浙江盛达铁塔有限公司
【摘 要】火灾后对钢结构构件造成的影响必然会导致结构内力的重新分布。对钢结构构件在火灾后材料性能试验研究是为了便于未来更好地评估钢结构构件在火灾后的整体安全性以及整体预应力等问题。希望能够通过火灾前后钢结构构件的实验结果得到钢结构的母材力学能力、化学成分等相关系数的变化规律，为评估找到有力的科学依据，同时也能推进我国在钢结构构件在防火性能方面的发展。
【关键字】钢结构构件；材料性能；火灾后；足尺试验
引言：首先需要注意的是钢结构的材料性能，这是对钢结构构件在经历火灾后研究其整体安全性和剩余承载力的前提。据目前而言，我国在栓焊连接防火性的研究较少，而在钢结构构件材料性能方面的研究在国内外都是尚显不足的【1】。笔者希望通过某高层钢结构的栓焊连接节点足尺模型在火灾中的实验对栓焊连接节点在火灾后的性能方面的变化做出一定的研究，以供同行参考。
1 试验内容
本试验是参考了现实高层钢结构的梁祝栓焊连接节点和相连的杆件的受力情况和实际尺寸来制作足尺试验模型，然后开始模拟火灾过程和消防灭火的过程，记录下试验中相关参数的变化进行研究。
1.1 装置布置
本试验使用了八个油桶作为起火源，同时在起火源的外围砌了7700mm*3000mm的砖墙，高2000mm，本试验在特制的试验用砖承台上进行，具有较强的安全性和可靠性。具体的试验装置的布置图如下图1所示。
砖墙既可以做试验的防护栏，也可以视为模拟在局部火灾现场的隔墙。
1.2 试验内容
试验的准备工作：先将试件吊装就位，铰接连接钢梁两端后在柱顶开始集中施加载荷。
开始模拟真实的火灾现场：为了更加贴近真实情况，本试验采用恒载升温的方法【2】，在火灾达到本试验方案设计值的时候开始灭火。对试件进行编号，分别进行防火涂料与未采用防火处理的钢材试验，并设置对照组。详细火灾试验方案见下表1。
1.3 模拟火灾
在试验台上将试件安装完毕并做好相关的防火措施后就可以点火了，用以模拟真实火灾现场的升温过程，通过记录试件在不同温度条件下的相应性能参数，进行材料性能在火灾发生前后的不同部位的性能变化，用以判断火灾对钢结构性能产生的影响。
每隔两分钟通过红外测温仪记录一次试件在相应时刻的温度分布，并将相关参数记录在计算机，通过thernacm软件来获得升温过程中不同时间试件不同部分的温度。火灾燃烧时间达到试验设计时间后开始按照预定的方式灭火，需要注意灭火措施的可靠性和安全性，避免造成不必要试验事故。
2 试验的相关参数
2.1火灾前母材的化学成分
本试验主要是对钢材中的碳、硫、磷、锰、硅五大化学元素进行分析【3】。火灾前试件的化学成分的分析表见下表2。
说明：表中的数据单位都为（%）,试件编号含义为：B3-1为B3试件中编号为—1的取样钢板，B3-2为B3试件的编号为-2取样钢板，B3-3为B3试件的编号为—3取样钢板。
2.2 火灾前母材金相分析
本试验中对试件B3进行取样、研磨以及抛光等措施，然后使用冷酸进行浸泡后对钢板进行显微金相检验，并对检验图进行分析确定试样火灾前的内部结构形态。检验分析结果大致如下：试样的显微组织全为珠光体和铁素体；B3-1晶粒度是8.20，B3-2的晶粒度是8.18，B3-3的晶粒度是8.73。同时格式件的纵面纤维组织都呈现出状分布图。
2.3 火灾前的力学性能分析
本试验的对试件进行常温下单向拉伸性试验是依据国家相关标准进行测试，主要是《钢及钢产品性能试验取样位置及试样制备》以及《金属材料室温拉伸试验方法》【4】。详细的取样位置要求具备代表性，能够较为全面反映材料性能。主要测试的指标为：伸长率、冲击性能、屈服强度、冷弯性能、极限抗拉程度等。同一试件的不同位置均采用了10个试样，详细试样力学性能试验结果如下表3所示。
2.4 火灾模拟试验测温
本实验测量了试件B1和试件B2在不同区域的温度变化，如下图2和图3所示。
2.5 火灾后试件母材成分分析
火灾后的试件母材化学成分含量重新进行测定并分析，记录其数据制成表格以作对比试验分析。
2.6 火灾后试件的母材金相分析
火灾后继续对试件B0、B1、B2进行取样、研磨、抛光操作，然后进行冷酸侵蚀，最后对钢板进行显微金相检验，确定其火灾后纤维金相形态。
2.7 火灾后力学性能分析
进行火灾模拟试验后重新测试各组钢材力学性能，以确定其物理性能在不同火灾强度条件下产生的物理性能变化，如伸长率、冲击韧性、冷弯等对钢结构性能有着决定性影响作用的相关参数变化。其中，试件B1火灾后力学性能分析见下表4
3 对比分析
母材金相组织分析
在试验记录的图像可以看出试样的显微组织在于火焰直接接触后出现了过热和过烧的现象，出现了魏氏组织【5】，但是不同位置的最高温度以及热处理的方式状态都不同，显微组织的结果也不尽相同。与预计情况相同的是距离火源近、经受温度最高的地方试件受损最严重，所以基本可以认为决定组织结构性能的关键因素之一就是火灾温度。
另外，试件B0和试件B1都在火灾后经历了喷水冷却的过程，类似于淬火处理。虽然总体来看B0和B1的显微结果相近，但是B1涂了防火涂料而B0没有，受火时间上来说B1比B0要长上一倍。B2受火时间不长，但温度较高，发生相变，火灾后没有喷水冷却的过程，自然冷却，结果是钢材受损严重。所以可以得出火灾后有喷水冷却经历的钢材2相比自然冷却的钢材略胜一筹。
（2）母材化学成分分析
根据试验结果可以看出磷和硫的含量在火灾前后变化差异不大，而碳、硫、锰元素的含量火灾后会有所降低，但降低的程度与试件冷却的方式无关。
（3）母材屈服度变化
根据试验数据计算出火灾后试件的屈服度有所下降，下降幅度在2%~9%之间伸长率也有所下降，下降幅度在3%~14%之间，极限强度有所下降，下降幅度在2%~8%之间，冲击韧性有所上升，最大上升幅度可达56%。
结束语：
基于本文相关实验参数和结果，可以大致得到如下结论：
（1）决定钢材组织结构性能的关键因素是钢结构构件在经历火灾时的最高温度。
（2）根据试验结果可以看出自然冷却的钢材在性能上不如经历过消防喷水冷却的钢材，因此在火灾发生后应该尽快进行灭火工作，以有效的保护钢结构用钢。
（3）经历过火灾后，刚解耦的栓焊连接点母材中的磷元素和硅元素含量无差异，而硫元素、碳元素以及锰元素相比火灾前会偏低，这个偏低量与钢材料经历的火灾温度以及冷却的方式无关。
（4）试件母材在火灾后，冲击韧性会有所提升，而伸长率、极限强度和屈服强度等性能会有所下降。
参考文献：
[1]强旭红,罗永峰,罗准,张立华. 钢结构构件火灾后材料性能试验研究[J]. 土木工程学报,2009,07:28-35.
[2]易贤仁. 钢结构火灾后的性能分析与鉴定[J]. 武汉理工大学学报,2005,01:54-57.
[3]吕俊利. 整体钢框架中梁柱抗火性能的研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
[4]马燚. 火灾后钢结构的检测与鉴定研究[D].沈阳建筑大学,2014.
[5]曹军岭. 钢结构火灾损伤鉴定与加固方法研究[D].太原理工大学,2009.
论文作者:徐海强,林利栋
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/14
标签：火灾论文; 钢结构论文; 性能论文; 金相论文; 构件论文; 钢材论文; 试样论文; 《低碳地产》2016年13期论文;