本文得出以下结论：1）Q235FRB 和 Q345FRB 钢材在高温环境中表现出良好的高温稳定性，在 600℃高温中的屈服强度折减系数约为 0.75，在 600℃高温 1h 保持下，屈服强度能够达到常温时的 2/3，其高温下力学性能明显优于同等级普通钢。所以在实际工程中，受温度影响较大的结构可优先选用 Q235FRB、Q345FRB 材料，以保证高温环境下更好的力学性能。其 Q235FRB 和 Q345FRB 钢材高温下的屈服强度、抗拉强度的强度折减系数，可参考本文所给（2-1）~（2-8）模型式计算。
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
随着我国经济的快速发展，国家基础设施建设越来越完善，人们已不仅仅满足于传统的钢筋混凝土结构，更加新颖的高层、超高层、大跨度空间等钢结构逐渐成为人们关注的焦点。因为钢结构在工程中施工速度快，环境污染小，绿色环保等特点，成为建筑行业的“新宠”，向传统的钢筋混凝土结构发起“挑战”。以单层工业厂房为例，钢结构的成本不仅更低而且施工周期减少一半，极大的提高了建筑施工效率，所以钢结构作为钢材建筑结构的一种主要建筑形式，将会成为我国基础建设工程未来发展的主要方向。近年来，如图 1- 1 所示的“深圳平安中心”超高层钢结构和如图 1- 2 所示的“国家大剧院”大跨度钢结构等成为我国钢结构代表建筑，一次一次的刷新我国钢结构新纪录。所以绿色、高效、节能、创新的钢结构对城市建设发展起到了积极的作用，未来也将更多的被应用于超市、体育场、仓库、工厂等城市配套设施建筑中。钢铁材料作为钢结构建筑的主要材料，随着钢结构的快速发展，也得到了越来越广泛的关注。
图 1- 1 深圳平安金融中心（高 660 米） 图 1- 2 国家大剧院（主轴长 212 米）
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1.2 国内外研究现状
1987 年，日本建筑委员会颁布了“新火灾设计系统规范”，首先提出耐火钢的概念[2-4]。日本研究人员通过添加合金元素的方式开发出了新钢材，这种新钢材表现出在高温环境下仍有较高强度的特性。
1989 年，日本新日铁公司完成了建筑用耐火钢的批量生产，使用建筑用耐火钢代替普通建筑钢材，并且成功应用到实际建筑，为耐火钢发展提供指导。日本的新川大厦是首座使用耐火钢材料的钢结构建筑，新日铁公司采用耐火钢材料代替普通钢材料，使需要涂的防火层从 50mm 减少到 15mm，整个工程节省了 1/3~1/2 的防火涂层材料，大大减少了建造成本。
1993 年，R.Chijiiwa 等[5]人研究了 SM490A 级耐火钢。R.Chijiiwa 通过对其高温及常温下力学性能的研究，得出了 SM490A 级耐火钢的力学性能和温度之间的变化关系，同时对 SM490A 级耐火钢在工程中的使用情况提出建议，并且对日本新日铁公司生产的耐火钢进行研究，试验得出了耐火钢在高温环境下的各项力学性能，并且对已经使用 NSFR-490A 级耐火钢的两栋日本建筑进行了抗火性试验研究。
1999 年，ShaW[6-8]根据对耐火钢材料的力学性能及材料性能等方面的研究，阐述了耐火钢的设计方法，进一步完善了耐火钢的研究。
之后随着钢铁行业与建筑行业的发展，耐火钢的研究进入到更加细致的领域，国内外学者不仅对耐火钢材料力学特性进行试验研究，而且逐渐扩展到对耐火钢耐火机理，微观组织结构的观察与分析等多方面。随着研究的深入，耐火钢结构构件热处理工艺[9-10]，焊接工艺[11]同时得到广泛的关注。
.........................
第 2 章 耐火钢高温下力学性能研究
2.1 概述
本章通过对高温下 Q235FRB 和 Q345FRB 材料进行拉伸试验，探究温度变化对耐火钢的应力-应变曲线的影响；高温下 Q235FRB 和 Q345FRB 的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率等；求出强度折减系数；研究分析不同的温度对 Q235FRB和 Q345FRB 力学性能影响规律；为 Q235FRB 和 Q345FRB 材料的抗火设计提供材性基础。最后，本章拟合 Q235FRB 和 Q345FRB 力学性能与温度的公式，并将试验结果与其他钢材试验结果进行对比。
高温稳态试验采用的是恒温加载法，这种方法是将试件按着一定的升温速率加热到指定温度，然后保持此温度不变，采用力保持模块，使其在保温时间内试验机荷载保持为 0，最后按着一定的加载速率对试件进行拉伸。
本文高温稳态试验的设置温度为 30℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃，每个温度工况为一组，一组设置 2 个试验试件。通过文献[61,62]可知，高温试验炉的升温速率在 20℃/min 时，试件的温度和炉内热电偶的比较相近，所以本文试验的升温速率为 20℃/min。在稳态试验中，首先将高温炉按设计的升温速率 (20℃/min)升至指定温度，保温 1h，升温及保温过程试验机荷载为 0，即允许试件自然膨胀[63]。之后，根据《金属材料高温拉伸试验方法》(GB/T4338—2006)的要求，高温稳态试验的加载方式采用两段加载，第一阶段测量高温下钢材的弹性模量和屈服强度，加载速率为 0.015 mm/min；当试件的应变为 2.5%时，采用第二阶段加载速率，测量高温下钢材的极限抗拉强度，加载速率为 1.5 mm/min，直至试件断裂，在加载过程中，温度控制需要始终保持不变。
.........................
2.2 试验方案
2.2.1试验设备
高温稳态试验在同济大学结构抗火试验室进行，同济大学结构抗火试验室配备MTS300KN 高温电子万能试验机，并配有 MTS 升温炉，升温炉的功率可根据试验需要设置，炉内配有电热丝加热及石棉保温，升温炉的最高温度为 1200℃。测量试件拉伸应变采用 D-42551 高温陶瓷引伸计，引伸计采样频率为 5 Hz，量程为 50 mm，如图 2- 2。
图 2- 1 300KN 高温电子材料试验机 图 2- 2 高温炉
..........................
第 3 章 耐火钢高温后力学性能研究...........................31
3.1 概述......................31
3.2 试验方案.................................31
第 4 章 耐火钢低温冲击性能研究.......................57
4.1 概述....................................57
4.2 试件制备..............................57
第 5 章 耐火钢结构火灾下承载性能研究...........................63
5.1 概述......................................63
5.2 高温下材料属性特征...................................63
第 5 章 耐火钢结构火灾下承载性能研究
5.1 概述
以往的研究发现，用设置温度场的有限元模型模拟装配整体式框架结构遭受火灾与真实火灾中的装配整体式框架结构的结果相差不大，有很高的可靠度，所以运用 ABAQUS 有限元软件，进行火灾下钢结构框架模拟并进行对比分析是可行的。因此，本章运用 ABAQUS 有限元软件对四种材料的钢结构框架进行算例分析，以验证在实际工程中，Q235FRB 和 Q345FRB 钢材与普通 Q235 和 Q345 钢材的力学性能差异。
本章在确定标准升温曲线，材料属性，材料力学性能的基础上，参考已有的文献[76]设置装配整体式框架尺寸，运用 ABAQUS 有限元软件的温度场模型，得出框架结构在火灾中的位移情况，并且进行同型号的普通钢与耐火钢之间的对比分析，对第 2 章高温下耐火钢力学性能中得出的结论进行验证。
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结论
本文对耐火钢进行了拉伸试验、冲击试验研究，得出了高温下及高温后自然冷却、浸水冷却条件处理后 Q235FRB、Q345FRB 耐火钢的强度折减系数，并拟合了合理的不同状态下的耐火钢强度折减系数公式方程；在选取实际试验数据的基础上，运用 ABAQUS 有限元分析软件建立了钢结构框架受火之后力学性能分析模型，并建立 Q235、Q345 普通钢规范值有限元模型作为对比分析模型，主要分析了不同材料的钢结构框架在温度场下的竖向位移变形，对 Q235FRB 和 Q345FRB 在实际工程中的使用提出了合理的建议。通过以上工作，本文得出以下结论：
1）Q235FRB 和 Q345FRB 钢材在高温环境中表现出良好的高温稳定性，在 600℃高温中的屈服强度折减系数约为 0.75，在 600℃高温 1h 保持下，屈服强度能够达到常温时的 2/3，其高温下力学性能明显优于同等级普通钢。所以在实际工程中，受温度影响较大的结构可优先选用 Q235FRB、Q345FRB 材料，以保证高温环境下更好的力学性能。其 Q235FRB 和 Q345FRB 钢材高温下的屈服强度、抗拉强度的强度折减系数，可参考本文所给（2-1）~（2-8）模型式计算。
2）经高温冷却后 Q235FRB 和 Q345FRB 钢材在不同温度和不同冷却方式下有不同的外观特征，可根据火灾后钢材的外观特征进行火灾中温度场及冷却条件的推测。当火灾温度小于 700℃时，自然冷却和浸水冷却对两种耐火钢的屈服强度影响不大；当火灾温度大于 700℃时，自然冷却条件下的两种耐火钢屈服强度降低，对结构进行进一步加固修复处理，而浸水冷却条件下，由于相当于对钢材进行高温淬火，所以两种耐火钢屈服强度有明显增大。不同火灾温度下不同冷却方式对 Q235FRB、Q345FRB 的抗拉强度影响与屈服强度相似，温度大于 700℃时，当采用自然冷却方式时，需要作进一步加固修复处理。火灾后钢结构受损鉴定中，Q235FRB 和 Q345FRB钢材高温后的屈服强度、抗拉强度，可参考本文所给（3-1）~（3-12）数学模型公式计算。
参考文献（略）
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
随着我国经济的快速发展，国家基础设施建设越来越完善，人们已不仅仅满足于传统的钢筋混凝土结构，更加新颖的高层、超高层、大跨度空间等钢结构逐渐成为人们关注的焦点。因为钢结构在工程中施工速度快，环境污染小，绿色环保等特点，成为建筑行业的“新宠”，向传统的钢筋混凝土结构发起“挑战”。以单层工业厂房为例，钢结构的成本不仅更低而且施工周期减少一半，极大的提高了建筑施工效率，所以钢结构作为钢材建筑结构的一种主要建筑形式，将会成为我国基础建设工程未来发展的主要方向。近年来，如图 1- 1 所示的“深圳平安中心”超高层钢结构和如图 1- 2 所示的“国家大剧院”大跨度钢结构等成为我国钢结构代表建筑，一次一次的刷新我国钢结构新纪录。所以绿色、高效、节能、创新的钢结构对城市建设发展起到了积极的作用，未来也将更多的被应用于超市、体育场、仓库、工厂等城市配套设施建筑中。钢铁材料作为钢结构建筑的主要材料，随着钢结构的快速发展，也得到了越来越广泛的关注。
图 1- 1 深圳平安金融中心（高 660 米） 图 1- 2 国家大剧院（主轴长 212 米）
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1.2 国内外研究现状
1987 年，日本建筑委员会颁布了“新火灾设计系统规范”，首先提出耐火钢的概念[2-4]。日本研究人员通过添加合金元素的方式开发出了新钢材，这种新钢材表现出在高温环境下仍有较高强度的特性。
1989 年，日本新日铁公司完成了建筑用耐火钢的批量生产，使用建筑用耐火钢代替普通建筑钢材，并且成功应用到实际建筑，为耐火钢发展提供指导。日本的新川大厦是首座使用耐火钢材料的钢结构建筑，新日铁公司采用耐火钢材料代替普通钢材料，使需要涂的防火层从 50mm 减少到 15mm，整个工程节省了 1/3~1/2 的防火涂层材料，大大减少了建造成本。
1993 年，R.Chijiiwa 等[5]人研究了 SM490A 级耐火钢。R.Chijiiwa 通过对其高温及常温下力学性能的研究，得出了 SM490A 级耐火钢的力学性能和温度之间的变化关系，同时对 SM490A 级耐火钢在工程中的使用情况提出建议，并且对日本新日铁公司生产的耐火钢进行研究，试验得出了耐火钢在高温环境下的各项力学性能，并且对已经使用 NSFR-490A 级耐火钢的两栋日本建筑进行了抗火性试验研究。
1999 年，ShaW[6-8]根据对耐火钢材料的力学性能及材料性能等方面的研究，阐述了耐火钢的设计方法，进一步完善了耐火钢的研究。
之后随着钢铁行业与建筑行业的发展，耐火钢的研究进入到更加细致的领域，国内外学者不仅对耐火钢材料力学特性进行试验研究，而且逐渐扩展到对耐火钢耐火机理，微观组织结构的观察与分析等多方面。随着研究的深入，耐火钢结构构件热处理工艺[9-10]，焊接工艺[11]同时得到广泛的关注。
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第 2 章 耐火钢高温下力学性能研究
2.1 概述
本章通过对高温下 Q235FRB 和 Q345FRB 材料进行拉伸试验，探究温度变化对耐火钢的应力-应变曲线的影响；高温下 Q235FRB 和 Q345FRB 的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和断后伸长率等；求出强度折减系数；研究分析不同的温度对 Q235FRB和 Q345FRB 力学性能影响规律；为 Q235FRB 和 Q345FRB 材料的抗火设计提供材性基础。最后，本章拟合 Q235FRB 和 Q345FRB 力学性能与温度的公式，并将试验结果与其他钢材试验结果进行对比。
高温稳态试验采用的是恒温加载法，这种方法是将试件按着一定的升温速率加热到指定温度，然后保持此温度不变，采用力保持模块，使其在保温时间内试验机荷载保持为 0，最后按着一定的加载速率对试件进行拉伸。
本文高温稳态试验的设置温度为 30℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃，每个温度工况为一组，一组设置 2 个试验试件。通过文献[61,62]可知，高温试验炉的升温速率在 20℃/min 时，试件的温度和炉内热电偶的比较相近，所以本文试验的升温速率为 20℃/min。在稳态试验中，首先将高温炉按设计的升温速率 (20℃/min)升至指定温度，保温 1h，升温及保温过程试验机荷载为 0，即允许试件自然膨胀[63]。之后，根据《金属材料高温拉伸试验方法》(GB/T4338—2006)的要求，高温稳态试验的加载方式采用两段加载，第一阶段测量高温下钢材的弹性模量和屈服强度，加载速率为 0.015 mm/min；当试件的应变为 2.5%时，采用第二阶段加载速率，测量高温下钢材的极限抗拉强度，加载速率为 1.5 mm/min，直至试件断裂，在加载过程中，温度控制需要始终保持不变。
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2.2 试验方案
2.2.1试验设备
高温稳态试验在同济大学结构抗火试验室进行，同济大学结构抗火试验室配备MTS300KN 高温电子万能试验机，并配有 MTS 升温炉，升温炉的功率可根据试验需要设置，炉内配有电热丝加热及石棉保温，升温炉的最高温度为 1200℃。测量试件拉伸应变采用 D-42551 高温陶瓷引伸计，引伸计采样频率为 5 Hz，量程为 50 mm，如图 2- 2。
图 2- 1 300KN 高温电子材料试验机 图 2- 2 高温炉
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第 3 章 耐火钢高温后力学性能研究...........................31
3.1 概述......................31
3.2 试验方案.................................31
第 4 章 耐火钢低温冲击性能研究.......................57
4.1 概述....................................57
4.2 试件制备..............................57
第 5 章 耐火钢结构火灾下承载性能研究...........................63
5.1 概述......................................63
5.2 高温下材料属性特征...................................63
第 5 章 耐火钢结构火灾下承载性能研究
5.1 概述
以往的研究发现，用设置温度场的有限元模型模拟装配整体式框架结构遭受火灾与真实火灾中的装配整体式框架结构的结果相差不大，有很高的可靠度，所以运用 ABAQUS 有限元软件，进行火灾下钢结构框架模拟并进行对比分析是可行的。因此，本章运用 ABAQUS 有限元软件对四种材料的钢结构框架进行算例分析，以验证在实际工程中，Q235FRB 和 Q345FRB 钢材与普通 Q235 和 Q345 钢材的力学性能差异。
本章在确定标准升温曲线，材料属性，材料力学性能的基础上，参考已有的文献[76]设置装配整体式框架尺寸，运用 ABAQUS 有限元软件的温度场模型，得出框架结构在火灾中的位移情况，并且进行同型号的普通钢与耐火钢之间的对比分析，对第 2 章高温下耐火钢力学性能中得出的结论进行验证。
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结论
本文对耐火钢进行了拉伸试验、冲击试验研究，得出了高温下及高温后自然冷却、浸水冷却条件处理后 Q235FRB、Q345FRB 耐火钢的强度折减系数，并拟合了合理的不同状态下的耐火钢强度折减系数公式方程；在选取实际试验数据的基础上，运用 ABAQUS 有限元分析软件建立了钢结构框架受火之后力学性能分析模型，并建立 Q235、Q345 普通钢规范值有限元模型作为对比分析模型，主要分析了不同材料的钢结构框架在温度场下的竖向位移变形，对 Q235FRB 和 Q345FRB 在实际工程中的使用提出了合理的建议。通过以上工作，本文得出以下结论：
1）Q235FRB 和 Q345FRB 钢材在高温环境中表现出良好的高温稳定性，在 600℃高温中的屈服强度折减系数约为 0.75，在 600℃高温 1h 保持下，屈服强度能够达到常温时的 2/3，其高温下力学性能明显优于同等级普通钢。所以在实际工程中，受温度影响较大的结构可优先选用 Q235FRB、Q345FRB 材料，以保证高温环境下更好的力学性能。其 Q235FRB 和 Q345FRB 钢材高温下的屈服强度、抗拉强度的强度折减系数，可参考本文所给（2-1）~（2-8）模型式计算。
2）经高温冷却后 Q235FRB 和 Q345FRB 钢材在不同温度和不同冷却方式下有不同的外观特征，可根据火灾后钢材的外观特征进行火灾中温度场及冷却条件的推测。当火灾温度小于 700℃时，自然冷却和浸水冷却对两种耐火钢的屈服强度影响不大；当火灾温度大于 700℃时，自然冷却条件下的两种耐火钢屈服强度降低，对结构进行进一步加固修复处理，而浸水冷却条件下，由于相当于对钢材进行高温淬火，所以两种耐火钢屈服强度有明显增大。不同火灾温度下不同冷却方式对 Q235FRB、Q345FRB 的抗拉强度影响与屈服强度相似，温度大于 700℃时，当采用自然冷却方式时，需要作进一步加固修复处理。火灾后钢结构受损鉴定中，Q235FRB 和 Q345FRB钢材高温后的屈服强度、抗拉强度，可参考本文所给（3-1）~（3-12）数学模型公式计算。
参考文献（略）
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