摘要
普通建筑结构用钢在火灾下材料强度和弹性模量会显著下降。在600℃时，普通结构钢的强度和弹性模量会折减为室温的1/2以下。针对这一问题，国内外钢厂先后开发了耐火钢，当温度达到600℃时，保证屈服强度仍能达到常温屈服强度的2/3以上，具有比普通钢更好的抗火性能。目前，国内外学者对于耐火钢的研究大多集中于材料的研发和材料本身的力学性能上，对耐火钢结构基本构件的受力性能研究较少，缺少针对耐火钢箱形截面柱及耐火钢管混凝土柱的极限承载能力研究。我国现行《钢结构设计标准》GB50017-2017和《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS159-2004中尚无明确的耐火钢受压构件设计方法。耐火钢高温下及高温后力学性能与普通结构钢有显著差异，对焊接残余应力及焊接变形有不可忽视的影响，进而会影响其受压构件的极限承载能力。因此，亟需开展耐火钢受压构件的力学性能研究，为耐火钢的设计与工程应用提供试验结果与理论依据。本文基于南京钢铁自主研发的复合型耐火钢，主要研究了耐火钢箱形截面柱和耐火钢管混凝土柱常温偏心受压下的极限承载性能与计算方法。 主要内容与结论如下： （1）分别对3种不同截面尺寸的Q345FR和Q460FR耐火钢箱形截面柱进行了常温偏压试验，并将试验结果与我国《钢结构设计标准》GB50017-2017、欧洲规范EC3计算结果进行了对比。结果表明：对于耐火钢箱形截面压弯构件，两种现行钢结构规范的计算结果均偏保守。其中，按照GB50017-2017规范的计算结果平均低于试验结果约19%；按照EC3规范的计算结果平均低于试验结果约14%。 （2）采用ABAQUS通用有限元分析软件建立了考虑构件几何初始缺陷与残余应力的箱形截面压弯构件数值模型，通过对比试验结果验证了模型预测结果的准确性。在验证模型的基础上，进行了残余应力、构件长细比、截面宽厚比、偏心率以及钢材强度等参数分析，总结了不同参数对耐火钢箱形截面压弯构件极限承载力的影响规律，并将参数分析的结果与我国现行钢结构标准GB50017-2017和欧洲钢结构标准EC3的计算结果进行了对比。结果表明：按照两种规范计算耐火钢箱形截面压弯构件的承载力，其结果均偏于保守。并根据耐火钢箱形压弯构件极限承载力研究结果，对两种公式分别提出了修正建议。 （3）分别对3种不同截面尺寸的Q345FR和Q460FR耐火钢方钢管内填C50混凝土柱进行了常温偏压试验，并将试验结果与我国现行CECS159-2004规范、欧洲规范EC4计算结果进行了对比。结果表明：对于耐火钢管混凝土箱形截面压弯构件，我国现行的CECS159-2004规范的计算结果与试验结果较为吻合；欧洲规范EC4的计算结果与名义屈服强度为345MPa的耐火钢管混凝土构件的试验结果较吻合，但对于名义屈服强度为460MPa的耐火钢管混凝土构件的压弯极限承载力预测结果偏于保守。 （4）采用试验结果验证了耐火钢方钢管混凝土柱有限元分析模型，进行了残余应力、构件长细比、截面宽厚比、偏心率以及钢材强度等参数分析，总结了不同参数对耐火钢管混凝土箱形截面压弯构件极限承载力的影响规律，并将参数分析的结果与我国现行CECS159-2004规范、欧洲规范EC4的计算结果进行了对比。结果表明：CECS159-2004规范能较为准确地预测耐火钢管混凝土压弯构件的实际承载力；而EC4规范随着构件长细比的增加，倾向于高估耐火钢压弯构件的极限承载。因此，本文针对欧洲规范EC4的公式提出了修正建议。
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