建筑用耐火鋼研究進展

張慧潔， 劉 偉， 王靜峰，3， 劉 用，3

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009；3.先進鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)以其自重輕、強度高、施工快、空間大、抗震性能好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中，尤其在高層、超高層、大跨度空間等領(lǐng)域更加凸顯其優(yōu)點[1]。

但是，鋼結(jié)構(gòu)也存在一個較大的缺陷：耐火性能差。當(dāng)溫度超過350℃時普通建筑用鋼的強度就會顯著降低，當(dāng)溫度達到600℃時普通建筑用鋼屈服強度值就會下降到室溫時的一半以下。主要原因是在火災(zāi)高溫作用下，其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強度、彈性模量等力學(xué)性能隨溫度升高明顯降低，而鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大，截面溫度均勻分布，火更容易損傷內(nèi)部材料，使其出現(xiàn)高溫軟化問題。鋼結(jié)構(gòu)由于強度的喪失而難以承載建筑物自身的重量，不能滿足建筑的耐火性能要求[2]。

為了提高鋼材的耐火性能，克服其高溫軟化問題，耐火鋼應(yīng)運而生。耐火鋼定義為，在600℃時鋼材的屈服強度不小于常溫屈服強度的2/3，且其他性能(包括常溫機械性能、可焊性、施工性等)應(yīng)與相應(yīng)規(guī)格的普通結(jié)構(gòu)鋼基本一致。耐火鋼是在生產(chǎn)過程中加入鋁、妮、錳等稀有金屬使其合金化，不僅可提高結(jié)構(gòu)的抗火性能和抗震性能，也可減輕建筑自重，降低成本。

隨著國民經(jīng)濟的快速增長，21世紀建筑行業(yè)迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)將仍然是最主要的結(jié)構(gòu)形式之一。耐火鋼因其自身的優(yōu)良特性，也將被廣泛應(yīng)用于各種鋼結(jié)構(gòu)建筑中。

1 耐火鋼的發(fā)展

1.1 國外耐火鋼發(fā)展

20世紀70年代，歐洲Cresot-Ioire鋼廠研制了能經(jīng)受900～1 000 ℃的含Mo耐火鋼，但由于其含Mo量相對較高且成本過高而未能推廣應(yīng)用[3]。澳大利亞學(xué)者[4]在原有含碳量較低的Mo鋼中添加V和Nb兩種元素，使鋼材獲得了耐高溫性能，具有一定的抗火能力。

1990年左右，日本研究人員通過添加總量不超過2.0%的V、Nb、Ti等合金元素，研發(fā)出在600℃高溫下屈服強度達到室溫下2/3甚至更高的建筑用耐火鋼，其成分及性能分別見表1和表2[5,6]。如今，耐火鋼的應(yīng)用在日本已較為成熟，多家企業(yè)相繼開發(fā)出多個強度級別的建筑用耐火鋼，并且能生產(chǎn)出耐火H型鋼、板材、鋼管(焊接鋼管、大直徑鋼管、無縫鋼管)、高強度螺栓以及相應(yīng)的焊接材料等多種產(chǎn)品[7]。同時，耐火鋼已成功運用于日本長期信用銀行總行大樓、大林綜合大廈等多個大型工程中。

表1 國外耐火鋼成分

表2 國外耐火鋼的性能

在日本對耐火鋼研究的基礎(chǔ)上，英國學(xué)者[8]對耐火鋼梁支承樓板的耐火極限進行了研究。Kelly等[9]對耐火鋼和S275鋼的高溫力學(xué)性能的研究表明耐火鋼的高溫力學(xué)性能明顯優(yōu)于S275鋼。2006年，印度學(xué)者Panigrahi[10]的研究表明，在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上添加Mo和Cr等合金元素得到的低合金鋼也能具有一定的耐火性能。

1.2 國內(nèi)耐火鋼發(fā)展

建筑用鋼結(jié)構(gòu)為我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，而建筑用耐火鋼是保障建筑安全的必要措施之一。目前，我國寶鋼、鞍鋼等單位開展了一系列耐火鋼的研究，并取得了一定的成果。

寶鋼研發(fā)的含Nb的490 MPa級耐火耐候鋼，其耐火性能與日本的FR鋼相當(dāng)，其在600 ℃時的屈服強度大于室溫屈服強度的2/3以上，達到國家標準，如圖1所示[11]。

鞍鋼于2000年開始研制耐火鋼，通過在低合金鋼中添加多種微量元素，并控制含碳量及合金配比從而提高鋼材的抗火性能[12]。武鋼研發(fā)了高性能建筑用耐火耐候WGJ510 C2鋼，具有較好的抗火能力，滿足國家規(guī)范的建筑用耐火鋼強度要求，并成功投入北京國家大劇院工程建設(shè)中[13]。

馬鋼與鋼鐵研究總院于1994年合作研制出MGFR490B建筑用耐火H型鋼，通過析出合金碳化物證明能保持較高的強度等級，并且該研究成果已經(jīng)成功應(yīng)用于上海中福城高層鋼結(jié)構(gòu)住宅工程，且上海中福城為我國最早使用耐火鋼的建筑[14]。

攀鋼提出了含釩新型耐火鋼，并對其力學(xué)性能和低成本設(shè)計方法進行了研究，實驗表明含V耐火鋼滿足要求，有較好的抗火性能[15]。

2 耐火鋼的材料性能

2.1 耐火性能

耐火性能即鋼材在高溫下能保持室溫時原有鋼材強度的能力。

王澤林等[16]采用焊接制作的耐火H型鋼和同尺寸的焊接Q345B H型鋼進行抗火試驗，試件尺寸為360 mm×150 mm×12 mm×16 mm×5 600 mm，焊接形式采用埋弧自動焊焊接形式。試驗采用無涂覆防火涂料、薄型防火涂料和厚型防火涂料進行對比，在不同均布荷載設(shè)計值條件下進行了抗火試驗，并得出以下結(jié)論：

(1)無涂覆的耐火鋼耐火極限是0.6 h，而普通鋼耐火極限是0.46 h，前者達到《建筑設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定的4級梁耐火極限要求，后者未達到，耐火鋼抗火能力大于普通鋼。

(2)薄型防火涂料涂覆2.74 mm和3.85 mm的耐火鋼耐火極限時間相差不大，但均已達到3級梁的耐火極限。而防火涂料厚度的增加對耐火極限卻沒有明顯提高，可能是防火涂料的養(yǎng)護期未滿或試驗使用的防火涂料在1 000 ℃高溫以上無法發(fā)揮效果。

(3)厚型防火涂料涂覆的耐火鋼及普通鋼均已達到《建筑設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定的2級梁耐火極限要求，且耐火鋼的防火涂料厚度少于普通鋼的一半。

沈俊昶等[17]采用馬鋼生產(chǎn)的耐火H型鋼(含有Mn、Cr、Nb、Mo等多種合金，屈服強度為345 MPa)進行抗火試驗，并對其綜合力學(xué)性能進行分析，并通過試驗驗證得到以下結(jié)論：

(1)隨著溫度的升高，Q345普通鋼的屈服強度下降明顯，當(dāng)溫度升高至500 ℃時，Q345普通鋼的屈服強度僅為室溫下屈服強度的1/3；

(2)隨著溫度的升高，耐火H型鋼的屈服強度下降緩慢，當(dāng)溫度達600 ℃時，耐火H型鋼的屈服強度才下降至室溫下2/3左右。高溫下普通鋼和耐火鋼屈服強度隨溫度變化曲線如圖2所示。

圖2 寶鋼B490RNQ與Q345B的高溫性能對比[11]

圖2 耐火鋼的屈服強度-溫度關(guān)系曲線[17]

2.2 熱物理特性

李國強等[18]研究對比了多家公司生產(chǎn)的耐火鋼與普通鋼在高溫下的熱物理特性，包括比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等。相關(guān)參數(shù)對比見表3～表5。

表3 耐火鋼的比熱[18]

表4 耐火鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)[18]

表5 耐火鋼的平均熱膨脹系數(shù)[18]

由上表知，耐火鋼和普通鋼的熱物理參數(shù)差別不大，在進行耐火鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算時可利用普通結(jié)構(gòu)鋼的熱物理參數(shù)。

2.3 抗震性能

王亞平[19]用試樣尺寸為10 mm×50 mm的新型含釩建筑用耐火鋼與普通建筑用耐火鋼進行拉伸試驗，測試其屈服強度和抗拉強度，以反映耐火鋼的抗震性能。試驗結(jié)果表明，普通建筑用耐火鋼試樣的屈服強度為286 MPa、抗拉強度為458 MPa，屈強比為0.624，屈強比小于0.8，抗震性能較好；新型含釩建筑用耐火鋼的屈服強度為358 MPa、抗拉強度為605 MPa，屈強比為0.592，屈強比相比于普通建筑用耐火鋼減小了5.1%，表現(xiàn)出更加優(yōu)良的抗震性能。

3 耐火鋼構(gòu)件的抗火性能

丁軍[20]對SM490-FR鋼構(gòu)件在高溫下的力學(xué)性能進行了研究，提出了高溫下軸心受壓鋼柱、受彎鋼梁、偏心受壓鋼柱的抗火設(shè)計方法，并給出了標準升溫條件下的SM490-FR鋼構(gòu)件的升溫計算公式。同時，采用有限元分析軟件ANSYS對軸心受壓鋼柱、受彎鋼梁、偏心受壓鋼柱的極限耐火時間進行了計算，將試驗結(jié)果和模擬結(jié)果進行了對比，驗證了ANSYS計算模型和計算公式的準確性和可靠性。丁軍等[21]利用ANSYS建立了火災(zāi)升溫條件下耐火鋼柱的非線性有限元模型，并進行了大量參數(shù)分析，通過研究各種參數(shù)變化對耐火鋼柱抗火臨界溫度的影響，提出了耐火鋼柱抗火臨界溫度的簡便計算方法。通過參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)常溫下的耐火鋼柱的屈服強度fy值以及fyT/fy-T曲線對耐火鋼柱的抗火臨界溫度基本無影響；而fy(600 ℃)/fy值的影響較大，fy(600 ℃)/fy值越大則耐火鋼柱的抗火臨界溫度就越高。

李國強等[22]采用新日鐵公司的耐火鋼試驗數(shù)據(jù)進行研究，并結(jié)合我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，提出一種耐火鋼梁抗火設(shè)計方法，并通過對比有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果，驗證了該方法的可靠性。

4 結(jié)束語

(1)耐火鋼因其自身的優(yōu)良性能和經(jīng)濟優(yōu)勢將被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑中，極大提高鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的競爭力。

(2)耐火鋼具有比普通鋼更加優(yōu)良的耐火性能和抗震性能，應(yīng)用前景廣闊。

(3)耐火鋼熱物理特性與普通鋼相差不大，抗火分析時可直接采用普通鋼的熱物理特性。

(4)國內(nèi)學(xué)者在試驗研究和有限元分析的基礎(chǔ)上，提出了耐火鋼構(gòu)件的抗火設(shè)計方法，可用于指導(dǎo)耐火鋼構(gòu)件的抗火設(shè)計。