4 材料特性

4.1 钢 材

4.1.1 高温下钢材的热膨胀系数、导热系数和比热容等随温度不同会有一定的变化,但为应用方便,本规范取用了这些参数在高温下的平均值。

4.1.2、4.1.3 普通结构钢的屈服强度和弹性模量随温度升高而降低,且其屈服台阶变得越来越小。在温度超过300℃以后,已无明显的屈服极限和屈服平台,因此,需要指定一个强度作为钢材的名义屈服强度。通常以一定量的塑性残余应变(称为名义应变)所对应的应力作为钢材的名义屈服强度。常温下一般取0.2%应变作为名义应变,而在高温下,对于名义应变取值尚无一致的标准。ECCS规定,当温度超过400℃时,以0.5%应变作为名义应变,当温度低于400℃时,则在0.2%(20℃时)和0.5%应变之间线性插值确定。钢梁、钢柱抗火试验表明,按上述方法确定的名义应变值过于保守。英国BS5950:Part8提供了三个名义应变水平的强度,以适应各类构件的不同要求,即2%应变,适用于有防火保护的受弯组合构件;1.5%应变,适用于受弯钢构件;0.5%应变,适用于除上述两类以外的构件。欧洲规范EC3、EC4则取2%应变作为名义应变来确定钢材的名义屈服强度。
    随着研究工作的日益广泛,对钢材的高温性能以及钢结构在火灾下的反应有了更深入、更具体的了解,最新的研究成果已倾向于采用较大的名义应变来确定钢材在高温下的名义屈服强度。
    同济大学对16Mn钢与SM41钢进行了较为系统的高温材性试验,量测了0.2%、0.5%、1.0%等三个名义应变水平的高温屈服强度。根据以上试验数据,并参考欧洲和英国等国家的规范,确定了本规范中高温下普通结构钢屈服强度和弹性模量的拟合公式。

4.1.5 耐火钢通过在结构钢中加入钼等合金元素,使钢材在高温时析出碳化钼MO2C。由于此类化合物比铁原子大,能起到阻止或减弱“滑移”的作用,从而提高钢材高温下的强度。耐火钢不同于普通的耐热钢。耐热钢对钢的高温性能,如高温持久强度、蠕变强度等有严格的要求,而耐火钢只要求在规定的耐火时间(一般不超过3h)内能保持较高的强度水平即可。
    耐火钢与普通结构钢在高温下的热膨胀系数、导热系数、比热容等热物理参数差别很小,可直接参照普通结构钢的有关公式计算。
    由于目前各钢铁公司生产的耐火钢的高温材性有较大的差别,本规范中高温下耐火钢的弹性模量和屈服强度公式并不一定适用于所有品种,仅当500~700℃时耐火钢的实测弹性模量折减系数与式(4.1.5-1)计算值的差异不超过±15%,且实测屈服强度折减系数不低于式(4.1.5-2)计算值的10%时,该种耐火钢才可按第4.1.5条确定其高温下的弹性模量和屈服强度。