PDF《高强度钢高温材性及构件抗火研究综述》

钢结构T程研究⑥ 《钢结构》2010增_ 高强度钢高温材性及构件抗火研究综述 刘兵王卫永 提要:介绍r高0¨女钢的定义,优^发在丈断工程巾的应川,分析了一≈强垭结构制构件抗火研究的必要 件.

蜀邂r囝内外对J二高似J壁结构钢的高温村性性能以及构件抗火的研究现状.抖埘一目强度钢结构执火性 日}研究工作进==J_r燧单. 关键词:高强度钢:抗火:材料性能 1.高强度钢的定义、优点及目前的应用 钢利佧为一种建筑村料.以其众多优点,如强度高、自雨轻、施丁T蝴衙、抗震性能 好等,在现代建筑中的应用范围越来越r.随着国内钢结掏建筑的篷勃发展,上程所用钢 材的不fI|『=创新,从早蚓的Q235发展到Q345再到Q

360、Q390. 一直到目前的Q

420、Q460 等高强度铜材.关十高强度钢^j,同内外尚没有统

一、明确的定义.澳人利删 规范定义 心服强度大』i 450MPa,美目ASTM 1规定屈服强度大F 690MPa,香港规范 定义埘服强度在 460MPa、690MPa之问,欧洲标准 规定屈服强度大十460MPa,我图《钢分类》 规范中规定 桶服强度大十等于420MPa,同济火学李国强教授 .定义屈服强度人于锋r 440ⅥPa,抗拉强 度大r等十590MI,a的钢材,存建筑结构中均属于高强度钢材. 德IⅫ.&

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Ⅲ2目F*m I|,Dm m#^'

高|i虽度钢…其具有高的__}};

服强度、执扎强度和抵抗脆性破坏的性能,井可有设减轻结 构fl币,提高结构的抗震性能.逐渐0『起丁建筑行业的关注,相关产品也』Ju紧开发和大范 【目摊J'

使Hj .例虫¨.2004年修建的J匕京新保利大厦工程_人部分框架柱采崩了荧国标准 w14系列的热轧H l 制,钢材屈服强度420MPa,抗拉强度505~660MPa,物理及力学性能 相当于Q420 C钢材'

. 在最近的几年,国内义有批钢结构_f=砰!采用高强度结构钢.如北京奥运会主仲育场 *±mH:毂竹∞%等{桎m f¨^ 日#¨(ⅧHm№}2009019】120032 铡缔构T程研究@ 《钏结构》20'

o增制 馆 岛巢 使用的是同产Q460E--Z35钢,最大板厚II Omm,总用钢最高达4 2万吨…,如图l所示;

如国家游泳小心 水寺方一r程使用了新型Q420C高强厚钢板 ,如图2所示: 又如中央电视台新台址主楼使用了Q420卜Z

25、Q460E--Z35级别的高强度钢,卡体结构总 用钢净重约为t2 6万吨 2;

此外,在我Ⅲ电力丁程冉向,电阿输电线路铁塔钢材也丌始采 用Q420和Q460高强度钢材1'

. 在国外,高强度钢在多个实际工程t{・得到应用,获得了良好的效果.例如,位丁德国 柏林的索尼clt心大楼(Sony Center)屋顶桁架采用了$460和$690高强度刑材(屈服强度标 准值分别为460MPa和6909Pa),有效减小丁构件截面,降低结构r J重.如图3所水. 目3F目*#女月一110大接目 %4*^W《悉M*#《m(Star City) 《5 Ij$№《lBnd衄rk Tour^Ⅱ 位于澳大利Ⅱ悉尼的星城饭店(Star City)采用了艇服强度为650MPa和690MPa的制 材,以及悉尼中心区世抖广场(worl d Square)的Latl rude大厦,在转换层的钢结构中,采 用了16mm厚的Bisplate80(690MPa)铡板,姒减小结构重量.如图4所示. 日本横滨的Landmark Tower大厦,其I形截面柱采用丁埔服强度为600MPa钢材.…. 可见高强度钢的麻Ji|】领域托逐步扩大中,从』《i先的汽车、船舶、桥粱、压力容器、锅炉等 过渡到建筑结构上的广泛应用,如图5所示. 2.高强钢结构抗火研究的必要性 钢材虽为非燃烧材料,但它耐热不耐火,温度为400'

cM.钢材的堪服强度将降至室 铡结构J二鞋研究@ 《铡结构》2010增刊 温下强度的一半,温度达到600℃时,基本丧失全部的强度和刚度 .根据理论分析及试 验结果 1,钢结构耐火性能差的主要原因有:(1)在火灾高温作用下,由于其内部品格结 构发生变化,强度、弹性模量等基本力学性能随温度升高降低明显;

(2)钢构件多为薄壁 状,截面系数大,从火场吸收热量多.火灾中升温快:(3)钢材的导热系数大,截面温度 均匀分布,火更容易损伤其内部材料. 当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,其耐火极限仅为10mi n~20mi n, 旦发生火 灾,结构非常锌易遭到破坏甚至倒塌,如图

6、7所示: Hfi^女∞F#目IⅡ』B H 7^女^,d%nm&

国内外,火灾中钢结构被烧毁、倒塌的事故小胜枚举.例如 ,1996年JE京市环岛家 具城发牛火灾,锢结构发生整体倒塌:2001年 9・11 事件中,纽约世贸巾心两座1lO 崖、4ll米高的钢结构大楼因E机撞击后发牛的火灾而导致结构倒塌,造成数干人伤亡. 2003年上海大众汽1二制动器厂发牛火灾.造成部分钢结构厂房倒塌,整个人众汽车的生产 深受影响, 高愠度钢作为钢材的种,耐火性能与普通钢相似,在火灾下非常容易破坏,因此研 究高强度俐构件的受火性能具有霞婴的理论意义和_【=程应井j价值. 3.高强度钢材的高温材性性能研究现状 钢材的高温材性件能丰耍有两个方面:①高湍下钢材的物理性能,包括热膨胀系数、 热传导系数、比热、密度等;

②高温下钢材的力学性能,包括强度(屈服强度和极限强度)、 弹性模量、应力一应变率构芙系、松弛与蠕变效应等. 1)国外研究现状 由于早期的高强度钢材土要用J'

制作高强度蝶栓等连接什,对高温F的利性试验研究 般针对高强度螺栓进行. 1977―1982年,日奉的小久保勋、田中淳夫等对FtOT级高强度蝶栓进行了高温材陛试 验,得到了FIOT级螺栓的高温应力一麻变关系f}}I线5. 1995年,照囤Ki rby 对8 8级高强度螺栓进行了高温r拉仲和双剪材性试验,试验 钢结构工程研究⑧ '

钢结构》2010增刊 的最高温度为800 C,试验还比较了螺母材料对整个螺栓受力的影响. 2001年,Theodorou对8.8级螺栓用钢进行了高温性能试验,得到了8.8级螺栓用钢 的高温应力一应变关系曲线,以及试件的破坏情况旧. 2)国内研究现状 2001年,同济大学的李国强教授、蒋首超博士等瞳盯对国内10.9级高强度螺栓常用 20MnTiB钢进行了研究,提出了高温下钢材的屈服强度、极限强度、弹性模量等力学性能 的模型. 试验的屈服强度为名义应变为0.2%时对应的应力值,屈服强度工及极限强度无的统 计计算公式分别见式(1)(2): Jy__L:4*l旷r3―6x1矿T2+O.0011T+O.9603 (1) 3, . L_zr:一2*10―672+7*10―5T+1.0473 (2) 1. 式中丁表示温度(℃),下标r表示高温量值.屈服强度、极限强度统计计算公式与试验 值对比见图

8、9.

1400 12∞

1000 枷600

400 200 O 墨度r'

℃'

'

、!. '

八7X200

400 600

800 矗度7.'

℃'

图8屈服强厦计算公式与试验值对比 图9极限强厦计算公式与试验值对比 高温下20MnTiB钢材弹性模量E的统计数据拟合的计算公式如下: D 竺￡=6*10-gT3―8x10-6T2+O.0016T+0.9433 (3) E 另外,中国人民武装警察部队学院屈立军拉21教授对国产0420高强度钢材高温下的强度 性能进行了试验研究,并进行了恒载升温和恒温加载两种试验的对比,结果显示恒载升温 比恒温加载的钢材强度要小. ・ 近年来,高强度钢材在结构上的广泛使用,已经有人开始对高强度钢材高温材性进行 研究,以便给高强度钢构件及整体结构的抗火设计提供一定的基础数据. Chen嵋引对高强度钢BISPLATE 80(相当于ASTM A 514,EN 10137―2 Grade$690Q,和JISG3128)的进行了高温材性试验,试验结果得出的高强度钢弹性模量和对应残余应变为 0.2%时的屈服强度,并发现高强度钢和普通钢的弹性模量和屈服强度在22℃'

540℃之间非 常相似,温度超过540℃之后两者的差别较大.最后,根据试验........