建筑用耐火钢研究进展

张慧洁， 刘 伟， 王静峰，3， 刘 用，3

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院,安徽 合肥 230000；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009；3.先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

钢结构以其自重轻、强度高、施工快、空间大、抗震性能好等优点被广泛应用于工业与民用建筑中，尤其在高层、超高层、大跨度空间等领域更加凸显其优点[1]。

但是，钢结构也存在一个较大的缺陷：耐火性能差。当温度超过350℃时普通建筑用钢的强度就会显著降低，当温度达到600℃时普通建筑用钢屈服强度值就会下降到室温时的一半以下。主要原因是在火灾高温作用下，其内部晶格结构发生变化，强度、弹性模量等力学性能随温度升高明显降低，而钢材的导热系数大，截面温度均匀分布，火更容易损伤内部材料，使其出现高温软化问题。钢结构由于强度的丧失而难以承载建筑物自身的重量，不能满足建筑的耐火性能要求[2]。

为了提高钢材的耐火性能，克服其高温软化问题，耐火钢应运而生。耐火钢定义为，在600℃时钢材的屈服强度不小于常温屈服强度的2/3，且其他性能(包括常温机械性能、可焊性、施工性等)应与相应规格的普通结构钢基本一致。耐火钢是在生产过程中加入铝、妮、锰等稀有金属使其合金化，不仅可提高结构的抗火性能和抗震性能，也可减轻建筑自重，降低成本。

随着国民经济的快速增长，21世纪建筑行业迅猛发展，钢结构将仍然是最主要的结构形式之一。耐火钢因其自身的优良特性，也将被广泛应用于各种钢结构建筑中。

1 耐火钢的发展

1.1 国外耐火钢发展

20世纪70年代，欧洲Cresot-Ioire钢厂研制了能经受900～1 000 ℃的含Mo耐火钢，但由于其含Mo量相对较高且成本过高而未能推广应用[3]。澳大利亚学者[4]在原有含碳量较低的Mo钢中添加V和Nb两种元素，使钢材获得了耐高温性能，具有一定的抗火能力。

1990年左右，日本研究人员通过添加总量不超过2.0%的V、Nb、Ti等合金元素，研发出在600℃高温下屈服强度达到室温下2/3甚至更高的建筑用耐火钢，其成分及性能分别见表1和表2[5,6]。如今，耐火钢的应用在日本已较为成熟，多家企业相继开发出多个强度级别的建筑用耐火钢，并且能生产出耐火H型钢、板材、钢管(焊接钢管、大直径钢管、无缝钢管)、高强度螺栓以及相应的焊接材料等多种产品[7]。同时，耐火钢已成功运用于日本长期信用银行总行大楼、大林综合大厦等多个大型工程中。

表1 国外耐火钢成分

表2 国外耐火钢的性能

在日本对耐火钢研究的基础上，英国学者[8]对耐火钢梁支承楼板的耐火极限进行了研究。Kelly等[9]对耐火钢和S275钢的高温力学性能的研究表明耐火钢的高温力学性能明显优于S275钢。2006年，印度学者Panigrahi[10]的研究表明，在C-Mn钢的基础上添加Mo和Cr等合金元素得到的低合金钢也能具有一定的耐火性能。

1.2 国内耐火钢发展

建筑用钢结构为我国国民经济的快速发展提供了必要的物质基础，而建筑用耐火钢是保障建筑安全的必要措施之一。目前，我国宝钢、鞍钢等单位开展了一系列耐火钢的研究，并取得了一定的成果。

宝钢研发的含Nb的490 MPa级耐火耐候钢，其耐火性能与日本的FR钢相当，其在600 ℃时的屈服强度大于室温屈服强度的2/3以上，达到国家标准，如图1所示[11]。

鞍钢于2000年开始研制耐火钢，通过在低合金钢中添加多种微量元素，并控制含碳量及合金配比从而提高钢材的抗火性能[12]。武钢研发了高性能建筑用耐火耐候WGJ510 C2钢，具有较好的抗火能力，满足国家规范的建筑用耐火钢强度要求，并成功投入北京国家大剧院工程建设中[13]。

马钢与钢铁研究总院于1994年合作研制出MGFR490B建筑用耐火H型钢，通过析出合金碳化物证明能保持较高的强度等级，并且该研究成果已经成功应用于上海中福城高层钢结构住宅工程，且上海中福城为我国最早使用耐火钢的建筑[14]。

攀钢提出了含钒新型耐火钢，并对其力学性能和低成本设计方法进行了研究，实验表明含V耐火钢满足要求，有较好的抗火性能[15]。

2 耐火钢的材料性能

2.1 耐火性能

耐火性能即钢材在高温下能保持室温时原有钢材强度的能力。

王泽林等[16]采用焊接制作的耐火H型钢和同尺寸的焊接Q345B H型钢进行抗火试验，试件尺寸为360 mm×150 mm×12 mm×16 mm×5 600 mm，焊接形式采用埋弧自动焊焊接形式。试验采用无涂覆防火涂料、薄型防火涂料和厚型防火涂料进行对比，在不同均布荷载设计值条件下进行了抗火试验，并得出以下结论：

(1)无涂覆的耐火钢耐火极限是0.6 h，而普通钢耐火极限是0.46 h，前者达到《建筑设计防火规范》规定的4级梁耐火极限要求，后者未达到，耐火钢抗火能力大于普通钢。

(2)薄型防火涂料涂覆2.74 mm和3.85 mm的耐火钢耐火极限时间相差不大，但均已达到3级梁的耐火极限。而防火涂料厚度的增加对耐火极限却没有明显提高，可能是防火涂料的养护期未满或试验使用的防火涂料在1 000 ℃高温以上无法发挥效果。

(3)厚型防火涂料涂覆的耐火钢及普通钢均已达到《建筑设计防火规范》规定的2级梁耐火极限要求，且耐火钢的防火涂料厚度少于普通钢的一半。

沈俊昶等[17]采用马钢生产的耐火H型钢(含有Mn、Cr、Nb、Mo等多种合金，屈服强度为345 MPa)进行抗火试验，并对其综合力学性能进行分析，并通过试验验证得到以下结论：

(1)随着温度的升高，Q345普通钢的屈服强度下降明显，当温度升高至500 ℃时，Q345普通钢的屈服强度仅为室温下屈服强度的1/3；

(2)随着温度的升高，耐火H型钢的屈服强度下降缓慢，当温度达600 ℃时，耐火H型钢的屈服强度才下降至室温下2/3左右。高温下普通钢和耐火钢屈服强度随温度变化曲线如图2所示。

图2 宝钢B490RNQ与Q345B的高温性能对比[11]

图2 耐火钢的屈服强度-温度关系曲线[17]

2.2 热物理特性

李国强等[18]研究对比了多家公司生产的耐火钢与普通钢在高温下的热物理特性，包括比热、热传导系数、热膨胀系数等。相关参数对比见表3～表5。

表3 耐火钢的比热[18]

表4 耐火钢的热传导系数[18]

表5 耐火钢的平均热膨胀系数[18]

由上表知，耐火钢和普通钢的热物理参数差别不大，在进行耐火钢结构设计和计算时可利用普通结构钢的热物理参数。

2.3 抗震性能

王亚平[19]用试样尺寸为10 mm×50 mm的新型含钒建筑用耐火钢与普通建筑用耐火钢进行拉伸试验，测试其屈服强度和抗拉强度，以反映耐火钢的抗震性能。试验结果表明，普通建筑用耐火钢试样的屈服强度为286 MPa、抗拉强度为458 MPa，屈强比为0.624，屈强比小于0.8，抗震性能较好；新型含钒建筑用耐火钢的屈服强度为358 MPa、抗拉强度为605 MPa，屈强比为0.592，屈强比相比于普通建筑用耐火钢减小了5.1%，表现出更加优良的抗震性能。

3 耐火钢构件的抗火性能

丁军[20]对SM490-FR钢构件在高温下的力学性能进行了研究，提出了高温下轴心受压钢柱、受弯钢梁、偏心受压钢柱的抗火设计方法，并给出了标准升温条件下的SM490-FR钢构件的升温计算公式。同时，采用有限元分析软件ANSYS对轴心受压钢柱、受弯钢梁、偏心受压钢柱的极限耐火时间进行了计算，将试验结果和模拟结果进行了对比，验证了ANSYS计算模型和计算公式的准确性和可靠性。丁军等[21]利用ANSYS建立了火灾升温条件下耐火钢柱的非线性有限元模型，并进行了大量参数分析，通过研究各种参数变化对耐火钢柱抗火临界温度的影响，提出了耐火钢柱抗火临界温度的简便计算方法。通过参数分析，发现常温下的耐火钢柱的屈服强度fy值以及fyT/fy-T曲线对耐火钢柱的抗火临界温度基本无影响；而fy(600 ℃)/fy值的影响较大，fy(600 ℃)/fy值越大则耐火钢柱的抗火临界温度就越高。

李国强等[22]采用新日铁公司的耐火钢试验数据进行研究，并结合我国现行钢结构设计规范，提出一种耐火钢梁抗火设计方法，并通过对比有限元计算结果和试验结果，验证了该方法的可靠性。

4 结束语

(1)耐火钢因其自身的优良性能和经济优势将被广泛应用于钢结构建筑中，极大提高钢结构在建筑行业的竞争力。

(2)耐火钢具有比普通钢更加优良的耐火性能和抗震性能，应用前景广阔。

(3)耐火钢热物理特性与普通钢相差不大，抗火分析时可直接采用普通钢的热物理特性。

(4)国内学者在试验研究和有限元分析的基础上，提出了耐火钢构件的抗火设计方法，可用于指导耐火钢构件的抗火设计。