本文得出以下結論：1）Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材在高溫環境中表現出良好的高溫穩定性，在 600℃高溫中的屈服強度折減係數約為 0.75，在 600℃高溫 1h 保持下，屈服強度能夠達到常溫時的 2/3，其高溫下力學性能明顯優於同等級普通鋼。所以在實際工程中，受溫度影響較大的結構可優先選用 Q235FRB、Q345FRB 材料，以保證高溫環境下更好的力學性能。其 Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材高溫下的屈服強度、抗拉強度的強度折減係數，可參考本文所給（2-1）~（2-8）模型式計算。
第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景與意義
隨著我國經濟的快速發展，國家基礎設施建設越來越完善，人們已不僅僅滿足於傳統的鋼筋混凝土結構，更加新穎的高層、超高層、大跨度空間等鋼結構逐漸成為人們關注的焦點。因為鋼結構在工程中施工速度快，環境污染小，綠色環保等特點，成為建築行業的“新寵”，向傳統的鋼筋混凝土結構發起“挑戰”。以單層工業廠房為例，鋼結構的成本不僅更低而且施工周期減少一半，極大的提高了建築施工效率，所以鋼結構作為鋼材建築結構的一種主要建築形式，將會成為我國基礎建設工程未來發展的主要方向。近年來，如圖 1- 1 所示的“深圳平安中心”超高層鋼結構和如圖 1- 2 所示的“國家大劇院”大跨度鋼結構等成為我國鋼結構代表建築，一次一次的刷新我國鋼結構新紀錄。所以綠色、高效、節能、創新的鋼結構對城市建設發展起到了積極的作用，未來也將更多的被應用於超市、體育場、倉庫、工廠等城市配套設施建築中。鋼鐵材料作為鋼結構建築的主要材料，隨著鋼結構的快速發展，也得到了越來越廣泛的關注。
圖 1- 1 深圳平安金融中心（高 660 米） 圖 1- 2 國家大劇院（主軸長 212 米）
.........................
1.2 國內外研究現狀
1987 年，日本建築委員會頒布了“新火災設計系統規範”，首先提出耐火鋼的概念[2-4]。日本研究人員通過添加合金元素的方式開發出了新鋼材，這種新鋼材表現出在高溫環境下仍有較高強度的特性。
1989 年，日本新日鐵公司完成了建築用耐火鋼的批量生產，使用建築用耐火鋼代替普通建築鋼材，並且成功應用到實際建築，為耐火鋼發展提供指導。日本的新川大廈是首座使用耐火鋼材料的鋼結構建築，新日鐵公司採用耐火鋼材料代替普通鋼材料，使需要塗的防火層從 50mm 減少到 15mm，整個工程節省了 1/3~1/2 的防火塗層材料，大大減少了建造成本。
1993 年，R.Chijiiwa 等[5]人研究了 SM490A 級耐火鋼。R.Chijiiwa 通過對其高溫及常溫下力學性能的研究，得出了 SM490A 級耐火鋼的力學性能和溫度之間的變化關係，同時對 SM490A 級耐火鋼在工程中的使用情況提出建議，並且對日本新日鐵公司生產的耐火鋼進行研究，試驗得出了耐火鋼在高溫環境下的各項力學性能，並且對已經使用 NSFR-490A 級耐火鋼的兩棟日本建築進行了抗火性試驗研究。
1999 年，ShaW[6-8]根據對耐火鋼材料的力學性能及材料性能等方面的研究，闡述了耐火鋼的設計方法，進一步完善了耐火鋼的研究。
之後隨著鋼鐵行業與建築行業的發展，耐火鋼的研究進入到更加細緻的領域，國內外學者不僅對耐火鋼材料力學特性進行試驗研究，而且逐漸擴展到對耐火鋼耐火機理，微觀組織結構的觀察與分析等多方面。隨著研究的深入，耐火鋼結構構件熱處理工藝[9-10]，焊接工藝[11]同時得到廣泛的關注。
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第 2 章 耐火鋼高溫下力學性能研究
2.1 概述
本章通過對高溫下 Q235FRB 和 Q345FRB 材料進行拉伸試驗，探究溫度變化對耐火鋼的應力-應變曲線的影響；高溫下 Q235FRB 和 Q345FRB 的彈性模量、屈服強度、抗拉強度和斷後伸長率等；求出強度折減係數；研究分析不同的溫度對 Q235FRB和 Q345FRB 力學性能影響規律；為 Q235FRB 和 Q345FRB 材料的抗火設計提供材性基礎。最後，本章擬合 Q235FRB 和 Q345FRB 力學性能與溫度的公式，並將試驗結果與其他鋼材試驗結果進行對比。
高溫穩態試驗採用的是恆溫加載法，這種方法是將試件按著一定的升溫速率加熱到指定溫度，然後保持此溫度不變，採用力保持模塊，使其在保溫時間內試驗機荷載保持為 0，最後按著一定的加載速率對試件進行拉伸。
本文高溫穩態試驗的設置溫度為 30℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃，每個溫度工況為一組，一組設置 2 個試驗試件。通過文獻[61,62]可知，高溫試驗爐的升溫速率在 20℃/min 時，試件的溫度和爐內熱電偶的比較相近，所以本文試驗的升溫速率為 20℃/min。在穩態試驗中，首先將高溫爐按設計的升溫速率 (20℃/min)升至指定溫度，保溫 1h，升溫及保溫過程試驗機荷載為 0，即允許試件自然膨脹[63]。之後，根據《金屬材料高溫拉伸試驗方法》(GB/T4338—2006)的要求，高溫穩態試驗的加載方式採用兩段加載，第一階段測量高溫下鋼材的彈性模量和屈服強度，加載速率為 0.015 mm/min；當試件的應變為 2.5%時，採用第二階段加載速率，測量高溫下鋼材的極限抗拉強度，加載速率為 1.5 mm/min，直至試件斷裂，在加載過程中，溫度控制需要始終保持不變。
.........................
2.2 試驗方案
2.2.1試驗設備
高溫穩態試驗在同濟大學結構抗火試驗室進行，同濟大學結構抗火試驗室配備MTS300KN 高溫電子萬能試驗機，並配有 MTS 升溫爐，升溫爐的功率可根據試驗需要設置，爐內配有電熱絲加熱及石棉保溫，升溫爐的最高溫度為 1200℃。測量試件拉伸應變採用 D-42551 高溫陶瓷引伸計，引伸計採樣頻率為 5 Hz，量程為 50 mm，如圖 2- 2。
圖 2- 1 300KN 高溫電子材料試驗機 圖 2- 2 高溫爐
..........................
第 3 章 耐火鋼高溫後力學性能研究...........................31
3.1 概述......................31
3.2 試驗方案.................................31
第 4 章 耐火鋼低溫衝擊性能研究.......................57
4.1 概述....................................57
4.2 試件製備..............................57
第 5 章 耐火鋼結構火災下承載性能研究...........................63
5.1 概述......................................63
5.2 高溫下材料屬性特徵...................................63
第 5 章 耐火鋼結構火災下承載性能研究
5.1 概述
以往的研究發現，用設置溫度場的有限元模型模擬裝配整體式框架結構遭受火災與真實火災中的裝配整體式框架結構的結果相差不大，有很高的可靠度，所以運用 ABAQUS 有限元軟體，進行火災下鋼結構框架模擬並進行對比分析是可行的。因此，本章運用 ABAQUS 有限元軟體對四種材料的鋼結構框架進行算例分析，以驗證在實際工程中，Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材與普通 Q235 和 Q345 鋼材的力學性能差異。
本章在確定標準升溫曲線，材料屬性，材料力學性能的基礎上，參考已有的文獻[76]設置裝配整體式框架尺寸，運用 ABAQUS 有限元軟體的溫度場模型，得出框架結構在火災中的位移情況，並且進行同型號的普通鋼與耐火鋼之間的對比分析，對第 2 章高溫下耐火鋼力學性能中得出的結論進行驗證。
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結論
本文對耐火鋼進行了拉伸試驗、衝擊試驗研究，得出了高溫下及高溫後自然冷卻、浸水冷卻條件處理後 Q235FRB、Q345FRB 耐火鋼的強度折減係數，並擬合了合理的不同狀態下的耐火鋼強度折減係數公式方程；在選取實際試驗數據的基礎上，運用 ABAQUS 有限元分析軟體建立了鋼結構框架受火之後力學性能分析模型，並建立 Q235、Q345 普通鋼規範值有限元模型作為對比分析模型，主要分析了不同材料的鋼結構框架在溫度場下的豎向位移變形，對 Q235FRB 和 Q345FRB 在實際工程中的使用提出了合理的建議。通過以上工作，本文得出以下結論：
1）Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材在高溫環境中表現出良好的高溫穩定性，在 600℃高溫中的屈服強度折減係數約為 0.75，在 600℃高溫 1h 保持下，屈服強度能夠達到常溫時的 2/3，其高溫下力學性能明顯優於同等級普通鋼。所以在實際工程中，受溫度影響較大的結構可優先選用 Q235FRB、Q345FRB 材料，以保證高溫環境下更好的力學性能。其 Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材高溫下的屈服強度、抗拉強度的強度折減係數，可參考本文所給（2-1）~（2-8）模型式計算。
2）經高溫冷卻後 Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材在不同溫度和不同冷卻方式下有不同的外觀特徵，可根據火災後鋼材的外觀特徵進行火災中溫度場及冷卻條件的推測。當火災溫度小於 700℃時，自然冷卻和浸水冷卻對兩種耐火鋼的屈服強度影響不大；當火災溫度大於 700℃時，自然冷卻條件下的兩種耐火鋼屈服強度降低，對結構進行進一步加固修復處理，而浸水冷卻條件下，由於相當於對鋼材進行高溫淬火，所以兩種耐火鋼屈服強度有明顯增大。不同火災溫度下不同冷卻方式對 Q235FRB、Q345FRB 的抗拉強度影響與屈服強度相似，溫度大於 700℃時，當採用自然冷卻方式時，需要作進一步加固修復處理。火災後鋼結構受損鑑定中，Q235FRB 和 Q345FRB鋼材高溫後的屈服強度、抗拉強度，可參考本文所給（3-1）~（3-12）數學模型公式計算。
參考文獻（略）
第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景與意義
隨著我國經濟的快速發展，國家基礎設施建設越來越完善，人們已不僅僅滿足於傳統的鋼筋混凝土結構，更加新穎的高層、超高層、大跨度空間等鋼結構逐漸成為人們關注的焦點。因為鋼結構在工程中施工速度快，環境污染小，綠色環保等特點，成為建築行業的“新寵”，向傳統的鋼筋混凝土結構發起“挑戰”。以單層工業廠房為例，鋼結構的成本不僅更低而且施工周期減少一半，極大的提高了建築施工效率，所以鋼結構作為鋼材建築結構的一種主要建築形式，將會成為我國基礎建設工程未來發展的主要方向。近年來，如圖 1- 1 所示的“深圳平安中心”超高層鋼結構和如圖 1- 2 所示的“國家大劇院”大跨度鋼結構等成為我國鋼結構代表建築，一次一次的刷新我國鋼結構新紀錄。所以綠色、高效、節能、創新的鋼結構對城市建設發展起到了積極的作用，未來也將更多的被應用於超市、體育場、倉庫、工廠等城市配套設施建築中。鋼鐵材料作為鋼結構建築的主要材料，隨著鋼結構的快速發展，也得到了越來越廣泛的關注。
圖 1- 1 深圳平安金融中心（高 660 米） 圖 1- 2 國家大劇院（主軸長 212 米）
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1.2 國內外研究現狀
1987 年，日本建築委員會頒布了“新火災設計系統規範”，首先提出耐火鋼的概念[2-4]。日本研究人員通過添加合金元素的方式開發出了新鋼材，這種新鋼材表現出在高溫環境下仍有較高強度的特性。
1989 年，日本新日鐵公司完成了建築用耐火鋼的批量生產，使用建築用耐火鋼代替普通建築鋼材，並且成功應用到實際建築，為耐火鋼發展提供指導。日本的新川大廈是首座使用耐火鋼材料的鋼結構建築，新日鐵公司採用耐火鋼材料代替普通鋼材料，使需要塗的防火層從 50mm 減少到 15mm，整個工程節省了 1/3~1/2 的防火塗層材料，大大減少了建造成本。
1993 年，R.Chijiiwa 等[5]人研究了 SM490A 級耐火鋼。R.Chijiiwa 通過對其高溫及常溫下力學性能的研究，得出了 SM490A 級耐火鋼的力學性能和溫度之間的變化關係，同時對 SM490A 級耐火鋼在工程中的使用情況提出建議，並且對日本新日鐵公司生產的耐火鋼進行研究，試驗得出了耐火鋼在高溫環境下的各項力學性能，並且對已經使用 NSFR-490A 級耐火鋼的兩棟日本建築進行了抗火性試驗研究。
1999 年，ShaW[6-8]根據對耐火鋼材料的力學性能及材料性能等方面的研究，闡述了耐火鋼的設計方法，進一步完善了耐火鋼的研究。
之後隨著鋼鐵行業與建築行業的發展，耐火鋼的研究進入到更加細緻的領域，國內外學者不僅對耐火鋼材料力學特性進行試驗研究，而且逐漸擴展到對耐火鋼耐火機理，微觀組織結構的觀察與分析等多方面。隨著研究的深入，耐火鋼結構構件熱處理工藝[9-10]，焊接工藝[11]同時得到廣泛的關注。
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第 2 章 耐火鋼高溫下力學性能研究
2.1 概述
本章通過對高溫下 Q235FRB 和 Q345FRB 材料進行拉伸試驗，探究溫度變化對耐火鋼的應力-應變曲線的影響；高溫下 Q235FRB 和 Q345FRB 的彈性模量、屈服強度、抗拉強度和斷後伸長率等；求出強度折減係數；研究分析不同的溫度對 Q235FRB和 Q345FRB 力學性能影響規律；為 Q235FRB 和 Q345FRB 材料的抗火設計提供材性基礎。最後，本章擬合 Q235FRB 和 Q345FRB 力學性能與溫度的公式，並將試驗結果與其他鋼材試驗結果進行對比。
高溫穩態試驗採用的是恆溫加載法，這種方法是將試件按著一定的升溫速率加熱到指定溫度，然後保持此溫度不變，採用力保持模塊，使其在保溫時間內試驗機荷載保持為 0，最後按著一定的加載速率對試件進行拉伸。
本文高溫穩態試驗的設置溫度為 30℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃，每個溫度工況為一組，一組設置 2 個試驗試件。通過文獻[61,62]可知，高溫試驗爐的升溫速率在 20℃/min 時，試件的溫度和爐內熱電偶的比較相近，所以本文試驗的升溫速率為 20℃/min。在穩態試驗中，首先將高溫爐按設計的升溫速率 (20℃/min)升至指定溫度，保溫 1h，升溫及保溫過程試驗機荷載為 0，即允許試件自然膨脹[63]。之後，根據《金屬材料高溫拉伸試驗方法》(GB/T4338—2006)的要求，高溫穩態試驗的加載方式採用兩段加載，第一階段測量高溫下鋼材的彈性模量和屈服強度，加載速率為 0.015 mm/min；當試件的應變為 2.5%時，採用第二階段加載速率，測量高溫下鋼材的極限抗拉強度，加載速率為 1.5 mm/min，直至試件斷裂，在加載過程中，溫度控制需要始終保持不變。
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2.2 試驗方案
2.2.1試驗設備
高溫穩態試驗在同濟大學結構抗火試驗室進行，同濟大學結構抗火試驗室配備MTS300KN 高溫電子萬能試驗機，並配有 MTS 升溫爐，升溫爐的功率可根據試驗需要設置，爐內配有電熱絲加熱及石棉保溫，升溫爐的最高溫度為 1200℃。測量試件拉伸應變採用 D-42551 高溫陶瓷引伸計，引伸計採樣頻率為 5 Hz，量程為 50 mm，如圖 2- 2。
圖 2- 1 300KN 高溫電子材料試驗機 圖 2- 2 高溫爐
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第 3 章 耐火鋼高溫後力學性能研究...........................31
3.1 概述......................31
3.2 試驗方案.................................31
第 4 章 耐火鋼低溫衝擊性能研究.......................57
4.1 概述....................................57
4.2 試件製備..............................57
第 5 章 耐火鋼結構火災下承載性能研究...........................63
5.1 概述......................................63
5.2 高溫下材料屬性特徵...................................63
第 5 章 耐火鋼結構火災下承載性能研究
5.1 概述
以往的研究發現，用設置溫度場的有限元模型模擬裝配整體式框架結構遭受火災與真實火災中的裝配整體式框架結構的結果相差不大，有很高的可靠度，所以運用 ABAQUS 有限元軟體，進行火災下鋼結構框架模擬並進行對比分析是可行的。因此，本章運用 ABAQUS 有限元軟體對四種材料的鋼結構框架進行算例分析，以驗證在實際工程中，Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材與普通 Q235 和 Q345 鋼材的力學性能差異。
本章在確定標準升溫曲線，材料屬性，材料力學性能的基礎上，參考已有的文獻[76]設置裝配整體式框架尺寸，運用 ABAQUS 有限元軟體的溫度場模型，得出框架結構在火災中的位移情況，並且進行同型號的普通鋼與耐火鋼之間的對比分析，對第 2 章高溫下耐火鋼力學性能中得出的結論進行驗證。
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結論
本文對耐火鋼進行了拉伸試驗、衝擊試驗研究，得出了高溫下及高溫後自然冷卻、浸水冷卻條件處理後 Q235FRB、Q345FRB 耐火鋼的強度折減係數，並擬合了合理的不同狀態下的耐火鋼強度折減係數公式方程；在選取實際試驗數據的基礎上，運用 ABAQUS 有限元分析軟體建立了鋼結構框架受火之後力學性能分析模型，並建立 Q235、Q345 普通鋼規範值有限元模型作為對比分析模型，主要分析了不同材料的鋼結構框架在溫度場下的豎向位移變形，對 Q235FRB 和 Q345FRB 在實際工程中的使用提出了合理的建議。通過以上工作，本文得出以下結論：
1）Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材在高溫環境中表現出良好的高溫穩定性，在 600℃高溫中的屈服強度折減係數約為 0.75，在 600℃高溫 1h 保持下，屈服強度能夠達到常溫時的 2/3，其高溫下力學性能明顯優於同等級普通鋼。所以在實際工程中，受溫度影響較大的結構可優先選用 Q235FRB、Q345FRB 材料，以保證高溫環境下更好的力學性能。其 Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材高溫下的屈服強度、抗拉強度的強度折減係數，可參考本文所給（2-1）~（2-8）模型式計算。
2）經高溫冷卻後 Q235FRB 和 Q345FRB 鋼材在不同溫度和不同冷卻方式下有不同的外觀特徵，可根據火災後鋼材的外觀特徵進行火災中溫度場及冷卻條件的推測。當火災溫度小於 700℃時，自然冷卻和浸水冷卻對兩種耐火鋼的屈服強度影響不大；當火災溫度大於 700℃時，自然冷卻條件下的兩種耐火鋼屈服強度降低，對結構進行進一步加固修復處理，而浸水冷卻條件下，由於相當於對鋼材進行高溫淬火，所以兩種耐火鋼屈服強度有明顯增大。不同火災溫度下不同冷卻方式對 Q235FRB、Q345FRB 的抗拉強度影響與屈服強度相似，溫度大於 700℃時，當採用自然冷卻方式時，需要作進一步加固修復處理。火災後鋼結構受損鑑定中，Q235FRB 和 Q345FRB鋼材高溫後的屈服強度、抗拉強度，可參考本文所給（3-1）~（3-12）數學模型公式計算。
參考文獻（略）