新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究_余香林.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0201-12新型耐火耐候钢材高温力学性能与本构模型研究余香林1，石永久1，彭耀光2，程赟1，王文昊1，刘栋1(1.土木工程安全与耐久教育部重点实验室，清华大学土木工程系，北京100084；2.百安力钢结构应用科技有限公司，珠海519040)摘要：采用标准试验方法，对首钢集团生产的楼承板用 SQ410FRW 耐火耐候钢冷轧钢带进行稳态拉伸试验，以测定其典型高温力学性能指标，包括钢材高温弹性模量、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。通过非线性回归方法得出相应的高温折减系数表达式，包括弹性模量折减系数、规定塑性延伸强度折减系数和抗拉强度折减系数。根据试验应力-应变关系曲线，回归得出基于 Ramberg-Osgood 模型(R-O 模型)的应力-应变本构模型，以用于后续有限元参数化建模过程中对结构构件的温度场分析和顺序热力耦合分析。试验结果表明：绝大多数拉伸试样均在平行段内或标距段内发生断裂，且断后伸长率随温度升高呈现总体增大趋势；高温弹性模量、高温规定塑性延伸强度和抗拉强度在 600 及以下时降低较少，均保持在常温名义值的 60%以上，基本满足耐火钢的力学性能指标要求；基于 R-O 模型的应力-应变本构关系表达式的拟合优度均在 90%以上，与试验应力-应变曲线吻合良好，故提出的本构模型可用于相关钢结构或组合结构构件的有限元抗火分析。关键词：耐火耐候钢；高温力学性能；拉伸试验；本构模型；折减系数中图分类号：TU541；TU392文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0742MECHANICALPROPERTIESANDCONSTITUTIVEMODELOFANINNOVATIVEFIRE-RESISTANTWEATHERINGSTEELATELEVATEDTEMPERATURESYUXiang-lin1,SHIYong-jiu1,PANGYiu-kwong2,CHENGYun1,WANGWen-hao1,LIUDong1(1.KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaEducationMinistry,DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.P&LsSteelStructureAppliesTechnologyCo.,Ltd.,Zhuhai519040,China)Abstract:Basedonthestandardtestmethod,thesteady-statetensilecoupontestingonSQ410FRWfire-resistantweatheringcoldrolledsteelstripsforfloordeckingsystemmanufacturedbyShougangGroup,wascarriedoutinordertoinvestigatetheircharacteristicmechanicalpropertiesatelevatedtemperatures.Thesepropertiesmainlyinclude high-temperature modulus of elasticity,proof strength at specified plastic strain,tensile strength,percentageelongationafterfractureandpercentagereductionofcrosssection.Thecorrespondingexpressionsforthe reduction factors were obtained by nonlinear regression method,so as to represent the high-temperaturemechanical performance indicators.The stress-strain constitutive model was further established by adoptingRamberg-Osgood model for the experimental stress-strain relation curve.The model will be applied in thesubsequentfiniteelementparametricmodelling,aimingatthethermalanalysisandsequentiallycoupledthermalstressanalysisofstructuralmembers.Thefollowingconclusionsaredrawnfromthetestresults:Mosttensilespecimensshowfracturewithinthegaugelength,andthepercentageelongationafterfractureincreaseswith收稿日期：2021-09-25；修改日期：2021-12-20基金项目：国家自然科学基金项目(52078276，51890903)；中国博士后科学基金项目(2019M650690)通讯作者：石永久(1962)，男，黑龙江鸡东人，教授，博士，博导，主要从事高性能钢结构与组合结构教学与研究(E-mail:).作者简介：余香林(1984)，男，江西九江人，助理研究员，博士，主要从事高性能组合结构抗火研究(E-mail:);彭耀光(1963)，男，香港人，高工，硕士，主要从事钢结构与组合结构研究(E-mail:.hk);程赟(1998)，男，江西南昌人，博士生，主要从事高性能组合结构结构抗火研究(E-mail:);王文昊(1997)，男，江苏泰州人，博士生，主要从事高性能组合结构抗火研究(E-mail:wh-);刘栋(1995)，男，山东济南人，博士生，主要从事高性能组合结构抗震研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS201temperature rising.The high-temperature modulus of elasticity,proof strength at specified plastic strain andtensilestrengthdropslowlyunder600,andstillmaintainover60%ofnominalvaluesatroomtemperature,basicallymeetingtherequirementsofthepropertiesoffire-resistantsteel.Thefittinggoodnessofstress-strainconstitutive model all exceeds 90%,showing good agreement with the experimental stress-strain curves.Therefore,theproposedconstitutivemodelcanbeappliedinthefiniteelementanalysisofthefireresistanceofrelevantstructuralmembers.Keywords:fire-resistant weathering(FRW)steel;mechanical properties at elevated temperatures;tensilecoupontest;constitutivemodel;reductionfactor“十三五期间”我国启动了针对交通与建筑用高性能钢材的“重点基础材料技术提升与产业化”重点研发计划。研发的高性能结构用钢材包括高强钢、耐火钢、耐候钢和抗震耐蚀耐火钢。它们具有强度高、耐高温、耐腐蚀、高延性、低屈强比、可焊性强和抗冲击能力强等一种或多种属性1。而兼具耐火性能和耐候性能的耐火耐候钢正受到越来越广泛的重视。耐火钢是通过在钢材中加入 Mo 等合金元素，使钢材在高温时从原子中析出 Mo2C，起到阻止或减弱原子“滑移”的作用，从而提高钢材的高温强度。耐火钢不仅要求常温力学性能满足建筑用钢要求，而且 600 的屈服强度不应低于室温屈服强度的 2/3，以避免火灾作用下结构构件因过早发生破坏而导致安全事故2。耐候钢是在钢材中加入适量的 Cr、Ni、Cu 等元素后，在大气环境下发生锈蚀时于钢材表面形成致密锈层，阻碍锈蚀向内扩散和发展，显著减缓钢材的锈蚀速度，提高钢材的抗腐蚀耐久性。耐候钢的抗大气腐蚀能力比普通钢材提高 28 倍，可减少或避免使用防锈蚀涂装，提高结构的耐久性，采用耐候钢后结构的运维成本亦可大幅度降低1。国内外学者对传统结构钢的高温力学性能及其结构构件或节点的抗火性能研究已十分广泛和深入36，而针对耐火钢或耐候钢的高温力学性能研究则相对较少。KUMAR等7对 66 件耐火钢板试样(33 件 6.12mm 厚和 33 件 7.72mm 厚，名义屈服强度均为 450MPa)和 33 件普通结构钢中厚板试样(5.72mm 厚，名义屈服强度为 355MPa)进行了 20800 的稳态拉伸试验，比较研究了两种钢材在常温和高温下的力学性能指标、应力-应变曲线、弹性模量折减系数、屈服强度折减系数、Ramberg-Osgood 本构模型等，得出了一些具有重要参考价值的结论。GLASSMAN 等8对耐候钢(A588)的常温和高温力学性能进行了 20815的拉伸试验，并与非耐候钢(A709/A992)的力学性能指标进行了对比分析。JO 等9研究了 Mo 和Nb 在改善耐火钢高温拉伸性能方面的作用机理。班慧勇和孟令野等1011对首钢集团生产的耐火螺栓的高温力学性能进行了试验研究和对比分析。石永久等12对武钢集团生产的耐火耐候钢板的常温和高温力学性能及其本构关系进行了稳态试验研究。王荣春等1314研究了 Mo 元素对耐火钢高温力学性能的影响，以及低 Mo 高强耐火钢的力学性能。王欣等15研究了 TiNbVMo 系微合金化高强耐火钢的淀析机理及对力学性能的影响。本文针对首钢集团生产的楼承板用 SQ410FRW耐火耐候钢薄板试样进行常温和高温材性试验，并对试验结果进行分析和总结，提出相关推荐公式和重要结论，为正在编制的 CECS耐火耐候钢压型板组合楼板技术规程的抗火设计方法提供重要参考和依据。1试验概况本文研究对象为首钢技术研究院研发的新型楼承板用 SQ410FRW 耐火耐候钢冷轧钢带，名义厚度为 1.0mm，化学成分如表 1 所示，满足相关标准要求1618。钢的成品化学成分允许偏差符合规范要求19。表1钢的化学成分(熔炼分析)/(%)Table1Chemicalcompositionofsteel(smeltinganalysis)材料化学成分(质量分析)SQ410FRWCSiMnPSCrAlt不大于不小于0.1800.6501.6000.0200.0151.0000.020NiCuNbTiVMo不大于0.7000.7000.1000.1500.2000.600注：SQ410FRW 中的 S 代表首钢产品；410 代表钢材的常温名义屈服强度为 410MPa；FR 代表耐火钢(Fire-Resistant 首字母)；W 代表耐候钢(Weathering 首字母)。202工程力学1.1试样设计为减小常温与高温拉伸试验结果的离散性和不确定度，常温拉伸试样和高温拉伸试样均在同一台拉伸试验机上进行。常温拉伸试样与高温拉伸试样的加工方式相同，均从同一母材取样，且利用销钉穿过圆孔施加轴向拉力。标准拉伸试样根据国家标准 GB/T228.2201520进行设计、加工和制作。标准拉伸试样的几何尺寸和实物图见图 1 和图 2。名义尺寸和实测尺寸如表 2 和表 3所示。实测结果表明：各几何参数的实测值均为正公差，且与名义尺寸设计值的偏差极其微小。试验温度范围为 201000，且从 100 开始，每隔 100 进行 3 个相同试样的高温拉伸试验。DCLtLcL0a0BErb0夹持端夹持端图1标准拉伸试样的几何尺寸示意图Fig.1Geometryofstandardtensilespecimen正面背面图2标准拉伸试样实物图Fig.2Standardtensilespecimen表2标准拉伸试样的名义尺寸/mmTable2Nominaldimensionofstandardtensilespecimen参数a0b0L0rBCDELcLt名义值1.012.550.025.035.050.015.017.062.5205.0注：a0为板厚；b0为平行段宽度；L0为原始标距；r 为过渡弧半径；B 为夹头宽度；C 为夹持端长度；D 为销孔直径；E 为销孔边距；Lc为平行段长度；Lt为总长度。1.2试验装置常温和高温拉伸试验分别依据国家标准 GB/T228.1201021和 GB/T228.2201520进行。拉伸试验采用 GNT100 金属材料高温拉伸试验机进行加载，最大加载力 100kN。采用耐高温碳矽棒炉加热，高温炉的工作温度范围为 1001200。炉内恒温区间尺寸为 65mm65mm180mm，最高温度可达 1200。引伸计型号为 MFHT5，适用温度范围为 01000，引伸计量程为 5mm，原始标距为 50mm。试验升温和加载装置如图 3 所示。沿试样长度方向紧贴上下平行段标记线和中间截面标记线处分别布置一个温度热电偶，以测定试样表面的实时温度，如图 3(c)所示。标记线采用耐高温马克笔进行标记。热电偶用陶瓷管保护，仅在端部露出温度感应探头，并将探头用耐高温金属丝绑扎于试样表面相应位置，以确保热电偶测温端与试样表面始终良好接触。1.3试验方法金属材料的高温拉伸试验方法包括稳态试验和瞬态试验。在稳态试验中，试样被加热至指定温度，保温一段时间使其充分受热变形直至无附加热膨胀变形后，再进行单向拉伸加载，即恒温加载。瞬态试验则是在试样上施加恒定拉力，再将炉内温度按照 ISO834 国际标准升温曲线进行升温，即恒载升温。比较两种试验方法，稳态试验更加简便，而瞬态试验更接近实际情况2。已有研究结果表明：恒温加载试验测得的强度稍高于恒载升温试验结果，但是差别微小，可忽略不计。考虑到实际试验条件，本试验采用稳态试验方法。在稳态试验中，按照设定的升温曲线将炉内温度升至指定温度，本文试验温度包括 20、100、200、300、400、500、600、700、800、900 和 1000。每次试验三个热电偶的实测温度与目标温度的偏差均小于3，满足规范要求。每个温度点进行 3 个相同材性试样的单向拉伸试验。因耐火钢薄板的高温热敏感性与温度有一定相关性，故在不同目标温度下的持温时间有所不同。对于 500 及以下的高温拉伸试验，升温至目标温度后，按照规范要求持温 10min15min 再进行拉伸；对于 600 及以上的高温拉伸试验，升温至目标温度后，因整个试样已充分受热，引伸计测得的轴向变形趋于稳定，故可立即进行拉伸。安装试样和布置热电偶完成后，在安装高温引伸计之前，给试样施加微小预拉力(0.1kN)，以保证试样始终处于紧直状态。在恒温加载过程中，根据不同温度点设定相应的引伸计移除条件。当应变达到 1%5%时可移除引伸计，以防止因试样产生过大的变形速率而将其损坏。在移除引伸计之前，由引伸计控制的标距段应变速率设置为 0.0042min1(即 0.00007s1)，满足 GB/T228.2201520中应变速率相对误差20%的要求。移除引伸计后，由横梁位移控制的加载速率工程力学203提高至 5.25mm/min(即 0.0014s1)。从试验应力-应变曲线中得到名义屈服强度、抗拉强度和初始弹性模量等力学性能指标。因拉伸试样在常温和100 时的变形十分微小，为获取较为准确、光滑、理想的荷载-变形曲线，不进行应变速率切换，而统一设置成 0.00007s1。2试验结果及分析2.1试验现象拉断后的试样如图 4 所示。当温度在 800及以下时，试样仍能保持试验前的锈黑色。当温度达到 900 时，呈现灰白色，表明其碳化明显。此外，900 和 1000 的高温拉伸试样在销孔处表3标准拉伸试样的实测尺寸/mmTable3Measureddimensionofstandardtensilespecimen试样编号试验温度/()板厚a0平行段宽度b0夹头宽度B销孔直径D原始标距L0平行段长度Lc总长度LtSGJ-20_1201.0112.5035.0115.0050.0062.51205.01SGJ-20_2201.0212.5035.0015.0150.0162.50205.00SGJ-20_3201.0112.5135.0215.0050.0062.51205.02SGJ-100_11001.0112.5035.0015.0050.0162.50205.01SGJ-100_21001.0312.5235.0115.0150.0062.51205.00SGJ-100_31001.0112.5135.0015.0050.0162.52205.02SGJ-200_12001.0212.5135.0215.0150.0062.50205.01SGJ-200_22001.0012.5035.0015.0050.0062.50205.00SGJ-200_32001.0112.5135.0215.0150.0162.51205.02SGJ-300_13001.0312.5135.0115.0050.0062.52205.01SGJ-300_23001.0112.5035.0015.0150.0162.50205.02SGJ-300_33001.0012.5035.0215.0050.0062.51205.00SGJ-400_14001.0212.5135.0115.0150.0062.52205.01SGJ-400_24001.0112.5135.0015.0050.0162.50205.02SGJ-400_34001.0112.5035.0215.0150.0062.51205.00SGJ-500_15001.0012.5035.0015.0050.0162.50205.01SGJ-500_25001.0212.5135.0115.0050.0062.52205.02SGJ-500_35001.0112.5035.0015.0150.0262.50205.01SGJ-600_16001.0212.5135.0215.0050.0062.51205.00SGJ-600_26001.0012.5035.0115.0150.0162.50205.00SGJ-600_36001.0012.5035.0015.0250.0062.50205.02SGJ-700_17001.0112.5035.0215.0150.0162.51205.01SGJ-700_27001.0012.5135.0215.0050.0062.50205.00SGJ-700_37001.0212.5135.0115.0050.0262.51205.02SGJ-800_18001.0012.5035.0015.0150.0062.50205.00SGJ-800_28001.0012.5035.0215.0050.0262.50205.02SGJ-800_38001.0012.5135.0015.0150.0062.51205.01SGJ-900_19001.0012.5035.0215.0050.0162.52205.00SGJ-900_29001.0112.5135.0015.0050.0062.50205.01SGJ-900_39001.0112.5035.0115.0250.0062.51205.00SGJ-1000_110001.0112.5035.0115.0150.0162.50205.01SGJ-1000_210001.0012.5135.0015.0050.0062.51205.02SGJ-1000_310001.0012.5035.0215.0250.0062.50205.00(a)拉伸试验机(b)高温炉内部(c)热电偶布置图3拉伸试验装置Fig.3Tensilecoupontestsetup204工程力学均发生较明显的软化变形，故拉断后的试样在圆孔处呈椭圆状。这是由于试样厚度较小，高温承压强度不足所致，故对断后伸长率产生一定影响(偏大)，但对其他力学性能指标的影响较小。不同试样的断裂位置各不相同，但基本在标距段内或平行段与标距段之间发生断裂。试样断裂处均发生不同程度的颈缩，且温度越高，颈缩越明显。断裂截面(图中绿线所示)呈现坡口状，且与水平方向成 030坡角。100 20 400 300 200 500 700 600 800 9001000 图4断裂后的拉伸试样Fig.4Tensilespecimenafterfracture2.2升温曲线因试样厚度仅为 1.0mm，属于典型薄板。当温度高于 600 时，其力学性能的温度敏感性较高。对于指定温度点的高温拉伸试验，通过对比不同升温时长的拉伸试验结果可知，升温越慢，到达指定温度点的时间越久，试样的高温强度较常温试验结果下降越多。典型试样在 700 的升温曲线如图 5 所示，3 条曲线分别代表上、中、下三段的升温路径，且十分接近，表明试样的表面温度分布非常均匀。对于同一温度点的三个试样，平均升温曲线亦非常接近，如图 6 所示，表明在给定升温功率下，高温炉具有稳定的升温速率。每组试样的平均升温曲线如图 7 所示。其中100300 的升温功率相同，均为上段 20/中段 20/下段 60(kW，下同)；400 和 500 的升温功率相同，均为上段 55/中段 50/下段 60；600及以上的升温功率相同，均为上段 70/中段 65/下段 75(高温炉最大升温功率)。由图 5图 7 可知，对于升温功率相同的试样，在升温至指定温度前的升温路径也非常接近，即升温速率基本一致。对于 600 以下的温度点，采用比 600 以上温度点更低的升温功率的原因是：过大的升温功率用于较低的指定温度时，会导致试样三段的温升偏差较大，且难以在指定温度处维持恒温(出现“冲温”现象)，不利于试样的均匀受热和膨胀变形。01002003004005006007008000102030405060受火时长/min温度/()上段中段下段图5典型拉伸试样的升温曲线(SGJ-700_2)Fig.5Typicalheatingcurveforstandardtensilespecimen(SGJ-700_2)01002003004005006007008000102030405060700 _1700 _2700 _3受火时长/min平均温度/()图6典型拉伸试样的平均升温曲线(SGJ-700_1/2/3)Fig.6Typicalaverageheatingcurveforstandardtensilespeciemen(SGJ-700_1/2/3)0200400600800100012000102030401000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 506070受火时长/min平均温度/()图7所有拉伸试样的平均升温曲线对比Fig.7Comparisonofaverageheatingcurvesforalltensilespecimens2.3应力-应变曲线耐火耐候钢试样的实测常温和高温应力-应变曲线如图 8 所示。由图 8(a)和图 8(b)可知，常温工程力学205和 100 拉伸试样从加载初期直至被拉断的整个过程中，变形均很小，极限拉应变均在 1.5%以内。加载初期的应力和应变呈高度线性关系(即弹性阶段)，到达峰值应力后，荷载略有降低，随后出现明显的水平段。试样被拉断时，伴随着清脆响亮的断裂声，表明其发生了脆性断裂。虽然常温下耐火耐候钢的延性较差，但将其辊制成各种截面形状的压型钢板具有强度高、易于成型、截面形状稳定、不易回弹、压痕无裂口、表面易形成钝化锈层等优势，故作为楼承板用压型钢板非常理想。0501001502002503003500102030405060SGJ-600 _1SGJ-600 _2SGJ-600 _3应变/(%)(g)应力/MPa(d)02004006008001000024681012SGJ-300 _1SGJ-300 _2SGJ-300 _3应变/(%)应力/MPa(e)01002003004005006007008009000123456789SGJ-400 _1SGJ-400 _2SGJ-400 _3应变/(%)应力/MPa(f)010020030040050060070002468101214应变/(%)应力/MPaSGJ-500_1SGJ-500_2SGJ-500_30200400600800100012000.00.30.60.91.21.5SGJ-20 _1SGJ-20 _2SGJ-20 _3应变/(%)(a)应力/MPa(b)020040060080010000.00.20.40.60.81.01.2SGJ-100 _3SGJ-100 _2SGJ-100 _1应变/(%)应力/MPa020040060080010000123456789SGJ-200 _1SGJ-200 _2SGJ-200 _3应变/(%)(c)应力/MPa206工程力学200600 拉伸试样(见图 8(c)图 8(f)被拉断时的极限拉应变明显大于常温和 100 的情况，且水平段的长度明显增加，但均在 15%以内，表明其变形性能较常温和 100 时得到了明显改善。试样的抗拉强度基本保持在 600MPa 以上。600 拉伸试样的应力-应变曲线(见图 8(g)几乎没有出现水平段，试样达到峰值应力后便缓慢下降，被拉断时的极限拉应变在 50%左右(SGJ-600_2 除外，不到 30%)。试样的抗拉强度不到 350MPa，下降明显。700 及以上温度拉伸试样的应力-应变曲线如图 8(h)图 8(k)所示。由图可知，抗拉强度和名义屈服强度均显著降低，但变形性能明显提高。此外，同一温度点的 3 个试样的应力-应变曲线较为接近，表明试验结果具有较高的稳定性。所有拉伸试样在加载初期均表现出良好的线性关系，进入弹塑性和塑性阶段后，应力-应变曲线均未出现明显屈服平台。拉伸时的温度越高，试样的断后延伸率基本呈增大趋势。2.4典型力学性能指标本文研究的耐火耐候钢材在常温和高温下的典型力学性能指标，包括弹性模量及折减系数、规定塑性延伸强度及折减系数、抗拉强度及折减系数、断后伸长率、断面收缩率、断裂角及断裂位置，通过曲线拟合给出相关折减系数推荐公式。2.4.1弹性模量sT=ET/E0表 4 给出了耐火耐候钢材的常温和高温拉伸试验的弹性模量及折减系数(定义为)。由表 4 可知，耐火耐候钢的弹性模量随温度升高而减小，这与普通结构钢的高温弹性模量衰减机理相同。高温下钢材内部微观结构的变化是导致弹性模量下降的主要因素之一。常温下钢材由连续的铁素体颗粒和岛状珠光体颗粒组成。当温度升高时，铁素体和珠光体颗粒逐步向奥氏体结构发生转化，同时原子动能增加导致原子之间的滑移速率增大，从而降低钢材的高温弹性模量2。当在钢材中添加 Mo、Cr 等微合金元素后，可使耐火耐候钢获得铁素体+珠光体+针状铁素体的混合组织。高温下 Mo 在铁素体中以固溶形式存在，因而扩散速度较慢，且与 C 结合形成 Mo2C，产生钉扎作用，有效降低了原子间的滑移速率，从而抑制弹性模量的衰减幅度。由表 4 可知，当温度低于 300 时，弹性模量较常温值降低很小；当温度不超过 500 时，高温弹性模量折减系数依然维持在 93%以上，衰减较慢；当温度达(h)020406080100010203040506070SGJ-700 _1SGJ-700 _2SGJ-700 _3应变/(%)应力/MPa(i)051015202530350102030405060708090SGJ-800 _1SGJ-800 _2SGJ-800 _3应变/(%)应力/MPa(j)05101520253035020406080100120SGJ-900 _1SGJ-900 _2SGJ-900 _3应变/(%)应力/MPa(k)051015202530350102030405060708090SGJ-1000 _1SGJ-1000 _2SGJ-1000 _3应变/(%)应力/MPa图8标准拉伸试样的实测常温和高温应力-应变曲线Fig.8Measuredstress-straincurveofstandardtensilespecimenatroomandelevatedtemperatures工程力学207到 600 时，高温弹性模量大幅度下降，为常温弹性模量的 73%，与文献 22 中 Q345FR、Q420FR和 Q460FR 耐火钢板的高温弹性模量折减系数十分接近(分别为 74%、75%、74%)，具有典型耐火钢特征；当温度达到 700 时，弹性模量急剧下降，折减系数为 34.1%；当温度在 8001000时，弹性模量折减系数维持在 10%20%左右。本文耐火耐候钢薄板试样的弹性模量在 700800 时，均比文献 22 的试验结果偏低，表明耐火耐候钢薄板的弹性模量比耐火钢厚板降低更快。弹性模量折减系数试验结果、拟合曲线及国标(GB512492017)规范曲线的对比如图 9 所示。由图可知，拟合曲线高于规范中普通结构钢的折减系数；当温度在 600 以下和 900 以上时，拟合曲线基本高于国标耐火钢规范曲线，只有在600900 时，拟合曲线较耐火钢规范曲线偏低，表明此温度段内的弹性模量衰减更快。弹性模量折减系数拟合曲线可用式(1)中的推荐公式来表达，且拟合优度高达 98.63%。sT=ETE0=1.0,20Ts 3005(Ts741)4(Ts851),300Ts 700Ts+139558(Ts593),700Ts1000(拟合优度R2=99.56%)(1)2.4.2规定塑性延伸强度sT=Rp,T/Rp,0由 2.3 节可知，耐火耐候钢在各个温度点的应力-应变曲线均无明显屈服平台，本文采用逐步逼近法21求得耐火耐候钢材的规定塑性延伸强度(即名义屈服强度)及其折减系数(定义为)。因不同国家对高温下的名义应变尚无统一标准，故表 5 给出了 5 种常用的名义屈服强度(即 Rp0.2,T、Rp0.5,T、Rp1.0,T、Rp1.5,T和 Rp2.0,T)及相应折减系数。由表可知，当温度在 100 时，因名义应变较小，故只给出 0.2%和 0.5%名义应变对应的屈服强度；当温度不超过 500 时，名义屈服强度均高于 550MPa，大于标准屈服强度(410MPa)；当温度达到 600 时，高温名义屈服强度下降较快，只有 500 时的 50%左右，但折减系数为67.5%，大于2/3，与文献22 中Q345FR、Q420FR和 Q460FR 耐火钢厚板的试验结果较为接近(分别为 64%、65%、68%)，满足耐火钢对屈服强度折减系数的要求；当温度达到 700 时，名义屈服强度急剧下降(均小于 70MPa)，且不到标准屈服强度的 20%；当温度在 8001000 时，名义屈服强度在 20MPa30MPa，折减系数在 5%7%。本文耐火耐候钢薄板试样在 700800 时的名义屈服强度 Rp0.2,T均比文献 22 的试验结果偏低，表明耐火耐候钢薄板的名义屈服强度比耐火钢厚板下降更快。屈服强度折减系数试验值、拟合曲线及国标(GB512492017)规范曲线的对比如图 10 所示。由图可知，基于试验结果的拟合曲线除在 700和 800 的值以外，其他温度点的值均高于或接近国标非耐火结构钢和耐火钢的规范曲线，表明耐火耐候钢在 700 和 800 时的名义屈服强度衰减过快，超过规范限值。屈服强度折减系数可用表 6 中的三段式来表达，且拟合优度均在 99%以上。由表中推荐公式可知，当温度在 500 及以下时，屈服强度折减系数可偏于保守地取 1.0，当温度在 600 及以上时，可采用曲线表达形式，当温度在 500600 时，可通过线性插值得出。2.4.3抗拉强度一般情况下，钢结构设计规范认为钢材达到屈服强度时即为最大应力，故规范未给出高温下表4标准拉伸试样的弹性模量及折减系数Table4Modulusofelasticityandreductionfactorofstandardtensilespecimen温度/()ET弹性模量/MPasT折减系数温度/()ET弹性模量/MPasT折减系数202264301.0996001503270.7301002216441.076700702830.3412002188911.063800375260.1823002035130.988900278250.1354001959660.9511000204650.0995001930100.9370.00.20.40.60.81.01.202004006008001000试验值拟合曲线GB 结构钢GB 耐火钢温度/()弹性模量折减系数 sT图9弹性模量折减系数试验值、拟合曲线及规范曲线Fig.9Testresult,fittingcurveandcodecurveofreductionfactorofmodulusofelasticity208工程力学sT=Rm,T/Rm,0抗拉强度折减系数(定义为)的相关取值。本文基于试验结果得出耐火耐候钢在各个温度点下的抗拉强度及折减系数，如表 7 所示。抗拉强度折减系数的试验结果和拟合曲线如图 11 所示。由图可知，当温度不高于 500 时，抗拉强度折减系数可偏于保守地取 1.0；当温度达到 600 时，抗拉强度折减系数为 0.624，略低于 2/3，但高于文献 22 中三种耐火钢厚板的折减系数；当温度在 700 及以上时，抗拉强度急剧下降，均不到标准抗拉强度 510MPa 的 15%，且低于文献 22 的试验结果。抗拉强度折减系数拟合曲线可用式(2)中的三段式推荐公式来表示，且拟合优度高达 99.56%。sT=1,20Ts500线性插值,500 Ts 600Ts42.98Ts2.4831049.415106Ts,600Ts1000(拟合优度R2=99.56%)(2)2.4.4断后伸长率与断面收缩率表 8 给出了耐火耐候钢在常温和高温下材性试验结果的断后性能指标，包括断后伸长率、断面收缩率、断裂倾角及断裂位置。由表可知，断后伸长率随温度升高基本呈增大趋势，表明其变表5标准拉伸试样的规定塑性延伸强度及折减系数Table5Proofstrengthandreductionfactorofstandardtensilespecimen温度/()名义屈服强度Rp0.2,T/MPa折减系数0.2,sT名义屈服强度Rp0.5,T/MPa折减系数0.5,sT名义屈服强度Rp1.0,T/MPa折减系数1.0,sT名义屈服强度Rp1.5,T/MPa折减系数1.5,sT名义屈服强度Rp2.0,T/MPa折减系数2.0,sT20954.82.329100887.92.166847.52.067200849.52.072858.12.093863.22.105868.02.117873.22.130300769.21.876807.51.970827.72.019840.02.049846.92.066400698.01.702738.61.802758.31.850766.11.869770.81.880500555.31.3