火災(zāi)下超高強(qiáng)鋼S960力學(xué)性能與抗火設(shè)計(jì)建議

強(qiáng)旭紅，張至毅，姜 旭，劉 曉，任楚超

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2. 工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3. 上海寶冶工程技術(shù)有限公司，上海200941；4. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東廣州510925）

近年來(lái)，在資源匱乏、能源緊缺的形勢(shì)下，建筑設(shè)計(jì)卻朝著“高、大、新、異”的方向發(fā)展，這為實(shí)際工程中高強(qiáng)鋼的應(yīng)用創(chuàng)造條件。相比于普通鋼結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)鋼（high strength steel, HSS)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力性能、建筑使用功能以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效應(yīng)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外一些大型或重要市政、道橋以及體育場(chǎng)館建設(shè)中，并取得良好效果，如深圳市會(huì)展中心、德國(guó)的Sony Center、瑞典軍用橋Fast Bridge 48以及北京國(guó)家體育場(chǎng)等［1］。

作為鋼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，火災(zāi)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的影響早已成為相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而高強(qiáng)鋼材料在火災(zāi)下的力學(xué)性能又是高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗火研究的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［2-5］通過(guò)火災(zāi)高溫下拉伸試驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)鋼S460 和S690 的高溫力學(xué)性能進(jìn)行研究，得出高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下性能的退化不同于普通鋼及鋼材化學(xué)成分與生產(chǎn)加工工藝對(duì)其高溫性能影響顯著的結(jié)論。文獻(xiàn)［6-7］對(duì)高強(qiáng)鋼S460、S690 和S960經(jīng)歷火災(zāi)后的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，得到經(jīng)歷不同高溫后高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能并提出高強(qiáng)鋼受火后的評(píng)估建議：當(dāng)受火溫度低于600℃時(shí)，三種高強(qiáng)鋼冷卻到常溫后基本可恢復(fù)其力學(xué)性能，出于安全考慮，建議取0.9的折減系數(shù)。針對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼，文獻(xiàn)［8-11］通過(guò)試驗(yàn)研究得到國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460、Q550、Q690和Q890在火災(zāi)下和火災(zāi)后的力學(xué)性能。

歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3［12］假定不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材（如S235，S275，S355，S420 和S460）在火災(zāi)下選取同一組折減系數(shù)對(duì)鋼材力學(xué)性能進(jìn)行折減。2007 年，EC3［13］將規(guī)范條文適用范圍拓展到鋼材強(qiáng)度等級(jí)S700，包括S500、S550、S620 和S690 等高強(qiáng)鋼。然而，EC3［12-13］中針對(duì)高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下力學(xué)性能的相關(guān)條文與普通鋼相同，是基于普通鋼（即S235、S275 和S355）的試驗(yàn)研究結(jié)果的。同樣地，澳大利亞規(guī)范AS 4100［14］通過(guò)補(bǔ)充條文AS 4100-A1［15］將規(guī)范適用范圍由鋼材強(qiáng)度等級(jí)450 MPa 拓展到690 MPa，但沒(méi)有針對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)原有針對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行相應(yīng)修正?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明［16-18］，火災(zāi)下高強(qiáng)鋼的材料力學(xué)性能不同于普通鋼，采用規(guī)范EC3 和AS 4100 對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)可能存在安全隱患。因此，有必要對(duì)不同種類高強(qiáng)鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，以得到相應(yīng)鋼種的抗火性能期望指導(dǎo)工程實(shí)踐。

本文采用穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法和瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法對(duì)超高強(qiáng)鋼（very high strength steel,VHSS)S960進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)，得到超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)下的材料力學(xué)性能，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及鋼材破壞模式等。將試驗(yàn)研究 結(jié) 果 同 現(xiàn) 行 鋼 結(jié) 構(gòu) 規(guī) 范EC3［12-13］、ASCE［19］、AISC［20］、AS 4100［14-15］和BS 5950［21］等進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證規(guī)范對(duì)高強(qiáng)鋼的適用性。同時(shí)，提出超高強(qiáng)鋼S960 在火災(zāi)高溫作用下鋼材力學(xué)性能的擬合公式，并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。此外，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn) 中S460［4］、S690［5］以 及 國(guó) 產(chǎn) 高 強(qiáng) 鋼Q460［8］、Q550［11］、Q690［11］和Q890［11］的火災(zāi)下材料力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，以探討不同種類高強(qiáng)鋼火災(zāi)下力學(xué)性能差異。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

火災(zāi)高溫拉伸試驗(yàn)在Gleeble 3800系統(tǒng)中進(jìn)行，該系統(tǒng)是全數(shù)字閉環(huán)控制熱與力學(xué)耦合測(cè)試系統(tǒng)，如圖1 所示。試驗(yàn)中，試件加熱速率依據(jù)歐洲規(guī)范EC1 EN 1991-1-2［22］選取，即5～50 ℃·min-1，并通過(guò)三對(duì)熱電偶準(zhǔn)確控制試件溫度，如圖2a 所示，爐內(nèi)空氣溫度可由Gleeble 3800 系統(tǒng)自動(dòng)獲取。試驗(yàn)采用非接觸式激光變形測(cè)量?jī)x測(cè)量試件應(yīng)變，通過(guò)預(yù)先在QuikSim 軟件中設(shè)定的程序來(lái)控制試驗(yàn)過(guò)程。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦存儲(chǔ)并通過(guò)屏幕實(shí)時(shí)顯示，以監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.2 試驗(yàn)材料和試件設(shè)計(jì)

S960QL 鋼依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10025-6［23］生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)淬火和回火等熱處理工藝，具有良好的韌性和焊接性能。S960QL是這類超高強(qiáng)鋼的縮寫(xiě)，其中S表示結(jié)構(gòu)鋼，960 表示鋼材名義屈服強(qiáng)度為960 MPa，Q 表示淬火和回火工藝，L 表示低溫韌性。試件的尺寸和形狀依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 10002-5［24］和ASTM E21-09［25］設(shè)計(jì)，如圖2 所示，超高強(qiáng)鋼S960QL 的化學(xué)成分如表1所示。

圖2 試件形狀及尺寸（單位：mm）Fig.2 Shape and dimensions of test specimen (unit:mm)

表1 超高強(qiáng)鋼S960QL的化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Chemical composition mass fraction of VHSS S960QL%

1.3 試驗(yàn)方法

火災(zāi)高溫試驗(yàn)有2種方法：①恒溫加載（也稱穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)）是指試件升溫到一個(gè)指定溫度，然后在這個(gè)恒定的溫度下施加荷載直到試件發(fā)生破壞。此法通過(guò)拉伸試驗(yàn)可直接得到目標(biāo)溫度下材料的本構(gòu)關(guān)系。②恒載升溫（也稱瞬態(tài)試驗(yàn)）是指試件在一定的應(yīng)力水平下升溫，直至試件破壞，試驗(yàn)可得到溫度-應(yīng)變關(guān)系曲線，通過(guò)轉(zhuǎn)化得到鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。瞬態(tài)試驗(yàn)方法可較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)遭受火災(zāi)高溫作用，穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法卻因其簡(jiǎn)便易操作而更為常用。為得到超高強(qiáng)鋼S960 在火災(zāi)高溫下較為全面的力學(xué)性能，本文采用上述兩種火災(zāi)試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比研究。

1.4 試驗(yàn)步驟

在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)中，試件被加熱到目標(biāo)溫度后持溫約10 min，以使試件溫度分布均勻，然后在目標(biāo)溫度下對(duì)試件施加拉力直到試件破壞。穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)的升溫速率為50 ℃·min-1，目標(biāo)溫度為100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃，500 ℃，550 ℃，600 ℃，650 ℃和700 ℃，在每個(gè)目標(biāo)溫度下，分別進(jìn)行3 次試驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)采用應(yīng)變控制的方法施加荷載，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E21-09［25］應(yīng)變速率取0.005 min-1。為比較火災(zāi)高溫對(duì)超高強(qiáng)鋼S960材料性能的影響，同時(shí)對(duì)常溫下S960試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

在瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)中，試件受到持續(xù)恒定的拉應(yīng)力作用，試件溫度以一定速率升高直到試件發(fā)生破壞。瞬態(tài)試驗(yàn)的目標(biāo)應(yīng)力為100，200，250，300，400，500，600，650，700，800，850，900，950 和1 000 MPa。在每一目標(biāo)應(yīng)力下，分別進(jìn)行3 次試驗(yàn)。瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)升溫速率為10 ℃·min-1，相當(dāng)于正常防火保護(hù)的鋼構(gòu)件在火災(zāi)中的升溫速率［4］。試驗(yàn)過(guò)程中記錄試件的總應(yīng)變和溫度，試件的總應(yīng)變減去熱應(yīng)變可得到試件在不同溫度下的應(yīng)變。采用文獻(xiàn)［26］中的轉(zhuǎn)換方法可將瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)得到的應(yīng)變-溫度曲線轉(zhuǎn)換成不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體如圖3 所示。圖中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，T為溫度，t為時(shí)間。

圖3 瞬態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)換方法［26］Fig.3 Transformation method of transient stressstrain curve[26]

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)和瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)得到的不同火災(zāi)高溫下超高強(qiáng)鋼S960 的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分別如圖4 和圖5 所示。瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)不同應(yīng)力水平下S960的破壞溫度見(jiàn)表2。

圖4 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)不同火災(zāi)高溫下S960的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain curves of S960 at different fire high temperature in steady state test

圖5 瞬態(tài)試驗(yàn)不同火災(zāi)高溫下S960的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain curves of S960 at different fire high temperature in transient state

2.2 彈性模量

火災(zāi)高溫下鋼材的彈性模量取決于相應(yīng)溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，通過(guò)取目標(biāo)溫度下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始彈性階段的切線模量為彈性模量，如圖6所示。

彈性模量隨溫度升高而退化的程度可通過(guò)折減系數(shù)表征，彈性模量折減系數(shù)是指火災(zāi)高溫下的彈性模量與常溫下彈性模量的比值，即Eθ/E20，其中Eθ為火災(zāi)高溫θ 下的彈性模量，E20為常溫下的彈性模量?，F(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3［12］、AISC［20］和AS 4100［14］等均采用彈性模量折減系數(shù)來(lái)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。

圖6 鋼材力學(xué)性能的確定方法Fig.6 Determination method of mechanical properties of steels

此外，將超高強(qiáng)鋼S960在不同火災(zāi)高溫下的彈性模量折減系數(shù)與EC3［12］、AISC［20］和AS 4100［14］等現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示?？梢钥闯觯?guī)范EC3［12］和AISC［20］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960 火災(zāi)下彈性模量折減系數(shù)的建議值較為準(zhǔn)確，而規(guī)范AS 4100［14］的建議值偏于不安全。同時(shí)，將2 種火災(zāi)試驗(yàn)方法得到的超高強(qiáng)鋼S960 在不同火災(zāi)高溫下的彈性模量及折減系數(shù)進(jìn)行匯總，如表3所示。

圖7 火災(zāi)高溫下S960彈性模量折減系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison on elastic modulus reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

2.3 屈服強(qiáng)度

通常情況下，鋼材高溫下的屈服強(qiáng)度是根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中一定的應(yīng)變水平所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值確定的。在現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，EC3［12］取2%的名義應(yīng)變確定鋼材的名義屈服強(qiáng)度，BS 5950［21］分別取0.5%、1.5%、2%的名義應(yīng)變來(lái)確定鋼材的名義屈服強(qiáng)度，而在AISC［20］、ASCE［27］和AS 4100［14］中，則沒(méi)有明確給出名義應(yīng)變的取值。

表2 瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)不同應(yīng)力水平下S960的破壞溫度Tab.2 Failure temperatures of S960 at various stress levels under transient state fire condition

表3 火災(zāi)高溫下S960的彈性模量及折減系數(shù)Tab.3 Elastic modulus and reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

本文分別選取0.2%、0.5%、1.5%、2%的名義應(yīng)變來(lái)確定超高強(qiáng)鋼S960的名義屈服強(qiáng)度，并對(duì)比上述4種名義屈服強(qiáng)度的異同。不同應(yīng)變水平所對(duì)應(yīng)的名義屈服強(qiáng)度的確定方法如圖6所示，以0.2%的名義應(yīng)變來(lái)確定超高強(qiáng)鋼S960 的名義屈服強(qiáng)度（f0.2）為例，f0.2是由過(guò)0.2%應(yīng)變處并與應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點(diǎn)處切線平行的直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線相交得到。

屈服強(qiáng)度隨溫度升高而退化的程度可通過(guò)折減系數(shù)表征，屈服強(qiáng)度折減系數(shù)是指火災(zāi)高溫下的屈服強(qiáng)度與常溫下屈服強(qiáng)度的比值，即fyθ/fy20，其中fyθ為火災(zāi)高溫θ下的屈服強(qiáng)度，fy20為常溫下屈服強(qiáng)度。將2種火災(zāi)試驗(yàn)方法得到的超高強(qiáng)鋼S960在不同火災(zāi)高溫下的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行匯總，如表4 所示。表中給出了S960在不同溫度下，在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)與瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)中名義應(yīng)變分別為0.2%、0.5%、1.5%與2.0%時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)。

表4 火災(zāi)高溫下S960的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)Tab.4 Yield strength reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

現(xiàn) 行 鋼 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范EC3［12］、AISC［20］、AS 4100［14］和BS 5950［21］等均采用屈服強(qiáng)度折減系數(shù)來(lái)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。將試驗(yàn)結(jié)果與上述規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，如圖8～圖11所示。

由圖8可看出，當(dāng)溫度為350 ℃～600 ℃時(shí)，規(guī)范AISC［20］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960 名義應(yīng)變?yōu)?.2%屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的建議值偏于保守，但在其他溫度時(shí)，AISC［20］偏不安全，規(guī)范ASCE［27］在溫度為300 ℃～600 ℃時(shí)的情況類似。由圖9 可看出，規(guī)范AISC［20］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960名義應(yīng)變?yōu)?.5%屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的建議值偏于不安全。當(dāng)溫度低于500 ℃時(shí)，英國(guó)規(guī)范BS 5950［21］偏于不安全。美國(guó)規(guī)范ASCE［27］和澳大利亞規(guī)范AS 4100［14］在溫度區(qū)間450 ℃～550 ℃偏于安全而在其他溫度區(qū)間偏于不安全。由圖10 可看出，當(dāng)溫度低于400 ℃時(shí)，規(guī)范AISC［20］和規(guī)范BS 5950［21］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960 名義應(yīng)變?yōu)?.5%屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的建議值偏于不安全。澳大利亞規(guī)范AS 4100［14］在300 ℃～600 ℃溫度區(qū)間內(nèi)偏于安全而在其他溫度區(qū)間偏于不安全。對(duì)于美國(guó)規(guī)范ASCE［27］，除700 ℃外其余溫度偏于安全。由圖11可看出，歐洲規(guī)范EC3［12］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960名義應(yīng)變?yōu)?.0%屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的建議值僅在溫度高于400 ℃時(shí)偏于安全，其余規(guī)范的情況類似于鋼材名義應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)。

圖8 溫度-屈服強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比（名義應(yīng)變?yōu)?.2%）Fig.8 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 0.2%)

圖9 溫度-屈服強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比（名義應(yīng)變?yōu)?.5%）Fig.9 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 0.5%)

圖10 溫度-屈服強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比（名義應(yīng)變?yōu)?.5%）Fig.10 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 1.5%)

圖11 溫度-屈服強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比（名義應(yīng)變?yōu)?.0%）Fig.11 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 2.0%)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與世界各國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的比較可看出，基于普通鋼試驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范不適用于超高強(qiáng)鋼S960 的抗火設(shè)計(jì)，因此，有必要針對(duì)高強(qiáng)鋼及超高強(qiáng)鋼提出可準(zhǔn)確描述其抗火性能的規(guī)范條文。

2.4 極限強(qiáng)度

極限強(qiáng)度隨溫度升高而退化的程度可通過(guò)折減系數(shù)表征，極限強(qiáng)度折減系數(shù)是指火災(zāi)高溫下的極限強(qiáng)度與常溫下極限強(qiáng)度的比值，即fuθ/fu20，其中fuθ為火災(zāi)高溫θ 下的極限強(qiáng)度，fu20為常溫下的極限強(qiáng)度。將2種火災(zāi)試驗(yàn)方法得到的超高強(qiáng)鋼S960在不同火災(zāi)高溫下的極限強(qiáng)度及折減系數(shù)進(jìn)行匯總，如表5所示。

表5 火災(zāi)高溫下S960的極限強(qiáng)度及折減系數(shù)Tab.5 Ultimate strength and reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

將試驗(yàn)結(jié)果與美國(guó)規(guī)范AISC［20］進(jìn)行對(duì)比，如圖12 所示。可以看出，美國(guó)規(guī)范AISC［20］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960 極限強(qiáng)度的建議值僅在400 ℃～600 ℃范圍內(nèi)偏于安全，因此，當(dāng)采用美國(guó)規(guī)范AISC［20］對(duì)超高強(qiáng)鋼S960進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)時(shí)，規(guī)范對(duì)其火災(zāi)下極限強(qiáng)度的建議值可能偏于不安全。

3 預(yù)測(cè)公式

為指導(dǎo)實(shí)際工程中超高強(qiáng)鋼S960的抗火設(shè)計(jì)，基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)高溫下的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度等折減系數(shù)進(jìn)行數(shù)值擬合，并提出超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)高溫下力學(xué)性能的擬合公式。由于火災(zāi)高溫是鋼材力學(xué)性能退化的主要因素，因此上述材料力學(xué)性能均是溫度θ 的函數(shù)。

3.1 彈性模量

基于試驗(yàn)結(jié)果，提出超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)高溫下的彈性模量折減系數(shù)隨溫度θ變化的擬合公式如式（1）所示：

式中：Eθ為溫度為θ 時(shí)超高強(qiáng)鋼S960 的彈性模量；E20為常溫下超高強(qiáng)鋼S960的彈性模量。

將式（1）與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示，可以看出，式（1）與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

3.2 屈服強(qiáng)度

對(duì)于超高強(qiáng)鋼S960 名義應(yīng)變?yōu)?%的屈服強(qiáng)度，穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法與瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法結(jié)果存在不同，因此，分別建立兩組公式以擬合超高強(qiáng)鋼S960 在火災(zāi)下的屈服強(qiáng)度。其中超高強(qiáng)鋼S960 在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)下的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度θ變化的擬合公式如式（2）和式（3）所示，在瞬態(tài)火災(zāi)下的擬合公式如式（4）和式（5）所示。

圖13 超高強(qiáng)鋼S960彈性模量折減系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison on elastic modulus reduction coefficients of VHSS S960 with test results

式（2）～（3）中：fyθs為在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)條件下當(dāng)溫度為θ時(shí)超高強(qiáng)鋼S960的屈服強(qiáng)度；fy20為常溫下超高強(qiáng)鋼S960的屈服強(qiáng)度。

式（4）～（5）中：fyθt為在瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)條件下溫度為θ時(shí)超高強(qiáng)鋼S960的屈服強(qiáng)度。

將式（2）～（5）與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖14 所示，可以看出，擬合公式與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，從安全可靠抗火設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，建議選擇穩(wěn)態(tài)火災(zāi)擬合公式（2）和（3）進(jìn)行超高強(qiáng)鋼S960的抗火設(shè)計(jì)。

3.3 極限強(qiáng)度

基于試驗(yàn)結(jié)果，提出超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)高溫下的極限強(qiáng)度折減系數(shù)隨溫度θ變化的擬合公式如式（6）和式（7）所示：

式（6）～（7）中：fuθ為溫度為θ 時(shí)超高強(qiáng)鋼S960 的極限強(qiáng)度；fu20為常溫下超高強(qiáng)鋼S960的極限強(qiáng)度。

圖14 超高強(qiáng)鋼S960屈服強(qiáng)度折減系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison on yield strength reduction coefficients of VHSS S960 with test results

將式（6）和式（7）與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖15所示，可以看出，擬合公式與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

圖15 超高強(qiáng)鋼S960極限強(qiáng)度折減系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison on ultimate strength reduction coefficients of VHSS S960 with test results

4 比較分析

將兩種火災(zāi)試驗(yàn)方法所得超高強(qiáng)鋼S960 的材料力學(xué)性能與現(xiàn)有文獻(xiàn)中S460［4］、S690［5］以及國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460［8］、Q550［11］、Q690［11］和Q890［11］的火災(zāi)下材料力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)，驗(yàn)證現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范EC3［12-13］、ASCE［19］、AISC［20］、AS 4100［14-15］和BS 5950［21］等的適用性。

4.1 彈性模量折減系數(shù)

第4節(jié)所述幾種高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下的彈性模量折減系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果以及與規(guī)范中鋼材火災(zāi)下彈性模量折減系數(shù)對(duì)比如圖16所示?？梢钥闯觯瑲W標(biāo)鋼材與國(guó)產(chǎn)鋼材在彈性模量折減系數(shù)上有著明顯差異，這是因?yàn)闅W標(biāo)和我國(guó)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼在化學(xué)成分、生產(chǎn)加工工藝等方面的差異導(dǎo)致了其力學(xué)性能的差別，溫度達(dá)到700 ℃及以上時(shí)，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460彈性模量的折減系數(shù)明顯較其他強(qiáng)度國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼大。高強(qiáng)鋼試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范對(duì)比可看出，澳大利亞規(guī)范AS 4100［14-15］對(duì)歐標(biāo)高強(qiáng)鋼火災(zāi)下彈性模量折減系數(shù)的建議值偏于不安全，歐洲規(guī)范EC3［12-13］和美國(guó)AISC［20］則均對(duì)歐標(biāo)高強(qiáng)鋼火災(zāi)下彈性模量折減系數(shù)的建議值在某溫度區(qū)間范圍內(nèi)偏于不安全，但整體偏差不大，而現(xiàn)行各國(guó)規(guī)范對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼火災(zāi)下彈性模量折減系數(shù)的建議值在600 ℃以下時(shí)偏于安全，當(dāng)溫度超過(guò)700 ℃時(shí)偏于不安全。

圖16 高強(qiáng)鋼彈性模量折減系數(shù)對(duì)比Fig.16 Comparison on elastic modulus reduction coefficients of high strength steel

4.2 屈服強(qiáng)度折減系數(shù)

幾種高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下的名義屈服強(qiáng)度（除國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460 以1%的應(yīng)變確定外，其他鋼材以2%的名義應(yīng)變確定）折減系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果以及與規(guī)范中折減系數(shù)對(duì)比如圖17 所示，可以看出，上述幾種高強(qiáng)鋼在火災(zāi)高溫下的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)存在差異，由于現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)中屈服強(qiáng)度確定標(biāo)準(zhǔn)不一致，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460 與其他鋼材的折減系數(shù)相差較大。高強(qiáng)鋼試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范對(duì)比可看出，EC3［12-13］、BS 5950［21］和AISC［20］等對(duì)火災(zāi)下鋼材屈服強(qiáng)度折減系數(shù)的建議值較為接近，但規(guī)范曲線均未能完全包絡(luò)試驗(yàn)值，偏于不安全。上述幾種規(guī)范對(duì)比可看出，規(guī)范ASCE［19］的建議值最偏于安全，但對(duì)高強(qiáng)鋼而言過(guò)于保守。

4.3 極限強(qiáng)度折減系數(shù)

圖17 高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)比Fig.17 Comparison on yield strength reduction coefficients of high strength steel

在現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中，目前僅規(guī)范AISC［20］對(duì)火災(zāi)高溫下鋼材的極限強(qiáng)度折減系數(shù)提出建議值，幾種高強(qiáng)鋼在火災(zāi)下極限強(qiáng)度隨溫度升高的折減系數(shù)與規(guī)范AISC［20］的對(duì)比情況如圖18 所示?？梢钥闯?，上述幾種高強(qiáng)鋼在火災(zāi)高溫下的極限強(qiáng)度折減系數(shù)存在差異，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460較其他鋼材的極限強(qiáng)度折減系數(shù)稍大，規(guī)范AISC［20］提出火災(zāi)高溫下鋼材的極限強(qiáng)度折減系數(shù)的建議值對(duì)高強(qiáng)鋼整體偏于不安全。

5 結(jié)論

本文采用穩(wěn)態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法和瞬態(tài)火災(zāi)試驗(yàn)方法對(duì)超高強(qiáng)鋼S960進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)，得到超高強(qiáng)鋼S960 在火災(zāi)下的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線以及鋼材破壞模式等。

將試驗(yàn)研究結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中歐標(biāo)高強(qiáng)鋼S460、S690 以及國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460、Q550、Q690 和Q890 等不同種類高強(qiáng)鋼火災(zāi)下材料力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示我國(guó)與歐標(biāo)不同高強(qiáng)鋼在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能存在差異，這是因?yàn)椴煌邚?qiáng)鋼在化學(xué)成分、生產(chǎn)加工工藝等方面存在差異。

將試驗(yàn)研究結(jié)果與各國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范EC3、ASCE、AISC、AS 4100和BS 5950等進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，現(xiàn)行規(guī)范均不能安全可靠地指導(dǎo)超高強(qiáng)鋼S960 的抗火設(shè)計(jì)。當(dāng)溫度低于700 ℃時(shí)，可采用規(guī)范ASCE 對(duì)超高強(qiáng)鋼S960 火災(zāi)下屈服強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果偏于安全，但對(duì)于超高強(qiáng)鋼S960 火災(zāi)下的彈性模量和極限強(qiáng)度，規(guī)范ASCE 建議值存在偏于不安全的情況。因此，為指導(dǎo)實(shí)際工程中超高強(qiáng)鋼S960 的抗火設(shè)計(jì)，基于試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法對(duì)超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)高溫下的彈性模量、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行數(shù)值擬合，提出超高強(qiáng)鋼S960在火災(zāi)高溫下力學(xué)性能的擬合公式，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證擬合公式準(zhǔn)確有效。

此外，將歐標(biāo)高強(qiáng)鋼S460、S690 與S960 與國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q460、Q550、Q690 和Q890 在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能與各國(guó)現(xiàn)行主流鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：基于普通鋼研究成果的各國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均無(wú)法安全地指導(dǎo)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)。

本文研究成果為高強(qiáng)及超高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接沿用現(xiàn)行規(guī)范基于普通鋼結(jié)構(gòu)得出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則敲響了警鐘，凸顯了現(xiàn)行各大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)提出針對(duì)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的必要性和緊迫性。