概述
20世纪90年代初，我国进行了裸露钢梁耐火极限试验验证[1]。 测试表明，I36b和I40b标准工字钢的耐火极限分别为15和16分钟[1]。 因此，当建筑物采用没有防火措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易因构件失效而被毁坏。
钢结构事故中，从设计、生产、安装和使用维护阶段来看，有15%的钢结构因火灾而受到不同程度的损坏。 如果只是使用和维护阶段，钢结构因火灾而受到不同程度的损坏。 比例达到64%。 可见，钢结构在其使用寿命期间发生火灾损坏的概率很大。 面对火灾后的钢结构，如何判断其火灾后的剩余承载力并根据剩余承载力确定灾后处理措施已成为一个紧迫的问题[2-3]。
钢结构火灾后的性能评价主要由材料性能、构件和整体结构三个层面组成。 它还考虑了火灾加热阶段、火灾冷却阶段和火灾后常温三个连续分析过程。 考虑到高温火灾后钢材性能对上述三级分析体系的重要性以及目前检测设备对钢结构构件和整体结构水平进行火灾后性能测试研究的困难，目前对高温火灾后钢材性能的研究钢结构火灾后性能 主要针对结构钢的高温后材料性能测试。
结构钢高温火灾后材料性能研究
钢铁材料高温性能的研究国内外已有悠久的研究历史，并在各方面建立了一定的实验研究体系。 但高温火灾后钢材材料性能的研究历史较短，相关文献也较少，研究成果不完整，各国也缺乏相应的规范。 这种情况给钢结构火灾后的性能鉴定带来很大困难，导致无证据可依赖。
根据现有研究情况，对目前有关结构钢高温火灾后材料性能的文献以及相关规范法规的分类进行了综述。
2.1 国内外法规相关规定
CECS 252：2009《建筑结构火灾后鉴定标准》针对钢结构火灾后鉴定。 附录J中高温时和高温过火冷却后屈服强度折减系数的参考值见表1[4]。
表1 CECS 252:2009中给出的高温火灾后钢材的屈服强度
折算系数参考值
目前，欧洲和澳大利亚钢结构规范均未对高温火灾后钢结构的性能进行解释或规定[5-7]。 英国钢结构规范BS 5950-8在附录B中规定，“结构钢在暴露于高温后可以重复使用，前提是确定其材料性能没有受到严重影响或者构件没有变形或损伤超标”，这也表明其高温后的性能与普通钢无异，没有明显退化[8]。
2.2 静态拉伸力学性能实验研究统计
国内对建筑钢结构常用的Q235、Q345、Q420、Q460、Q690钢材在不同冷却条件下高温火灾后的静态拉伸力学性能进行了实验[9-17]。 同时，国内学者也对对接焊缝、正面和侧面角焊缝在高温暴露后的性能进行了实验研究[18-21]。 国外学者也对A992、、S460、S690、S960以及G300、G500、G550等结构钢在高温烧成后不同冷却条件下的静态拉伸力学性能进行了一定的实验研究[22-28]。
由图1、图2可知： 对于高温火灾后的弹性模量折减系数： 1）除S460、S690、S960钢外，Q235、Q345、Q420、Q460、Q690及G300、G500、G550和其他钢材在高温下火前后差异较小，折减系数在0. 85至1. 1之间，且随着最高着火温度的升高，折减系数有减小的趋势； 2）冷却方式对高温火灾后结构钢弹性模量系数的降低几乎没有影响； 3）S460、S690、S960钢的弹性模量折减系数随着烧成温度的升高而显着降低。 当温度超过800℃时，钢的弹性模量只能保留70%左右。
图1 国产结构钢高温火灾后弹性模量降低系数测试结果对比
图2 国外结构钢高温火灾后弹性模量降低系数测试结果对比
从图3、图4可以看出，高温火烧后的屈服强度折减系数： 1）除G500、G550钢外，Q235、Q345、Q420、Q460、Q690及S460、S690、S960、G300等钢种屈服强度最高，过火温度在600℃以下时差异较小，折减系数在0. 80以上，波动范围小； 2）当最高过火温度超过600℃时，在自然冷却条件下，随着最高过火温度的升高，折减系数有明显的下降趋势。 温度超过900℃时，残余屈服强度小于40%； 3）浸水和喷水冷却后，与自然冷却和毯式包裹冷却相比，钢材的屈服强度没有表现出明显的降低； 4）自然冷却条件下，G500、G550钢的屈服强度在550℃时急剧下降，钢的屈服强度只能保留40%左右。 此后，屈服强度随着温度继续升高而继续缓慢下降，且下降程度很小； 5）与国内试验比较 将结果与CECS 252：2009中钢材高温火灾后屈服强度折减系数的规定值进行比较，可以发现，对于Q460及以下强度的钢材，规定值CECS 252：2009是安全的，基本可以保证火灾后的残余强度。 根据强度评定的安全要求，Q690钢的强度折减系数低于规范规定的值，是不安全的。
图3 国产结构钢高温火灾后屈服强度折减系数试验结果对比
图4 国外结构钢高温火灾后屈服强度折减系数试验结果对比
从图5和图6可以看出，高温火灾后的极限强度折减系数： 1）除G300、G500、G550钢外，Q235、Q345、Q420、Q460、Q690、S460、S690、S960和与其他钢材最高极限强度相比，过火温度在600℃以下时差异较小，折减系数在0. 90以上，波动范围较小； 2）当最高过火温度超过600℃时，在自然冷却条件下，随着最高过火温度的升高，折减系数有明显的下降趋势。 温度在900℃以上时，极限强度仍保持在60%左右； 3）浸水和喷水冷却后，与自然冷却和毯式包裹冷却相比，钢材的极限强度显着提高，且随着最高过热温度的升高，极限强度增加； 4）G500、G550钢的极限强度在550℃时急剧下降，钢的极限强度只能保留50%左右。 此后，随着温度的继续升高，极限强度呈现缓慢下降的趋势。 减少幅度非常小； 5）在浸水和喷水冷却条件下，普通强度钢的极限强度提高水平高于高强度钢。
图5 国产结构钢高温火灾后极限强度折减系数试验结果对比
图6 国外结构钢高温火灾后极限强度折减系数试验结果对比
由图7和图8可知，对于高温过热后的断裂后伸长率折减系数： 1）大多数钢材在自然冷却条件下断裂后伸长率差异较小，断裂后伸长率折减系数在0以上80、且随着最高过热温度的升高，其断裂后伸长率有缓慢增大的趋势； 2）浸水和喷水冷却后，与自然冷却和毯式包裹冷却相比，钢材的断后伸长率明显降低，并且随着最高过火温度的升高，断后伸长率的降低幅度增大; 3）在浸水和喷水冷却条件下，普通强度钢的断裂后伸长率损失明显高于高强度钢。
图7 国产结构钢高温火灾后伸长率降低系数试验结果对比
图8 国外结构钢高温火灾后伸长率降低系数试验结果对比
2.3 结构钢高温火灾后力学性能分析
根据文献[9-17]中结构钢高温火灾后静态拉伸力学性能测试数据，进一步进行了数据拟合研究。 通过观察和比较，采用如下拟合公式对数据进行拟合：
在公式：
钢级为S（屈服强度为
)加热至最高过热温度T并采用冷却方法C冷却后，x参数的折减系数； x为钢材的某一力学性能指标，包括：弹性模量、屈服强度、极限强度；
拟合公式的拟合系数。 分别对国内Q级钢和欧洲S级钢进行拟合分析。不同条件下的拟合系数
值请参见表 2。
表2 国内外结构钢高温过冷后材料性能指标拟合结果
特别是，根据试验结果和前期文献研究结果，认为我国Q级钢的弹性模量在加热和冷却前后没有变化，即
。
拟合结果与实验数据的对比如图9和图10所示。
图9 我国Q牌钢浸水或泼水高温火后冷却后的极限强度折减系数试验结果与拟合结果对比
图10 欧洲S级钢高温火灾后自然冷却极限强度折减系数测试结果与拟合结果对比
进一步将CECS 252:2009的拟合结果与高温火灾后钢材屈服强度折减系数的规定值进行比较，如图11所示。
图11 拟合结果曲线与CECS 252:2009规定值曲线对比
从以上比较可以发现：CECS 252:2009中规定的钢材高温火灾后屈服强度折减系数的规定值对于Q460及以下强度的钢材来说稍安全一些，可以保证钢材的安全要求。火后残余强度评估，对于Q690钢来说，最高过热温度较高（大于700℃）时是不安全的，需要进行调整。
2.4 焊接接头高温火灾后力学性能试验研究
国内对建筑钢结构常用的Q235钢正面角焊缝和Q345钢正面、侧面角焊缝以及对接焊缝在高温烧成后不同冷却条件下的静态拉伸力学性能进行了试验研究[18-21]。 试验结果对比如表3和表4所示。其中，对于对接焊缝，极限强度为抗拉强度； 对于角焊缝，极限强度是剪切强度。
表3 国内结构钢焊缝高温火灾后屈服强度试验结果对比
表4 国内结构钢焊缝高温过热后极限强度试验结果对比
从以上测试结果对比可以得出：
1) 用于对接焊缝。 A。 屈服强度随着最高过热温度的升高而降低，但幅度较小。 在800℃时仍能保留85%，自然冷却和喷水冷却对其还原影响不大； b. 极限强度随着最高过热温度的升高而降低，但幅度较小。 在800℃时仍能保留80%，自然冷却和浸水冷却对其还原影响不大； C。 以及图3和图5所示的国产结构钢高温火灾后的屈服强度和极限强度折减系数的测试结果可以发现，对接焊缝的强度折减系数近似于母材强度折减系数各种文献中都有给出。 下限值表明焊缝在火灾后可能成为相对于母材的薄弱点，需要特别注意。 d. 由表5可知，随着最高过热温度升高到500℃左右，对接焊缝试件的薄弱点由母材向焊缝转变，断裂位置也相应发生变化。
表5 文献[19]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，极限强度随着最高过火温度的升高而降低，但幅度较小，在800℃时可保留80%左右； b. 与自然冷却相比，经溅水冷却后，角焊缝的极限强度折减系数增大，强度损失变小，在800℃时可保留90%左右。
国内学者也对高强螺栓连接高温火灾后的性能进行了实验研究[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升高而增大。 当温度超过500℃时，损耗达到65%以上； 2）自然冷却的预紧力高于喷水冷却螺栓。 损失较大，两种冷却方式的差距随着螺杆直径的增大而变大； 3）螺杆直径越小，高温后喷水冷却造成的预拉力损失越大，损失程度基本与螺栓型号无关； 4）、冷却方式对高强螺栓的拉伸力学性能有影响。 与钢材本身类似高强度钢材的弹性模量，在自然冷却条件下，延展性继续增加，强度略有回升，但幅度不明显； 溅水冷却条件下，屈服平台消失，塑性损失大，强度回升明显； 5）高强螺栓连接的抗滑移承载力和抗剪极限承载力均随最高过热温度的升高而降低，且抗滑移极限承载力的降低幅度明显小于抗滑移轴承冷却方式对抗滑移承载力和抗剪极限承载力影响不大。
结论
1）随着最高烧成温度的升高，钢的弹性模量折减系数波动较小。
2）自然冷却条件下，随着最高过火温度的升高，钢材的屈服强度和极限强度折减系数有明显的下降趋势。 断后伸长率随最高过火温度的升高而增大，钢的塑性增强。
3)在浸水冷却等条件下，钢材的屈服强度和极限强度折减系数随着最高过火温度的升高有明显的上升趋势，断后伸长率随着最高过火温度的升高而显着降低，钢材的延展性减弱； 同时，普通强度钢的屈服强度、极限强度的增加和断后伸长率的降低均大于高强度钢。
4）对中国Q级钢和欧洲S级钢高温火后的力学性能进行拟合，得到拟合公式，并与试验结果进行比较，验证其准确性。
5）对接焊缝在高温过热后也会发生劣化，并且随着温度的升高，劣化程度超过母材。 焊接连接的断裂位置从母材转移到焊缝。 该冷却方法不适用于高温过热后的对接焊缝力学。 对性能影响很小。
6）角焊缝的极限强度随着最高过热温度的升高而降低，但水冷可以减少极限强度的降低。
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