的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦存儲，并可由屏幕實(shí)時顯示，進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測.

圖1　可控溫電熱爐

圖2　Gleeble 3800系統(tǒng)

圖3　試驗(yàn)爐內(nèi)的拉伸裝置

1.2試驗(yàn)材料和試件設(shè)計(jì)

所有試件從同一塊S960QL鋼板上切割而來，鋼板名義厚度為5 mm.S960QL鋼是一種符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025-6[19]的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼.該鋼材經(jīng)過淬火回火技術(shù)處理，具有良好的抗彎性和可焊性.S960QL是鋼材等級名稱的縮寫，其中S指結(jié)構(gòu)用鋼，960指鋼材的名義屈服強(qiáng)度為960 MPa，Q指淬火回火技術(shù)，L指低溫韌性.本試驗(yàn)所用超高強(qiáng)鋼S960QL(下文簡稱S960)的化學(xué)成分見表1.試件的形狀和尺寸符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10002-5[20]和美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E21-09[21]的要求.為將試件固定到Gleeble 3800系統(tǒng)的夾具上，在試件的兩端預(yù)留孔洞，以便固定試件(見圖4).

表1　超高強(qiáng)鋼S960QL的化學(xué)組成

a 尺寸

b 試件

1.3試驗(yàn)方法

常用的評估鋼材高溫力學(xué)性能的方法是進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)火災(zāi)拉伸試驗(yàn).與瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法相比，穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法更為常用，這是因?yàn)榉€(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)操作相對容易并且能直接獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.因此，本文采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法對S960進(jìn)行試驗(yàn)研究，即試件升溫至指定溫度后自然冷卻至常溫，隨后對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn).

1.4試驗(yàn)步驟

試件在電熱爐中從常溫升溫至指定溫度，為模擬自然火災(zāi)，升溫速率取10 °C·min-1.本試驗(yàn)共選取11個火災(zāi)溫度：300、400、500、600、650、700、750、800、850、900和1 000 °C.前期研究表明[14]，升溫至100 °C和200 °C后自然冷卻至常溫，鋼材可恢復(fù)其基本力學(xué)性能，因此本試驗(yàn)并未選取100 °C和200 °C作為火災(zāi)溫度.試件升溫至指定溫度后，令溫度穩(wěn)定大約10 min，使試件中部的溫度分布均勻，隨后自然冷卻至常溫，在常溫下對試件施加拉力直至破壞.本試驗(yàn)采用應(yīng)變控制的方法施加荷載，應(yīng)變率為0.005 min-1，滿足ASTM E21-09的相關(guān)規(guī)定[21].為比較過火溫度對S960高溫后力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)同時進(jìn)行S960常溫下(未過火)的拉伸試驗(yàn).

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1彈性模量

彈性模量是影響鋼結(jié)構(gòu)承載能力的重要參數(shù)之一.高溫下鋼材的彈性模量取決于相應(yīng)溫度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.類似地，鋼材火災(zāi)高溫后的彈性模量也由鋼材高溫后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到.鋼材高溫后力學(xué)性能的剩余程度常用剩余系數(shù)評估.彈性模量剩余系數(shù)是指鋼材高溫后的彈性模量與常溫下(未過火)彈性模量的比值.由于剩余系數(shù)的使用十分便捷，歐洲、美國和澳大利亞的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，都推薦采用剩余系數(shù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)與計(jì)算.因此，本試驗(yàn)以彈性模量剩余系數(shù)的形式，研究過火溫度對S960高溫后彈性模量的影響.

試驗(yàn)得到的S960高溫后彈性模量和彈性模量剩余系數(shù)列于表2.從表2可看出：過火溫度不超過600 °C時，S960冷卻后的彈性模量與常溫下(未過火)相同；過火溫度超過600 °C后，冷卻后的彈性模量顯著降低.值得注意的是，當(dāng)過火溫度為800 °C和1 000 °C時，S960冷卻后的彈性模量仍可達(dá)到常溫下(未過火)的75%和65%.

表2　S960火災(zāi)后彈性模量和彈性模量剩余系數(shù)

2.2屈服強(qiáng)度

常溫下一般取0.2%作為鋼材的名義應(yīng)變，取此應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力作為鋼材的名義屈服強(qiáng)度.高溫下，由于沒有明確統(tǒng)一的定義，有學(xué)者采用0.5%、1.5%和2.0%分別作為名義應(yīng)變，取其對應(yīng)的應(yīng)力為鋼材的名義屈服強(qiáng)度[6-7,13].本文研究過火溫度對S960高溫后名義屈服強(qiáng)度的影響(名義應(yīng)變分別取0.2%、0.5%、1.5%和2.0%)，并對比以上4個名義應(yīng)變所對應(yīng)的名義屈服強(qiáng)度剩余情況的異同.名義應(yīng)變0.2%對應(yīng)的名義屈服強(qiáng)度(f0.2)是由應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原點(diǎn)處切線平移到0.2%應(yīng)變處的直線的交點(diǎn)確定；而0.5%、1.5%和2.0%應(yīng)變所對應(yīng)的屈服強(qiáng)度是由其應(yīng)變水平處的垂直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的交點(diǎn)確定.

鋼材的屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)是指鋼材高溫后的屈服強(qiáng)度與常溫下(未過火)屈服強(qiáng)度的比值.試件經(jīng)拉伸試驗(yàn)得到的4個不同名義應(yīng)變對應(yīng)的名義屈服強(qiáng)度見表3，屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)見表4.

表3　S960火災(zāi)后屈服強(qiáng)度

從表3和4可看出，過火溫度不超過600 °C時，S960冷卻后的名義屈服強(qiáng)度與常溫下(未過火)相同，這對超高強(qiáng)鋼S960火災(zāi)后的再利用是十分有利的.出于安全考慮，若采用超高強(qiáng)鋼S960的建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)歷火災(zāi)的溫度在600 °C以下，建議火災(zāi)后S960的名義屈服強(qiáng)度取常溫下(未過火)的90%.因此采用超高強(qiáng)鋼S960的構(gòu)件若經(jīng)歷火災(zāi)溫度在600 °C以下，同時構(gòu)件的平直度在限值內(nèi)，則火災(zāi)后可繼續(xù)使用.

值得注意的是，當(dāng)過火溫度為800 °C且名義應(yīng)變?nèi)?.5%和2.0%時，S960冷卻至常溫后的名義屈服強(qiáng)度較750 °C時有顯著提高；當(dāng)過火溫度超過800 °C后，其冷卻至常溫后的屈服強(qiáng)度顯著降低.

2.3極限強(qiáng)度

鋼材的極限強(qiáng)度剩余系數(shù)是指鋼材火災(zāi)后的極限強(qiáng)度與常溫下(未過火)極限強(qiáng)度的比值.試驗(yàn)得出的S960火災(zāi)后極限強(qiáng)度和極限強(qiáng)度剩余系數(shù)匯總于表5.從表5可看出，過火溫度不超過600 °C時，S960冷卻后的極限強(qiáng)度與常溫下(未過火)相同；即使過火溫度達(dá)到1 000 °C，S960冷卻后的極限強(qiáng)度仍可達(dá)到常溫下(未過火)的60%.與屈服強(qiáng)度相似，過火溫度為800 °C時，S960冷卻后的極限屈服強(qiáng)度有所提高；過火溫度超過800 °C后，其冷卻后的極限強(qiáng)度顯著降低，這與超高強(qiáng)鋼S960的生產(chǎn)加工工藝有關(guān).

表5　S960火災(zāi)后極限強(qiáng)度和極限強(qiáng)度剩余系數(shù)

2.4應(yīng)力-應(yīng)變曲線與破壞模式

鋼材的延性好壞是由鋼材斷裂之前的變形程度確定的.試驗(yàn)得出的S960火災(zāi)高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示.從圖5看出，過火溫度不超過800 °C時，S960冷卻后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與常溫下(未過火)相似，具有明顯的屈服平臺；過火溫度超過800 °C后，其冷卻后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸喪失屈服平臺.

當(dāng)過火溫度為800 °C時，S960冷卻后的強(qiáng)度較750 °C顯著提高，隨后隨著過火溫度升高，其冷卻后的強(qiáng)度逐漸降低.試件火災(zāi)高溫后的典型破壞模式如圖6所示.從圖6可看出，試件頸縮明顯，無脆性破壞，這表明超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)后具有良好的延性.

圖6　試件不同過火溫度冷卻后拉伸試驗(yàn)下的破壞模式

3　對比分析

現(xiàn)有研究鮮有涉及鋼材的火災(zāi)下及火災(zāi)后力學(xué)性能，BS 5950-8(2003)附錄B[18]對火災(zāi)后普通鋼的繼續(xù)使用提出相關(guān)建議，也對鑄鋼和預(yù)應(yīng)力鋼筋的火災(zāi)下及火災(zāi)后力學(xué)性能提出相關(guān)建議，但并未提及高強(qiáng)鋼.世界范圍內(nèi)現(xiàn)行的其他設(shè)計(jì)規(guī)范未對鋼材火災(zāi)后的繼續(xù)使用給出建議.

Outinen等[7-8]從升溫至710 °C的S355和S350構(gòu)件上截取試件，對試件進(jìn)行常溫下拉伸試驗(yàn),基于試驗(yàn)結(jié)果建議：若鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的變形滿足限值要求，材料的強(qiáng)度仍可滿足要求.遺憾的是，現(xiàn)階段定量的鋼材火災(zāi)后材性數(shù)據(jù)仍不足.

本節(jié)對本文試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有研究成果進(jìn)行對比分析.

3.1彈性模量

S960、S355、S460和S690火災(zāi)高溫后的彈性模量剩余系數(shù)如圖7所示.從圖7可看出，當(dāng)過火溫度低于600 °C時，4種鋼材冷卻后的彈性模量剩余系數(shù)相差不大，均可達(dá)到常溫下(未過火)的90%以上.值得注意的是，當(dāng)過火溫度超過600 °C后，S960冷卻后的彈性模量剩余系數(shù)與S690相差不大，但與S460有一定的差別，這是由鋼材生產(chǎn)加工工藝決定的.

圖7　火災(zāi)后彈性模量剩余系數(shù)對比

3.2屈服強(qiáng)度

本節(jié)比較S960、S355、S460和S690火災(zāi)高溫后屈服強(qiáng)度的剩余系數(shù)，以及BS 5950針對S235和S275給出的火災(zāi)后力學(xué)性能建議(見圖8).從圖8可看出，BS 5950針對S235和S275火災(zāi)后屈服強(qiáng)度提出的建議并不適用于高強(qiáng)鋼S460、S690和超高強(qiáng)度鋼S960；針對S355火災(zāi)后屈服強(qiáng)度提出的建議對于S460偏保守，對于S690和S960偏不安全，尤其是當(dāng)過火溫度超過700 °C后.此外，當(dāng)名義應(yīng)變?nèi)?.2%和0.5%時，S960火災(zāi)后的屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)與S690相似；當(dāng)名義應(yīng)變?nèi)?.5%和2.0%且過火溫度超過800 °C后，S960冷卻后的名義屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)與S690有較大差別.綜上所述，鋼材火災(zāi)后的屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝.

a 0.2%名義應(yīng)變

b 0.5%名義應(yīng)變

c 1.5%名義應(yīng)變

d 2.0%名義應(yīng)變

圖8火災(zāi)后屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)對比

Fig.8Comparison of post-fire yield strength residual factors

3.3極限強(qiáng)度

本節(jié)比較S960、S355、S460和S690過火冷卻后極限強(qiáng)度的剩余系數(shù)，以及BS 5950針對S235和S275給出的火災(zāi)后力學(xué)性能建議(見圖9).從圖9可看出，BS 5950針對普通鋼S235和S275火災(zāi)后極限強(qiáng)度提出的建議并不適用于高強(qiáng)鋼S460、S690和超高強(qiáng)度鋼S960；針對S355火災(zāi)后極限強(qiáng)度提出的建議對于S460偏保守，但對于S690和S960并不適用，特別是當(dāng)過火溫度超過700 °C后.此外，當(dāng)過火溫度低于800 °C時，S960火災(zāi)高溫后的極限強(qiáng)度剩余系數(shù)與S690相似；當(dāng)過火溫度超過800 °C后，S960冷卻后的極限強(qiáng)度剩余系數(shù)與S690有較大差別.因此，鋼材火災(zāi)后的極限強(qiáng)度剩余系數(shù)取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝.綜上，采用BS 5950針對普通鋼火災(zāi)后力學(xué)性能的建議來預(yù)測高強(qiáng)鋼的火災(zāi)后力學(xué)性能是十分危險(xiǎn)的，各國規(guī)范針對高強(qiáng)鋼火災(zāi)后力學(xué)性能及其可否繼續(xù)使用提出相應(yīng)的建議迫在眉睫.本文在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的預(yù)測公式.

圖9　火災(zāi)后極限強(qiáng)度剩余系數(shù)對比

4　預(yù)測公式

過火溫度是鋼材力學(xué)性能退化的主要因素，因此鋼材的各力學(xué)性能剩余系數(shù)是試件過火溫度θ的函數(shù).

4.1彈性模量

S960火災(zāi)后的彈性模量剩余系數(shù)與S690相同，前期研究[14]給出S690火災(zāi)高溫后彈性模量剩余系數(shù)的預(yù)測公式，本文采用該公式(見式(1)和(2))與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比(見圖10).從圖10可看出，預(yù)測公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且該公式形式簡單，故建議采用該公式預(yù)測超高強(qiáng)鋼S960火災(zāi)高溫后的彈性模量剩余程度.

圖10　式(1)～(2)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

Fig.10Comparison of predicted elastic modulus residual factor from Eqs. (1) and (2) with test results

(1)

10-3θ-0.806,600<θ≤1 000

(2)

式中：Eθ為S960過火溫度θ時冷卻后的彈性模量；E20為S960常溫下(未過火)的彈性模量.

4.2屈服強(qiáng)度

由于0.5%、1.5%和2.0%的名義應(yīng)變應(yīng)用范圍有限，故本文僅提出0.2%名義應(yīng)變對應(yīng)的S960名義屈服強(qiáng)度剩余系數(shù)預(yù)測公式.

圖11列出2種預(yù)測公式(見式(3)～(6))與試驗(yàn)結(jié)果的對比情況.從圖11可看出，式(3)～(4)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但有時偏于不安全.因此出于安全考慮，建議采用式(5)～(6)預(yù)測超高強(qiáng)鋼S960火災(zāi)后屈服強(qiáng)度的剩余程度.

圖11　式(3)～(6)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

Fig.11Comparison of predicted yield strength residual factor from Eqs. (3)～(6) with test results

(3)

9.388×10-3θ-0.333,600<θ≤1 000

(4)

(5)

4.596,600<θ≤1 000

(6)

式中：fyθ為S960過火溫度θ時冷卻后的屈服強(qiáng)度；fy20為S960常溫下(未過火)的屈服強(qiáng)度.

4.3極限強(qiáng)度

通過試驗(yàn)可看出，過火溫度為800 °C時，S960冷卻后的極限強(qiáng)度較750 °C顯著提高，因此本文采用3段公式擬合試驗(yàn)結(jié)果(見圖12).從圖12可看出，預(yù)測公式(7)～(9)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

(7)

(8)

10-2θ+8.564,800<θ≤1 000

(9)

式中：fuθ為S960過火溫度θ時冷卻后的極限強(qiáng)度；fu20為S960常溫下(未過火)的極限強(qiáng)度.

圖12　式(7)～(9)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

Fig.12Comparison of predicted ultimate strength residual factor from Eqs. (7)～(9) with test results

5　結(jié)語

本文對超高強(qiáng)鋼S960進(jìn)行不同過火溫度冷卻至常溫后的拉伸試驗(yàn)，得到過火溫度對S960彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律和典型破壞模式.試驗(yàn)結(jié)果表明，S960火災(zāi)后的力學(xué)性能與S460、S690及普通鋼不同，鋼材過火冷卻后的力學(xué)性能取決于鋼材的等級和生產(chǎn)加工工藝，因此BS 5950針對普通鋼火災(zāi)后力學(xué)性能及可否繼續(xù)使用提出的建議并不適用于高強(qiáng)鋼，應(yīng)對高強(qiáng)鋼提出針對性建議.值得注意的是，與其他等級鋼材相似，當(dāng)過火溫度低于600 °C時，超高強(qiáng)鋼S960冷卻后可恢復(fù)其基本力學(xué)性能.因此，當(dāng)火災(zāi)溫度不超過600 °C且采用S960構(gòu)件火災(zāi)后的平直度滿足限值要求時，構(gòu)件可以繼續(xù)使用.出于安全考慮，建議此時S960的力學(xué)性能取常溫下(未過火)的90%.為便于評估S960過火溫度超過600 °C甚至達(dá)到1 000 °C冷卻后的力學(xué)性能，本文提出一系列公式預(yù)測S960火災(zāi)后的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度剩余情況.通過與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證預(yù)測公式的準(zhǔn)確性，這為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)后性能的檢測鑒定及可否繼續(xù)使用提供理論依據(jù)，也為各國相關(guān)規(guī)范的修訂提供參考.

參考文獻(xiàn):

[1]李國強(qiáng)，王彥博，陳素文，等. 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼研究現(xiàn)狀及其在抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)用問題[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2013, 34(1):1.

LI Guoqiang, WANG Yanbo, CHEN Suwen,etal. State-of-the-art on research of high strength structural steels and key issues of using high strength steels in seismic structure [J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(1):1.

[2]Bjorhovde R. Performance and design issues for high strength steel in structures [J]. Advances in Structural Engineering, 2010, 13(3):403.

[3]Kodur V, Dwaikat M, Fike R. High-temperature properties of steel for fire resistance modeling of structures [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2010, 22(5):423.

[4]Outinen J, Kesti J, Makelainen P. Fire design model for structural steel S355 based upon transient state tensile test results [J]. Journal of Constructional Steel Research, 1997, 42(3):161.

[5]Makelainen P, Outinen J, Kesti J. Fire design model for structure steel S420M based upon transient-state tensile test results [J]. Journal of Constructional Steel Research, 1998, 48(1):47.

[6]Outinen J, Kaitila O, Makelainen P. High-temperature testing of structural steel and modelling of structures at fire temperatures[R]. Helsinki: Helsinki University of Technology, 2001.

[7]Outinen J. Mechanical properties of structural steels at high temperatures and after cooling down[R]. Helsinki: Helsinki University of Technology, 2007.

[8]Outinen J, Makelainen P. Mechanical properties of structural steel at elevated temperatures and after cooling down [J]. Fire and Materials, 2004, 28(2/4):237.

[9]Lange J, Wohlfeil N. Examination of the mechanical properties of the microalloyed grain refined steel S460 at elevated temperatures [J]. Bautechnik, 2007, 84(10):711.

[10]Schneider R, Lange J. Constitutive equations of structural steel S460 at high temperatures [C]// Nordic Steel Construction Conference. Darmstadt: [s.n.], 2009:204-211.

[11]Schneider R, Lange J. Constitutive equations and empirical creep law of structural steel S460 at high temperatures [C]// Structures in Fire 2010. East Lansing: DEStech Publication Inc., 2010: 703-710.

[12]Schneider R, Lange J. Material and creep behaviour of S460 in case of fire experimental investigation and analytical modeling [C]// International Conference Application of Structural Fire Engineering. Prague: Cost, 2011:55-60.

[13]Chen J, Young B, Uy B. Behavior of high strength structural steel at elevated temperatures [J]. Journal of Structural Engineering, 2006, 7(3):331.

[14]Qiang X, Bijlaard F S K, Kolstein H. Post-fire mechanical properties of high strength structural steels S460 and S690 [J]. Engineering Structures, 2012, 35:1.

[15]陳建鋒，曹平周. 高溫后結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 11(3):328.

CHEN Jianfeng, CAO Pingzhou. Experimental investigation into mechanical properties of steel post high temperatures [J]. Journal of PLA University of Science and Technology, 2010, 11(3):328.

[16]丁發(fā)興，余志武，溫海林. 高溫后Q235鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2006, 9(2):245.

DING Faxing, YU Zhiwu, WEN Hailin. Experimental research on mechanical properties of Q235 steel after high temperature treatment [J]. Journal of Building Materials, 2006, 9(2):245.

[17]張有桔，朱躍，趙升，等. 高溫后不同冷卻條件下鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2009, 25(5):104.

ZHANG Youju, ZHU Yue, ZHAO Sheng,etal. Experimental research on mechanial properties of steel cooled in different modes after high temperature treatment [J]. Structural Engineers, 2009, 25(5):104.

[18]British Standards Institution (BSI). BS 5950-8 Structural use of steelwork in building. Part 8: code of practice for fire resistant design [S]. London: BSI, 1998.

[19]European Committee for Standardization. European Standard EN 10025-6 Hot rolled products of structural steels. Part 6: technical delivery conditions for flat products of high yield strength structural steels in the quenched and tempered condition [S]. Brussels: CEN, 2009.

[20]European Committee for Standardization. European Standard EN 10002-5 Metallic materials-tensile testing. Part 5: method of testing at elevated temperature [S]. Brussels: CEN, 1992.

[21]American Society for Testing and Materials (ASTM). ASTM E21-09 Standard test methods for elevated temperature tension tests of metallic materials [S]. West Conshohocken: ASTM, 2009.

收稿日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51408150)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014KJ044)

通訊作者：姜旭(1982—)，男，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)和鋼與組合橋.E-mail：jiangxu@#edu.cn

中圖分類號：TU392

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Post-fire Mechanical Properties of Very High Strength Steel S960

QIANG Xuhong， WU Nianduo， JIANG Xu， LUO Yongfeng

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：This paper presents an experimental study on very high strength steel S960 after cooling down from elevated temperatures and its post-fire elastic modulus, yield strength, ultimate strength and stress-strain curves are obtained. The results show that the material properties of steels after fire are dependent on their grade and process of manufacture. Based on the experimental results, this paper proposes some unique predictive equations for evaluating the post-fire mechanical properties of S960.

Key words：very high strength steel; post-fire; mechanical properties; residual factor; predictive equation

第一作者： 強(qiáng)旭紅(1984—)，女，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)抗火及高強(qiáng)鋼在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用.

E-mail：qiangxuhong@#edu.cn