摘要：对马鞍山钢铁股份有限公司开发的耐火H型钢进行了高温下的力学性能试验和耐火构件试验，并同时对耐火构件抗火性能进行了ANSYS有限元模拟计算，二者结果吻合较好；其结果表明，新开发的耐火H型钢力学性能与耐火性能等指标可满足建筑用钢要求。

关键词：耐火H型钢；力学性能；耐火构件；试验；ANSYS有限元模拟计算

1前言   

       钢结构具有自重轻、施工快、抗震性能好等优点，因而在工业与民用建筑中得到广泛应用。但钢结构的抗火性能较差，一般需涂装防火涂料；为达到减少或不涂防火涂料，国内外均致力于研究开发耐火钢。在国内，马鞍山钢铁股份有限公司开发了MGFR490B建筑用耐火H型钢(Q345级)。目前由于我国还没有耐火钢在建筑结构方面应用的规范，因而使其应用受到很大限制。为了了解耐火钢的有关性能，提出合理的耐火钢构件抗火设计方法，供有关规范采纳，马钢与钢铁研究总院、同济大学等单位合作，进行了耐火H型钢材料性能试验、柱抗火性能试验和梁抗火性能试验。

2试验目的

    (1)得到不同温度下耐火H型钢的应力一应变关系、屈服强度、弹性模量、热膨胀系数等力学性能指标；使用数学方法，拟合主要力学性能随温度的变化规律。

    (2)了解高温条件下耐火钢受弯钢梁、轴压柱、偏心受压柱的破坏特性和抗火性能，并检验实用抗火设计公式。

3  耐火H型钢力学性能随温度的变化规律

    试件加载条件依照GB4338—84《金属高温拉伸试验方法》和GB228—87《金属拉伸试验方法》进行。

    耐火H型钢力学性能随温度的变化规律如图1所示。由图l可看出，随温度的升高，耐火H型钢屈服强度、抗拉强度、伸长率下降，600℃时的屈服强度大于等于室温下屈服强度的2／3，室温下屈强比小于等于0．8；面缩率随温度的升高而增大；线膨胀系数对温度不是很敏感，在计算中可以取为常数；弹性模量随温度升高而下降，但在600℃以下，能保持室温弹性模量的75％以上。

4 耐火构件试验与理论计算对比

      耐火H型钢的耐火构件试验在华南理工大学进行，试验方法按照GB／119978—1999(建筑构件耐火试验方法)进行。试件采用马钢MGFIⅥ90B耐火H型钢，强度等级Q345，试样规格为H400mm×200mm×8mm×13m。受弯梁两端简支，试件长度为5700mm，支座间长度为5100mm，有效加热长度为4000mm。柱两端简支，长度为3810mm，实际受火长度为3000mm，共制作2个试件，其一是轴心受压试件，另一是偏心受压试件，偏压试件绕强轴偏心，偏心距为120mm。

4．1轴压试件

    图2为试件实测温度与ANSYS计算值的对比。在试件抗火性能的非线性有限元分析中，考虑了1／1000试件长度的偶然偏心。试验结果为：耐火时间为18min。试件破坏时，平均温度为703．5℃，翼缘平均温度为697．7℃，腹板平均温度为715．2℃。计算得到轴压柱试件的耐火时间为19min，破坏时试件的平均温度为692．5℃,试验结果与理论计算结果吻合非常好。图3为计算得出的柱轴向与跨中水平向位移一温度曲线与试验实测数据的对比。

4．2偏压试件

    图4为偏压试件实测温度与ANSYS计算值的对比。在试件耐火性能的非线性有限元分析中，试验结果为：耐火时间为20min，试件破坏时平均温度为707．5℃，翼缘平均温度为690．7℃，腹板平均温度为740．6℃。计算结果：耐火时间为19．3min，破坏时的平均温度为698．3℃。试验结果与理论计算结果吻合非常好。图5为计算得出的柱轴向与跨中水平向位移一温度曲线与试验实测数据的对比。

4．3抗弯梁试件

      使用有限元分析软件ANSYS对试验钢梁的抗火性能进行非线性有限元分析。计算结果与试验结果对比如图6所示。试验结果，钢梁的耐火时间为25min，平均温度为716．4℃，上翼缘平均温度645．1℃，腹板平均温度789．3℃，下翼缘平均温度714．99℃。计算结果：钢梁的耐火时间为23min，破坏时钢梁的平均温度为720℃，试验结果与理论计算吻合非常好。图7为计算得出的钢梁跨中的挠度一温度曲线与试验实测数据的对比。

  有限元分析结果表明，试验钢梁的承载力极限状态为截面弯矩达到截面塑性弯矩，梁的整体稳定并未起控制作用，其与试验现象相符。

5结论

     (1)耐火性能：σ_s(600℃)≥2／3σ_s(室温)，E_(600℃)≥75％E_(室温)。

     (2)室温力学性能及其他质量指标满足普通建筑用钢标准的要求。

     (3)抗震性能：室温下σs／σb≤0．8。

     (4)在荷载比为0．68的情况下，试验钢梁的临界耐火温度达700℃，证明耐火钢具有良好的耐火性能。

     (5)非线性有限元分析与试验实测数据吻合较好，均显示钢梁的破坏为弯曲强度破坏，而非整体失稳破坏。

  (6)非线性有限元分析可以较准确地预测轴压与偏压耐火钢构件在火灾下的极限承载力。