火災下超高強鋼S960力學性能與抗火設計建議

強旭紅，張至毅，姜 旭，劉 曉，任楚超

（1. 同濟大學土木工程學院，上海200092；2. 工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室，上海200092；3. 上海寶冶工程技術有限公司，上海200941；4. 廣東水利電力職業技術學院土木工程系，廣東廣州510925）

近年來，在資源匱乏、能源緊缺的形勢下，建筑設計卻朝著“高、大、新、異”的方向發展，這為實際工程中高強鋼的應用創造條件。相比于普通鋼結構，高強鋼（high strength steel, HSS)結構在結構受力性能、建筑使用功能以及社會經濟和環保效應等方面具有明顯優勢，因此，已成功應用于國內外一些大型或重要市政、道橋以及體育場館建設中，并取得良好效果，如深圳市會展中心、德國的Sony Center、瑞典軍用橋Fast Bridge 48以及北京國家體育場等［1］。

作為鋼結構研究領域的一個關鍵問題，火災對建筑鋼結構的影響早已成為相關學術領域的熱點，而高強鋼材料在火災下的力學性能又是高強鋼結構抗火研究的基礎。文獻［2-5］通過火災高溫下拉伸試驗，對高強鋼S460 和S690 的高溫力學性能進行研究，得出高強鋼在火災下性能的退化不同于普通鋼及鋼材化學成分與生產加工工藝對其高溫性能影響顯著的結論。文獻［6-7］對高強鋼S460、S690 和S960經歷火災后的力學性能進行系統研究，得到經歷不同高溫后高強鋼的力學性能并提出高強鋼受火后的評估建議：當受火溫度低于600℃時，三種高強鋼冷卻到常溫后基本可恢復其力學性能，出于安全考慮，建議取0.9的折減系數。針對國產高強鋼，文獻［8-11］通過試驗研究得到國產高強鋼Q460、Q550、Q690和Q890在火災下和火災后的力學性能。

歐洲鋼結構設計規范EC3［12］假定不同強度等級的鋼材（如S235，S275，S355，S420 和S460）在火災下選取同一組折減系數對鋼材力學性能進行折減。2007 年，EC3［13］將規范條文適用范圍拓展到鋼材強度等級S700，包括S500、S550、S620 和S690 等高強鋼。然而，EC3［12-13］中針對高強鋼在火災下力學性能的相關條文與普通鋼相同，是基于普通鋼（即S235、S275 和S355）的試驗研究結果的。同樣地，澳大利亞規范AS 4100［14］通過補充條文AS 4100-A1［15］將規范適用范圍由鋼材強度等級450 MPa 拓展到690 MPa，但沒有針對高強鋼結構對原有針對普通鋼結構的設計方法進行相應修正。現有研究結果表明［16-18］，火災下高強鋼的材料力學性能不同于普通鋼，采用規范EC3 和AS 4100 對高強鋼結構進行抗火設計可能存在安全隱患。因此，有必要對不同種類高強鋼進行試驗研究，以得到相應鋼種的抗火性能期望指導工程實踐。

本文采用穩態火災試驗方法和瞬態火災試驗方法對超高強鋼（very high strength steel,VHSS)S960進行高溫力學性能試驗，得到超高強鋼S960在火災下的材料力學性能，如彈性模量、屈服強度、極限強度、應力-應變關系曲線以及鋼材破壞模式等。將試驗研究 結 果 同 現 行 鋼 結 構 規 范EC3［12-13］、ASCE［19］、AISC［20］、AS 4100［14-15］和BS 5950［21］等進行對比分析，以驗證規范對高強鋼的適用性。同時，提出超高強鋼S960 在火災高溫作用下鋼材力學性能的擬合公式，并驗證其準確性。此外，將試驗結果與現有文獻 中S460［4］、S690［5］以 及 國 產 高 強 鋼Q460［8］、Q550［11］、Q690［11］和Q890［11］的火災下材料力學性能進行對比，以探討不同種類高強鋼火災下力學性能差異。

1 試驗研究

1.1 試驗設備

火災高溫拉伸試驗在Gleeble 3800系統中進行，該系統是全數字閉環控制熱與力學耦合測試系統，如圖1 所示。試驗中，試件加熱速率依據歐洲規范EC1 EN 1991-1-2［22］選取，即5～50 ℃·min-1，并通過三對熱電偶準確控制試件溫度，如圖2a 所示，爐內空氣溫度可由Gleeble 3800 系統自動獲取。試驗采用非接觸式激光變形測量儀測量試件應變，通過預先在QuikSim 軟件中設定的程序來控制試驗過程。所有試驗數據由電腦存儲并通過屏幕實時顯示，以監測試驗過程。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

1.2 試驗材料和試件設計

S960QL 鋼依據歐洲標準EN 10025-6［23］生產，經過淬火和回火等熱處理工藝，具有良好的韌性和焊接性能。S960QL是這類超高強鋼的縮寫，其中S表示結構鋼，960 表示鋼材名義屈服強度為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標準EN 10002-5［24］和ASTM E21-09［25］設計，如圖2 所示，超高強鋼S960QL 的化學成分如表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 超高強鋼S960QL的化學組成質量分數Tab.1 Chemical composition mass fraction of VHSS S960QL%

1.3 試驗方法

火災高溫試驗有2種方法：①恒溫加載（也稱穩態試驗）是指試件升溫到一個指定溫度，然后在這個恒定的溫度下施加荷載直到試件發生破壞。此法通過拉伸試驗可直接得到目標溫度下材料的本構關系。②恒載升溫（也稱瞬態試驗）是指試件在一定的應力水平下升溫，直至試件破壞，試驗可得到溫度-應變關系曲線，通過轉化得到鋼材應力-應變關系。瞬態試驗方法可較為真實地反映結構遭受火災高溫作用，穩態試驗方法卻因其簡便易操作而更為常用。為得到超高強鋼S960 在火災高溫下較為全面的力學性能，本文采用上述兩種火災試驗方法進行對比研究。

1.4 試驗步驟

在穩態火災試驗中，試件被加熱到目標溫度后持溫約10 min，以使試件溫度分布均勻，然后在目標溫度下對試件施加拉力直到試件破壞。穩態火災試驗的升溫速率為50 ℃·min-1，目標溫度為100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃，500 ℃，550 ℃，600 ℃，650 ℃和700 ℃，在每個目標溫度下，分別進行3 次試驗。穩態試驗采用應變控制的方法施加荷載，根據標準ASTM E21-09［25］應變速率取0.005 min-1。為比較火災高溫對超高強鋼S960材料性能的影響，同時對常溫下S960試件進行拉伸試驗。

在瞬態火災試驗中，試件受到持續恒定的拉應力作用，試件溫度以一定速率升高直到試件發生破壞。瞬態試驗的目標應力為100，200，250，300，400，500，600，650，700，800，850，900，950 和1 000 MPa。在每一目標應力下，分別進行3 次試驗。瞬態火災試驗升溫速率為10 ℃·min-1，相當于正常防火保護的鋼構件在火災中的升溫速率［4］。試驗過程中記錄試件的總應變和溫度，試件的總應變減去熱應變可得到試件在不同溫度下的應變。采用文獻［26］中的轉換方法可將瞬態火災試驗得到的應變-溫度曲線轉換成不同溫度下的應力-應變曲線，具體如圖3 所示。圖中σ為應力，ε為應變，T為溫度，t為時間。

圖3 瞬態應力-應變曲線的轉換方法［26］Fig.3 Transformation method of transient stressstrain curve[26]

2 試驗結果與討論

2.1 應力-應變關系曲線

穩態火災試驗和瞬態火災試驗得到的不同火災高溫下超高強鋼S960 的應力-應變關系曲線分別如圖4 和圖5 所示。瞬態火災試驗不同應力水平下S960的破壞溫度見表2。

圖4 穩態試驗不同火災高溫下S960的應力-應變關系Fig.4 Stress-strain curves of S960 at different fire high temperature in steady state test

圖5 瞬態試驗不同火災高溫下S960的應力-應變關系Fig.5 Stress-strain curves of S960 at different fire high temperature in transient state

2.2 彈性模量

火災高溫下鋼材的彈性模量取決于相應溫度下的應力-應變曲線關系，通過取目標溫度下鋼材應力-應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折減系數表征，彈性模量折減系數是指火災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為火災高溫θ 下的彈性模量，E20為常溫下的彈性模量。現行鋼結構設計規范EC3［12］、AISC［20］和AS 4100［14］等均采用彈性模量折減系數來進行鋼結構的抗火設計與驗算。

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

此外，將超高強鋼S960在不同火災高溫下的彈性模量折減系數與EC3［12］、AISC［20］和AS 4100［14］等現行鋼結構設計規范進行對比，如圖7 所示。可以看出，規范EC3［12］和AISC［20］對超高強鋼S960 火災下彈性模量折減系數的建議值較為準確，而規范AS 4100［14］的建議值偏于不安全。同時，將2 種火災試驗方法得到的超高強鋼S960 在不同火災高溫下的彈性模量及折減系數進行匯總，如表3所示。

圖7 火災高溫下S960彈性模量折減系數對比Fig.7 Comparison on elastic modulus reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

2.3 屈服強度

通常情況下，鋼材高溫下的屈服強度是根據應力-應變曲線中一定的應變水平所對應的應力值確定的。在現行鋼結構設計規范中，EC3［12］取2%的名義應變確定鋼材的名義屈服強度，BS 5950［21］分別取0.5%、1.5%、2%的名義應變來確定鋼材的名義屈服強度，而在AISC［20］、ASCE［27］和AS 4100［14］中，則沒有明確給出名義應變的取值。

表2 瞬態火災試驗不同應力水平下S960的破壞溫度Tab.2 Failure temperatures of S960 at various stress levels under transient state fire condition

表3 火災高溫下S960的彈性模量及折減系數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%的名義應變來確定超高強鋼S960的名義屈服強度，并對比上述4種名義屈服強度的異同。不同應變水平所對應的名義屈服強度的確定方法如圖6所示，以0.2%的名義應變來確定超高強鋼S960 的名義屈服強度（f0.2）為例，f0.2是由過0.2%應變處并與應力-應變曲線原點處切線平行的直線與應力-應變曲線相交得到。

屈服強度隨溫度升高而退化的程度可通過折減系數表征，屈服強度折減系數是指火災高溫下的屈服強度與常溫下屈服強度的比值，即fyθ/fy20，其中fyθ為火災高溫θ下的屈服強度，fy20為常溫下屈服強度。將2種火災試驗方法得到的超高強鋼S960在不同火災高溫下的屈服強度折減系數進行匯總，如表4 所示。表中給出了S960在不同溫度下，在穩態火災試驗與瞬態火災試驗中名義應變分別為0.2%、0.5%、1.5%與2.0%時對應的屈服強度折減系數。

表4 火災高溫下S960的屈服強度折減系數Tab.4 Yield strength reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

現 行 鋼 結 構 設 計 規 范EC3［12］、AISC［20］、AS 4100［14］和BS 5950［21］等均采用屈服強度折減系數來進行鋼結構的抗火設計與驗算。將試驗結果與上述規范進行對比，如圖8～圖11所示。

由圖8可看出，當溫度為350 ℃～600 ℃時，規范AISC［20］對超高強鋼S960 名義應變為0.2%屈服強度折減系數的建議值偏于保守，但在其他溫度時，AISC［20］偏不安全，規范ASCE［27］在溫度為300 ℃～600 ℃時的情況類似。由圖9 可看出，規范AISC［20］對超高強鋼S960名義應變為0.5%屈服強度折減系數的建議值偏于不安全。當溫度低于500 ℃時，英國規范BS 5950［21］偏于不安全。美國規范ASCE［27］和澳大利亞規范AS 4100［14］在溫度區間450 ℃～550 ℃偏于安全而在其他溫度區間偏于不安全。由圖10 可看出，當溫度低于400 ℃時，規范AISC［20］和規范BS 5950［21］對超高強鋼S960 名義應變為1.5%屈服強度折減系數的建議值偏于不安全。澳大利亞規范AS 4100［14］在300 ℃～600 ℃溫度區間內偏于安全而在其他溫度區間偏于不安全。對于美國規范ASCE［27］，除700 ℃外其余溫度偏于安全。由圖11可看出，歐洲規范EC3［12］對超高強鋼S960名義應變為2.0%屈服強度折減系數的建議值僅在溫度高于400 ℃時偏于安全，其余規范的情況類似于鋼材名義應變為1.5%時。

圖8 溫度-屈服強度折減系數對比（名義應變為0.2%）Fig.8 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 0.2%)

圖9 溫度-屈服強度折減系數對比（名義應變為0.5%）Fig.9 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 0.5%)

圖10 溫度-屈服強度折減系數對比（名義應變為1.5%）Fig.10 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 1.5%)

圖11 溫度-屈服強度折減系數對比（名義應變為2.0%）Fig.11 Yield strength reduction coefficients of S960 vs.temperatures(nominal strain is 2.0%)

通過試驗結果與世界各國現行鋼結構設計規范的比較可看出，基于普通鋼試驗結果的現行鋼結構設計規范不適用于超高強鋼S960 的抗火設計，因此，有必要針對高強鋼及超高強鋼提出可準確描述其抗火性能的規范條文。

2.4 極限強度

極限強度隨溫度升高而退化的程度可通過折減系數表征，極限強度折減系數是指火災高溫下的極限強度與常溫下極限強度的比值，即fuθ/fu20，其中fuθ為火災高溫θ 下的極限強度，fu20為常溫下的極限強度。將2種火災試驗方法得到的超高強鋼S960在不同火災高溫下的極限強度及折減系數進行匯總，如表5所示。

表5 火災高溫下S960的極限強度及折減系數Tab.5 Ultimate strength and reduction coefficients of S960 at high temperature of fire

將試驗結果與美國規范AISC［20］進行對比，如圖12 所示。可以看出，美國規范AISC［20］對超高強鋼S960 極限強度的建議值僅在400 ℃～600 ℃范圍內偏于安全，因此，當采用美國規范AISC［20］對超高強鋼S960進行抗火設計時，規范對其火災下極限強度的建議值可能偏于不安全。

3 預測公式

為指導實際工程中超高強鋼S960的抗火設計，基于試驗結果，對超高強鋼S960在火災高溫下的彈性模量、屈服強度和極限強度等折減系數進行數值擬合，并提出超高強鋼S960在火災高溫下力學性能的擬合公式。由于火災高溫是鋼材力學性能退化的主要因素，因此上述材料力學性能均是溫度θ 的函數。

3.1 彈性模量

基于試驗結果，提出超高強鋼S960在火災高溫下的彈性模量折減系數隨溫度θ變化的擬合公式如式（1）所示：

式中：Eθ為溫度為θ 時超高強鋼S960 的彈性模量；E20為常溫下超高強鋼S960的彈性模量。

將式（1）與試驗結果進行對比，如圖13所示，可以看出，式（1）與試驗結果擬合較好。

3.2 屈服強度

對于超高強鋼S960 名義應變為2%的屈服強度，穩態火災試驗方法與瞬態火災試驗方法結果存在不同，因此，分別建立兩組公式以擬合超高強鋼S960 在火災下的屈服強度。其中超高強鋼S960 在穩態火災下的屈服強度折減系數隨溫度θ變化的擬合公式如式（2）和式（3）所示，在瞬態火災下的擬合公式如式（4）和式（5）所示。

圖13 超高強鋼S960彈性模量折減系數與試驗結果對比Fig.13 Comparison on elastic modulus reduction coefficients of VHSS S960 with test results

式（2）～（3）中：fyθs為在穩態火災試驗條件下當溫度為θ時超高強鋼S960的屈服強度；fy20為常溫下超高強鋼S960的屈服強度。

式（4）～（5）中：fyθt為在瞬態火災試驗條件下溫度為θ時超高強鋼S960的屈服強度。

將式（2）～（5）與試驗結果進行對比，如圖14 所示，可以看出，擬合公式與試驗結果擬合較好。在實際工程項目中，從安全可靠抗火設計的角度出發，建議選擇穩態火災擬合公式（2）和（3）進行超高強鋼S960的抗火設計。

3.3 極限強度

基于試驗結果，提出超高強鋼S960在火災高溫下的極限強度折減系數隨溫度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 時超高強鋼S960 的極限強度；fu20為常溫下超高強鋼S960的極限強度。

圖14 超高強鋼S960屈服強度折減系數與試驗結果對比Fig.14 Comparison on yield strength reduction coefficients of VHSS S960 with test results

將式（6）和式（7）與試驗結果進行對比，如圖15所示，可以看出，擬合公式與試驗結果擬合較好。

圖15 超高強鋼S960極限強度折減系數與試驗結果對比Fig.15 Comparison on ultimate strength reduction coefficients of VHSS S960 with test results

4 比較分析

將兩種火災試驗方法所得超高強鋼S960 的材料力學性能與現有文獻中S460［4］、S690［5］以及國產高強鋼Q460［8］、Q550［11］、Q690［11］和Q890［11］的火災下材料力學性能進行對比，同時，驗證現行鋼結構規范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

第4節所述幾種高強鋼在火災下的彈性模量折減系數試驗結果以及與規范中鋼材火災下彈性模量折減系數對比如圖16所示。可以看出，歐標鋼材與國產鋼材在彈性模量折減系數上有著明顯差異，這是因為歐標和我國國產高強鋼在化學成分、生產加工工藝等方面的差異導致了其力學性能的差別，溫度達到700 ℃及以上時，國產高強鋼Q460彈性模量的折減系數明顯較其他強度國產高強鋼大。高強鋼試驗結果與規范對比可看出，澳大利亞規范AS 4100［14-15］對歐標高強鋼火災下彈性模量折減系數的建議值偏于不安全，歐洲規范EC3［12-13］和美國AISC［20］則均對歐標高強鋼火災下彈性模量折減系數的建議值在某溫度區間范圍內偏于不安全，但整體偏差不大，而現行各國規范對國產高強鋼火災下彈性模量折減系數的建議值在600 ℃以下時偏于安全，當溫度超過700 ℃時偏于不安全。

圖16 高強鋼彈性模量折減系數對比Fig.16 Comparison on elastic modulus reduction coefficients of high strength steel

4.2 屈服強度折減系數

幾種高強鋼在火災下的名義屈服強度（除國產高強鋼Q460 以1%的應變確定外，其他鋼材以2%的名義應變確定）折減系數試驗結果以及與規范中折減系數對比如圖17 所示，可以看出，上述幾種高強鋼在火災高溫下的屈服強度折減系數存在差異，由于現有試驗數據中屈服強度確定標準不一致，國產高強鋼Q460 與其他鋼材的折減系數相差較大。高強鋼試驗結果與規范對比可看出，EC3［12-13］、BS 5950［21］和AISC［20］等對火災下鋼材屈服強度折減系數的建議值較為接近，但規范曲線均未能完全包絡試驗值，偏于不安全。上述幾種規范對比可看出，規范ASCE［19］的建議值最偏于安全，但對高強鋼而言過于保守。

4.3 極限強度折減系數

圖17 高強鋼屈服強度折減系數對比Fig.17 Comparison on yield strength reduction coefficients of high strength steel

在現行鋼結構規范中，目前僅規范AISC［20］對火災高溫下鋼材的極限強度折減系數提出建議值，幾種高強鋼在火災下極限強度隨溫度升高的折減系數與規范AISC［20］的對比情況如圖18 所示。可以看出，上述幾種高強鋼在火災高溫下的極限強度折減系數存在差異，國產高強鋼Q460較其他鋼材的極限強度折減系數稍大，規范AISC［20］提出火災高溫下鋼材的極限強度折減系數的建議值對高強鋼整體偏于不安全。

5 結論

本文采用穩態火災試驗方法和瞬態火災試驗方法對超高強鋼S960進行高溫力學性能試驗，得到超高強鋼S960 在火災下的彈性模量、屈服強度、極限強度、應力-應變關系曲線以及鋼材破壞模式等。

將試驗研究結果與現有文獻中歐標高強鋼S460、S690 以及國產高強鋼Q460、Q550、Q690 和Q890 等不同種類高強鋼火災下材料力學性能進行對比分析，結果顯示我國與歐標不同高強鋼在火災高溫下的力學性能存在差異，這是因為不同高強鋼在化學成分、生產加工工藝等方面存在差異。

將試驗研究結果與各國現行鋼結構規范EC3、ASCE、AISC、AS 4100和BS 5950等進行對比分析，結果顯示，現行規范均不能安全可靠地指導超高強鋼S960 的抗火設計。當溫度低于700 ℃時，可采用規范ASCE 對超高強鋼S960 火災下屈服強度進行預測，結果偏于安全，但對于超高強鋼S960 火災下的彈性模量和極限強度，規范ASCE 建議值存在偏于不安全的情況。因此，為指導實際工程中超高強鋼S960 的抗火設計，基于試驗結果，采用最小二乘法對超高強鋼S960在火災高溫下的彈性模量、屈服強度和極限強度折減系數進行數值擬合，提出超高強鋼S960在火災高溫下力學性能的擬合公式，并與試驗結果對比驗證擬合公式準確有效。

此外，將歐標高強鋼S460、S690 與S960 與國產高強鋼Q460、Q550、Q690 和Q890 在火災高溫下的力學性能與各國現行主流鋼結構設計規范進行對比，結果表明：基于普通鋼研究成果的各國現行鋼結構設計規范均無法安全地指導高強鋼結構的抗火設計。

本文研究成果為高強及超高強鋼結構的設計直接沿用現行規范基于普通鋼結構得出的設計準則敲響了警鐘，凸顯了現行各大鋼結構設計規范對高強鋼結構提出針對性設計準則的必要性和緊迫性。