火灾高温后结构钢强度性能判断方法研究

1、  火灾(高温)后结构钢强度性能判断方法研究 魏广秋1，李延和1，王业强2 （1. 南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211800；2. 江苏南通二建集团，江苏 南通 226000）摘 要：通过对我国高温后结构钢强度的大量试验数据进行统计分析，给出了经受不同温度作用后上述结构钢在采用自然冷却与喷水冷却两种不同冷却方式作用下的相对残余强度与相对断后伸长率的均值和均方差,并且进行了相关的正态检验。建立了不同温度作用后上述两种冷却方式下上述结构钢相对残余强度均值随温度变化、相对断后伸长率均值随温度变化、相对残余强度均值随相对断后伸长率均值变化的定量模型。结果显示：绝大多数情况下结构钢相

2、对残余强度均值、相对断后伸长率均值均符合正正态分布；文中建立的定量模型具有较好的精度，可作为火灾后结构钢强度判断的依据。关键词：火灾；钢材；检测；强度；统计分析中图分类号：TU3 文献标志码：AStudy on Judgment Method of Strength of Structural Steel after Fire (High Temperature)WEI Guangqiu1,LI Yanhe1,WANG Yeqiang2(1College of Civil Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing211800,Ch

3、ina;2Jiangsu Nantong two construction group，Jiangsu Nantong226000)Abstract:：Based on the statistical analysis of a large number of experimental data on the strength of structural steel after high temperature in China, the relative residual strength and relative relative strength of the above-mention

4、ed structural steels under different cooling modes are given by natural cooling and water cooling. The mean and mean variance of the elongation at break, and the relevant normal test. The relative mean value of the relative residual strength decreases with the temperature, and the relative elongatio

5、n of the relative elongation decreases with the temperature, and the relative residual strength is changed with the mean value of the relative elongation after the establishment of the two cooling modes. The results show that the mean value of the relative residual strength of structural steel in mo

6、st cases is consistent with the normal distribution. The quantitative model established in this paper has good accuracy and can be used as the basis for determining the strength of structural steel after fire.Keey words:Fire; steel; testing; strength; statistical analysis 1 引言 近二十年来，火灾后结构损伤检测鉴定方法的研究

7、，一直是工程界的研究热点。作者简介：魏广秋，男出生于1991.09，硕士研究生，主要从事无粘结预应力混凝土结构抗震方面研究。研究对象已从钢筋混凝土结构发展到钢结构和钢混组合结构。本论文开展的钢结构厂房火灾后结构损伤检测鉴定方法的研究。对减轻灾后损失，提高检测工作的科学性具有主要意义。 对遭受火灾后结构损伤检测鉴定的一个重要内容是对结构受火后材料性能变化的检测。目前，对火灾后钢材力学性能检测方法的研究工作还亟待深入。其中，现有的检测方法的精度和适用性还值得进一步研究。本章对如下几种检测方法进行改进研究。1）.拉伸试验修正法研究截今为止，所有文献在介绍取样拉伸试验法检测火灾后结构钢剩余屈服强度时，

8、均直接按照金属材料拉伸试验方法（GBT228）进行取样试验和确定试验结果。实际上，热轧刚才在受火温度大>700以上后冷却，其内部会产生相变：1）自然冷却相当于一个正火过程，结构钢内部出现的索氏体造成强度提高（脆性增加）；2）喷水冷却相当于一个淬火过程，钢结构内部出现的马氏体造成强度大幅度提高（脆性增加）。若直接根据实验结果来确定火灾后结构钢剩余强度，常常会得出结构钢强度上升而不是减少。合理的方法应考虑火灾后结构钢的脆性增加的不利影响进行修正获得强度相对降低符合结构计算要求的检测强度。一般有一定技术水平和检测经验的研究者所撰写的科研论文及火灾后建筑的结构鉴定标准（CECS 252：2009

9、）1给出的结果均考虑了这些因素的影响。但较多的检测试验单位的试验人员缺乏这方面的水平和素质，经常直接根据拉伸试验数据给出结果得出受火后结构钢强度比不受火时还要高的不合理结论。本章研究结构钢强度检测的拉伸试验修正法。2）.火灾后建筑结构鉴定标准CECS252:2009 附录5中给出了高温后结构钢的屈服强度折减系数表（本文称为温度查表法），该表的系数选自文献2。鉴于实际火灾过程中存在喷水灭火和自然冷却两种灭火方式,文献2中设有深入讨论,根据文献所述给出的分析，文中给出的折减系数主要适用于自然冷却条件下的情况，本章采用本文第一章的研究结果给出喷水冷却条件下温度查表法折减系数。3）里氏硬度法里氏硬度法

10、是结构钢材料抗拉强度的现场无损检测方法。江苏省2011年6月发布实施了地方标准里氏硬度计现场检测建筑钢结构钢材抗拉强度技术规程（DGJ32/TJ116-2011）3。该规程给出了抗拉强度的确定区间（最大值和最小值）。本文进行了如下应用改进研究：（1）将抗拉强度检测值结合火灾影响由区间范围修改为推定值；（2）将检测结果由抗拉强度值换算为屈服强度值。2 拉伸试验修正法研究2.1参数分析上节叙述到，结构钢在遭受火灾温度700以上后其内部会发生相变，冷却过程相当于正火或淬火的再次热处理过程，钢材强度提高的同时脆性也增加。应考虑脆性性质对钢材强度的不利影响，折减后得到了推定値。受火后钢材拉伸试验强度变化

11、分析 据文献14研究，火灾（高温）冷却后热轧钢材的拉伸试验强度值与未受火灾（高温）作用的钢材强度值相比有如下变化规律：（1） 受火温度在300后冷却：钢材强度基本无变化（2） 受火温度咋在300到700之间后冷却：钢材试验强度比未受火情况略有变化，但幅度较小。（3） 受火温度在700以上后冷却，自然冷却条件下，钢材试验屈服强度和极限强度比未受火情况有提高。喷水冷却条件下，钢材试验屈服强度比未受火情况有较大提高，试验极限强度也有提高。 综上所述，若直接将拉伸试验得出的强度值作为火灾后钢材强度的推定值是不准确的，常常得到“受火后钢材强度提高”的不合理结果。受火后钢材拉伸试验断后伸长率变化分析 据文

12、献14的试验及研究，钢材受火灾后取样做拉伸试验，其断后伸长率随受火温度的升高而降低。断后伸长率大小反应了钢材的塑性性能，确定钢材强度值时，必须要确保钢材具有一定的塑性性能。因此，钢材拉升试验断后伸长率的变化可作为推定钢材强度的修正参数依据。2.2修正系数及强度推定值确定方法 1.修正系数 设为考虑拉伸试验断后伸长率变化的推定强度修正系数： (1) 式中 拉伸试验推定强度值拉伸试验强度值根据文献5得到 （2）式中 钢材遭受火灾后取样做拉伸试验得到的断后伸长率常温下钢材的断后伸长率2.强度推定值确定方法由式（1）得到 （3）在遭受火灾钢结构上取样进行拉伸试验分割获得拉伸试验强度值和拉伸试验断后伸长

13、值。进而根据钢材品种查出常温下断后伸长值，带入式（2）中求出，再带入式（3）中即算得遭受火灾后钢材的拉伸试验法推定强度值。3温度查表补充研究 1.喷水冷却条件下折减系数设屈服强度折减系数用表示，则火灾后钢材的强度可按下式求得。 (4) 式中，火灾后钢材屈服强度值。 钢材屈服强度折减系数。 钢材屈服强度标准值。标准CECS252:2009附录5中表J01给出遭受火灾后屈服强度折减系数数值供查用，称为温度查表法。但是，CECS252表示J01给出的折减系数仅是自然冷却条件下的值，不适用于喷水冷却条件。根据文献5，收集数据处理，统计分析，曲线拟合得出喷水冷却条件下的计算公式，补充了温度查表法的适用范

14、围。设，则喷水冷却条件下钢材屈服强度折减系数为： （5）2.温度查表法实施确定火灾后结构钢屈服强度的步骤为：第一步：根据钢材型号品种，查钢结构设计规范GB50017得结构钢的屈服强度标准值f。第二步：先通过火灾现场调查分析得出的温度分布示意图，然后根据被检构件所在区域查示意图可得出构件的受火温度T。第三步：将T带入式（2）可得出喷水冷却条件下钢材屈服强度折减系数，也可表标准CECS252。表J01得出自然冷却条件下钢材屈服强度折减系数。第四步：按公式（4）求出火灾后钢材屈服强度值。4 结构钢强度检测硬度法应用研究4.1硬度法介绍 研究表明，金属硬度与强度之间存在关联，可以经过试验建立钢材表面硬

15、度与强度的测强曲线关系，工程现场检测时，用专门的设备测试钢材表面硬度，再查测强曲线获得钢材强度推定值，这种方法称为钢材强度检测的硬度法。目前常用的硬度法有里氏硬度法和布氏硬度法。两种方法的原理相同，但采用的设备不同。江苏省专门发布有地方标准里氏硬度计现场检测建筑钢结构钢材抗拉强度技术规程（DGJ32/TJ116-2011）,可用于工程检测参考。布氏硬度法仅在相关科研著作和科技论文中有介绍，没有见到相关的技术规程。本文仅讨论里氏硬度法在火灾后结构钢强度检测中的应用技术。4.2测区里氏硬度值 1.里氏硬度值意义 采用里氏硬度计的冲击装置将冲击体（碳化钨或金刚石球头）从固定位置释放，冲击在被测结构钢

16、材表面，测量其球头距被测钢材1mm处的冲击速度与反弹速度，后者与前者的比例即为里氏硬度值； (6) 式中，里氏硬度值（HL）；球头的冲击速度（）；球头的反弹速度（m/s）。2.测点布置及数值测量1）每一被测构件上选取3个不同部位测量进行检测，在拟检测部位进行构件编号后使用角磨机将构件表面打磨，除去油漆、火烧碳积或表面锈斑，进而分别用粗细砂纸打磨构件表面直至露出金属光泽（打磨区域应大于30mm60mm）。2）每一测区内测试9个值，则9个测点应在测区内均匀布置，测点之间距离应不小于3mm。任一测点距被测构件边缘距离应不小于5mm，同一测点只能测试一次。测试的硬度值精确至1HL，当测试面不满足垂直向

17、下的测量要求或构件厚度小于12mm时应对测试数据进行修正。2） 测量按下述程序：（1） 向下推动加载套；（2） 将冲击装置支撑环等压在试样表面上，冲击方向应与测试面垂直；（3）平稳地按动冲击装置释放钮，球头冲击构件表面后反弹，读取硬度示值。3. 测区里氏硬度值计算 从每一测区的9个测试值中去掉2个最大值和2个最小值，余下5个测试值的平均值即为测区里氏硬度值： (7) 式中，测区里氏硬度值（平均值）精确到1HL。第i个测点经过方向和厚度修正的里氏硬度值，修正差值见文献44.3里氏硬度法检测结果1. 火灾后里氏硬度法测强曲线文献4给出了钢材里氏硬度与抗拉强度范围换算表。表中对应每一里氏硬度有抗拉强度最大值和抗拉强度最小值。遭受火灾后钢材的抗拉强度应减小，但构件表面的硬度不一定减小，所以从偏于安全分析取表面硬度值对应的抗拉强度最小值为测区抗拉强度推定值。2. 火灾后结构钢屈服强度1）构件抗拉强度推定值 里氏硬度法检测结构钢强度时选取的是三个测区，鉴于火灾作用的不均匀性。应取三个测区的最小值作为构件抗拉强度的推定值: (8) 2）构件屈服强度推定值 钢材的屈服强度与抗拉强度之间存在屈强比关系，按照建筑抗震设计规范GB50011的规定，钢结构钢材的屈强比不应大于0.85，取 (9) 式中