我国20 世纪90 年代初对裸露钢梁的耐火极限进行了试验验证［1］，试验表明: I36b、I40b 标准工字钢梁的耐火极限分别为15，16 min［1］。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易由于构件的失效而发生破坏。

在钢结构事故中，从设计、制作安装以及使用维护阶段来看，由于火灾原因而发生不同程度损伤的达到15%，如果仅针对使用维护阶段，则由于火灾而导致钢结构发生不同程度损伤的占比达到64%。可见: 钢结构在使用寿命中，经受火灾损伤的概率是较高的。面对火灾后的钢结构，如何判断其火灾后残余承载力并根据残余承载力确定灾后处理措施已成为亟需解决的问题［2-3］。

火灾后钢结构性能评估主要由材性、构件以及整体结构三个层次组合而成，同时还要考虑火灾升温阶段、火灾降温阶段和火灾后常温三个连续分析过程。考虑到高温过火后钢材材性对于上述三层次分析体系的重要性以及目前开展钢结构构件以及整体结构层面火灾后性能试验研究在试验设备上存在的困难，现阶段对于钢结构火灾后性能的研究以结构钢材高温后材性试验为主。

高温下钢材材性研究在国内外均具有较长的研究历史，各方面的试验研究均已具备一定体系。而高温过火后的钢材材性研究历史较短，相关文献也较少，研究成果不够完整，同时各国也缺乏相应的规范。这种情况为钢结构火灾后性能的鉴定带来了较大困难，导致无据可依。

根据现有的研究情况，将目前针对高温过火后结构钢材材性研究的文献以及相关规范规定分类进行综述。

2.1 国内外规范的相关规定

CECS 252：2009《火灾后建筑结构鉴定标准》以钢结构火灾后鉴定为目的在附录J 中对高温下以及高温过火冷却后屈服强度折减系数给出参考值见表1［4］。

目前，欧洲及澳大利亚钢结构规范均未对钢结构高温过火后性能进行说明和规定［5-7］。英国钢结构规范BS 5950-8 在附录B 中指出“在确定其材性未受严重影响或者构件没有发生超过标准的扭曲或损伤，结构钢材在高温过火之后可以再次使用”，也就表明了其认为高温过火后钢材性能在未发生明显退化情况下与一般钢材性能无异［8］。

2. 2 静力拉伸力学性能试验研究统计

国内对于建筑钢结构常用的Q235、Q345、Q420以及Q460、Q690 钢材的高温过火后不同冷却条件下静力拉伸力学性能进行了一定的试验研究［9-17］。同时，国内学者也针对对接焊缝、正面和侧面角焊缝的高温过火后性能进行了试验研究［18-21］。国外学者也对A992、S275JＲ、S355J2H、S460、S690、S960 以及G300、G500、G550 等结构钢材的高温过火后不同冷却条件下静力拉伸力学性能进行了一定的试验研究［22-28］。

图1、图2 可见: 对于高温过火后弹性模量折减系数: 1) 除S460、S690、S960 钢材外，Q235、Q345、Q420、Q460、Q690 及G300、G500、G550等钢材弹性模量高温过火前后区别较小，折减系数位于0. 85 ～ 1. 1，且随最高过火温度升高，折减系数有降低的趋势; 2) 冷却方式对于结构钢材高温过火后弹性模量折减系数几乎没有影响; 3) S460、S690、S960 钢材的弹性模量折减系数随着过火温度的升高明显降低，至800 ℃以上，钢材弹性模量仅能保留约70%。

图1 国内结构钢材高温过火后弹性模量折减系数试验结果对比

图2 国外结构钢材高温过火后弹性模量折减系数试验结果对比

从图3、图4 可见，对于高温过火后屈服强度折减系数: 1) 除G500、G550 钢材外，Q235、Q345、Q420、Q460、Q690 及S460、S690、S960、G300等钢材屈服强度在最高过火温度600 ℃以下区别较小，折减系数位于0. 80 以上，波动范围较小; 2) 当最高过火温度超过600 ℃时，自然冷却条件下，随最高过火温度的升高，折减系数有明显的降低趋势，至900 ℃以上时，屈服强度残余不足40%; 3) 浸水及喷水冷却之后，相较自然冷却以及毛毯包裹冷却，钢材屈服强度未出现较明显的折减; 4) 自然冷却条件下，G500、G550 钢材的屈服强度在550 ℃时出现骤降，钢材屈服强度仅能保留约40%，之后继续升温屈服强度呈缓慢降低趋势，降低幅度很小; 5) 对比国内试验结果与CECS 252∶ 2009 中的高温过火后钢材屈服强度折减系数规定值可以发现，对于Q460 及其以下强度钢材，CECS 252∶ 2009 的规定值是偏于安全的，基本能够保证火灾过火后残余强度评估的安全性要求，Q690 钢材强度折减系数低于规范规定值，偏于不安全。

图3 国内结构钢材高温过火后屈服强度折减系数试验结果对比

图4 国外结构钢材高温过火后屈服强度折减系数试验结果对比

从图5、图6可见，对于高温过火后极限强度折减系数: 1) 除G300、G500、G550 钢材外，Q235、Q345、Q420、Q460、Q690 及S460、S690、S960等钢材极限强度在最高过火温度600 ℃以下区别较小，折减系数位于0. 90 以上，波动范围较小; 2) 当最高过火温度超过600 ℃时，自然冷却条件下，随最高过火温度的升高，折减系数有明显的降低趋势，至900 ℃以上时，极限强度残余约为60% ; 3)浸水及喷水冷却之后，相较自然冷却以及毛毯包裹冷却，钢材极限强度有显著提升，且随着最高过火温度的升高，其极限强度提升程度增大; 4 )G500、G550 钢材的极限强度在550 ℃ 时出现骤降，钢材极限强度仅能保留约50% ，之后继续升温极限强度呈缓慢降低趋势，减低幅度很小; 5) 浸水及喷水冷却条件下，普通强度钢材的极限强度提升水平高于高强度钢材。

图5 国内结构钢材高温过火后极限强度折减系数试验结果对比

图6 国外结构钢材高温过火后极限强度折减系数试验结果对比

图7、图8 可见，对于高温过火后断后伸长率折减系数: 1) 大部分钢材断后伸长率在自然冷却条件下区别较小，断后伸长率折减系数位于0. 80 以上，且随着最高过火温度的提升，其断后伸长率有缓慢提升的趋势; 2) 浸水及喷水冷却之后，相较自然冷却以及毛毯包裹冷却，钢材断后伸长率有显著降低，且随着最高过火温度的升高，其断后伸长率降低程度增大; 3) 浸水及喷水冷却条件下，普通强度钢材的断后伸长率损失水平明显高于高强度钢材。

图7 国内结构钢材高温过火后伸长率折减系数试验结果对比

图8 国外结构钢材高温过火后伸长率折减系数试验结果对比

2. 3 结构钢材高温过火后力学性能分析

根据文献［9—17］中结构钢材高温过火后静力拉伸力学性能试验数据，进一步进行数据拟合研究。通过观察对比，采用如下拟合式对数据进行拟合:

式中:为牌号为S 的钢材( 屈服强度为) 在加热至最高过火温度T 冷却之后在采用冷却方式C冷却之后x 参数的折减系数; x 为钢材某力学性能指标，包括: 弹性模量、屈服强度、极限强度;为拟合公式拟合系数。分别对国内Q 牌号钢材及欧洲S 牌号钢材进行拟合分析。不同条件下拟合系数值见表2。

表2 国内外结构钢材高温过火冷却后材性指标拟合结果

特别地，根据试验结果以及以往文献研究结果，对中国Q 牌号钢材认为加热冷却前后弹性模量未发生变化，即。

拟合结果与试验数据对比见图9—图10 所示。

图9 中国Q 牌号钢材高温过火后浸水或泼水冷却下极限强度折减系数试验结果与拟合结果对比

图10 欧洲S 牌号钢材高温过火后自然冷却下极限强度折减系数试验结果与拟合结果对比

进一步将拟合结果CECS 252∶ 2009 中的高温过火后钢材屈服强度折减系数规定值进行对比如图11 所示。

图11 拟合结果曲线与CECS 252∶ 2009 规定值曲线对比

从上述对比可以发现: CECS 252∶ 2009 中的高温过火后钢材屈服强度折减系数规定值，对于Q460及其以下强度钢材是略微偏于安全的，能够保证火灾过火后残余强度评估的安全性要求，对Q690 钢材，在最高过火温度较高时( 大于700 ℃) 偏于不安全，需要进行调整。

2.4 焊缝连接高温过火后力学性能试验研究

国内对于建筑钢结构常用的Q235 钢材正面角焊缝以及Q345 钢材正面、侧面角焊缝和对接焊缝的高温过火后不同冷却条件下静力拉伸力学性能进行了一定的试验研究［18-21］。其试验结果的对比如表3、表4 所示。其中，对于对接焊缝，极限强度即抗拉强度; 对于角焊缝，极限强度指抗剪强度。

表3 国内结构钢材焊缝高温过火后屈服强度试验结果对比

表4 国内结构钢材焊缝高温过火后焊缝极限强度试验结果对比

从上述试验结果的对比可以得出:

1) 对于对接焊缝。a． 屈服强度随最高过火温度的提升而降低，但幅度较小，至800 ℃ 仍能保留85%，且自然冷却与喷水冷却对其折减情况影响不大; b． 极限强度随最高过火温度的提升而降低，但幅度较小，至800 ℃仍能保留80%，且自然冷却与浸水冷却对其折减情况影响不大; c．以及图3、图5 中给出的国内结构钢材高温过火后屈服强度及极限强度折减系数试验结果可以发现:对接焊缝的强度折减系数约为各文献给出的母材强度折减系数的下限值，说明火灾后焊缝相对母材而言可能成为薄弱部位，需要特别注意。d．表5 表明随着最高过火温度的提升，至约500 ℃，对接焊缝试件的薄弱处由母材转为焊缝，断裂位置也相应发生变化。

表5 文献［19］中对接焊缝试件断裂位置变化

2) 对于角焊缝。a． 自然冷却条件下，极限强度随最高过火温度的提升而降低，但幅度较小，至800 ℃能保留约80%; b． 相较自然冷却，经泼水冷却后，角焊缝的极限强度折减系数提升，强度损失变小，至800 ℃能保留约90%。

国内学者对高强螺栓连接的高温过火后性能也进行了试验研究［29-32］。研究结果表明: 1) 高温过火后，高强螺栓预紧力损失程度随着最高过火温度的增高而变大，500 ℃以上时，损失达到65% 以上;2) 自然冷却较喷水冷却螺栓预拉力损失更大，并且两种冷却方式的差距随着螺杆直径增大而变大; 3)螺杆直径越小，高温后喷水冷却预拉力损失越大，且损失程度与螺栓型号基本无关; 4) ，冷却方式对高强度螺栓的拉伸力学性能存在影响，与钢材本身相似，在自然冷却条件下，延性不断加大，强度有略微回升，但幅度不明显; 在泼水冷却条件下，屈服平台消失，延性损失较大，强度大幅度回升; 5) 高强度螺栓连接的抗滑移承载力、抗剪极限承载力均随最高过火温度的升高而下降，抗剪极限承载力降幅明显小于抗滑移承载力，且冷却方式对抗滑移承载力、抗剪极限承载力影响不大。

1) 钢材的弹性模量折减系数随最高过火温度的提升波动较小。

2) 自然冷却条件下，钢材的屈服强度以及极限强度折减系数随最高过火温度的提升有明显的下降趋势，断后伸长率随最高过火温度的提升而提升，钢材延性增强。

3) 浸水冷却等条件下，钢材的屈服强度以及极限强度折减系数随最高过火温度的提升而具有明显的上升趋势，断后伸长率随最高过火温度的提升而明显下降，钢材延性减弱; 同时普通强度钢材的屈服强度以及极限强度的提升程度与断后伸长率的下降程度均大于高强度钢材。

4) 对中国Q 牌号钢材以及欧洲S 牌号钢材的高温过火后力学性能指标进行了拟合，得到了拟合公式，并与试验结果对比验证了其准确性。

5) 对接焊缝在高温过火后同样出现劣化，并且随着温度的升高劣化程度超过母材，焊缝连接断裂位置由母材转移至焊缝处，冷却方式对于对接焊缝高温过火后力学性能影响不大。

6) 角焊缝极限强度随着最高过火温度的提升而降低，但泼水冷却能够减小极限强度的降低程度。

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