《建筑高强结构钢高温力学性能》论述作者的课题组在建筑高强结构钢材料力学性能方面进行的研究工作和取得的科研成果，研究的钢材类型包含建筑高强结构钢系列产品中相对低强度的Q460结构钢、中等强度的Q690结构钢和较高强度的Q960结构钢。《建筑高强结构钢高温力学性能》具体内容包括：高强结构钢高温下力学性能，高强结构钢高温后力学性能，考虑拉伸速率影响的高强结构钢高温下力学性能，考虑应力水平影响的高强结构钢高温后力学性能，高强结构钢高温下蠕变性能，高强结构钢高温下和高温后力学性能指标计算，高强结构钢高温下应力?鄄应变关系及蠕变模型。《建筑高强结构钢高温力学性能》内容新颖，系统实用，语言规范简练，是目前国内少有的一部涉及高强结构钢高温力学性能指标计算和设计的学术著作。

第1章 绪论
　　1.1 高强结构钢的应用
　　2022年6月30日，住房和城乡建设部、国家发展改革委印发《城乡建设领域碳达峰实施方案》，明确提出大力发展装配式建筑，推广钢结构住宅。钢结构具有天然优势，在建造阶段，钢构件质量远轻于钢筋混凝土构件，其运输碳排放量比钢筋混凝土构件更小，同时在拆除阶段，钢构件可以回收利用，也为减少二氧化碳排放做出贡献，所以推动实行钢结构装配式绿色建筑，对减少我国建筑业碳排放有着重要意义。但钢构件在工程应用中存在诸多亟待解决的问题，如目前工程中采用的主流钢材强度偏低，普通钢结构方案存在钢材用量大、结构厚重，进而带来吨钢碳排放量高、焊接技术和质量控制难等问题。
　　随着加工、生产和制造技术的不断发展与进步，钢材的强度上限不断提高。国际上一般把屈服强度高于460MPa的钢材划分为高强钢。目前国内外已经研制出多种强度的高强钢，如澳大利亚的BISPLATE80钢，欧洲牌号为S460、S690和S960的高强钢，以及我国牌号为Q460、Q690和Q960等系列的高强钢[1]。高强钢结构具有高承载性能和轻量化设计的优点，可以实现高效使用、可靠设计和绿色低碳的目标，并在运输和安装、材料成本、连接方式和涂层消耗等方面具有相对显著的经济效益。高强钢*早在国外的建筑结构中得到应用，如图1-1所示，日本的横滨陆标大厦(Landmark Tower)采用了600MPa级的高强钢，德国的索尼中心大楼(Sony Center)和澳大利亚的星港城(Star City)均采用了S690级的高强钢，法国的米约(Millau)高架桥采用了高强S460钢材，它们都取得了良好的经济和社会效益。近年来，高强钢在我国建筑结构中也逐步得到了应用，如图1-2所示，其*早应用于桥梁工程中。坐落于上海的南浦大桥采用了标准屈服强度为460MPa的高强度钢材(StE460)，2008年北京奥运会主体育馆“鸟巢”局部受力大的部位中用了400余吨高强Q460钢，2012年竣工的中央电视台总部大楼的主楼结构中用了2600吨高强Q460钢，凤凰国际传媒中心中使用了高强Q460钢，深圳国际会展中心在屋面桁架中使用了高强Q550钢和Q460钢，2020年7月通车的沪苏通长江公铁大桥采用了500MPa级的高强钢[2-7]。
　　我国对于高强钢结构的设计标准也在进一步完善。2017年发布的《钢结构设计标准》GB50017—2017[8]**的钢材牌号增加了Q460钢，2019年由同济大学等单位编制的协会标准《高性能建筑钢结构应用技术规程》T/CECS599—2019[9]和2020年由清华大学等单位编制的行业标准《高强钢结构设计标准》JGJ/T483—2020[10]相继开始实施，这意味着未来高强钢在我国建筑结构中的应用必然会越来越多。
　　1.2 建筑火灾及危害
　　火灾对建筑结构来说是可能面临的*为严重的灾害之一。我国2014～2023年火灾发生次数及火灾直接财产损失统计数据如图1-3所示。在2020年之前，我国的火灾情况总体上呈现出相对稳定的趋势。然而，近年来，我国火灾的发生次数及直接财产损失都呈现出显著增长的趋势。与此同时，随着新能源汽车的推广，储能电站、光伏、氢能等新能源产业的快速发展，相关领域积累的火灾安全风险也变得越发显著。尤其值得关注的是，居民住宅火灾和高层建筑火灾发生的次数和比例明显上升，且人员密集场所的人员伤亡概率相对较高[11，12]。
　　钢结构耐热但不耐火的特性是制约其在工程领域发展的一个重要因素。《建筑钢结构防火技术规范》GB51249—2017[13]中给出了材料特性参数，20℃时钢材的比热容为600J/(kg℃)，热传导系数为45W/(m℃)，而普通混凝土的比热容为901.1J/(kg℃)，热传导系数为1.64W/(m℃)。与混凝土相比，钢材的比热容较小、热传导系数较大，因而表现出吸热差和导热快的特点。在火灾中，钢材的温度会迅速升高，钢材的内部微观结构在温度变化下会发生相应变化，因此火灾对钢材的力学性能造成显著的影响。一旦温度超过600℃，钢材的强度和刚度将急剧降低，甚至降至常温时的一半以下[14]，使得结构更容易发生变形和破坏。因此，一旦钢结构建筑发生火灾，可能引发结构局部破坏甚至整体倒塌[15]，严重威胁人们的生命和财产安全。近年来，国内外已有多起由火灾导致的钢结构建筑破坏或倒塌事故。国外方面，2001年美国“911”事件中，美国纽约的世贸中心大楼[图1-4(a)]因恐怖袭击燃起大火，导致结构整体倒塌，造成大量人员伤亡和巨额经济损失；2005年，西班牙马德里温莎大厦[图1-4(b)]发生严重火灾，导致结构部分倒塌；2006年，比利时布鲁塞尔国际机场飞机维修库[图1-4(c)]发生火灾，钢结构屋顶坍塌，造成多名人员受伤和严重经济损失。而在国内，同样难以幸免。2008年，济南奥体中心[图1-4(d)]在建球类场馆发生火灾，钢结构屋盖受火时间超过4小时；2013年，温州某海绵厂[图1-4(e)]在一场火灾中发生倒塌，导致5人遇难；2013年，杭州某公司厂房[图1-4(f)]发生火灾，导致钢结构整体倒塌，3名消防救援人员遇难；2023年，盘锦某公司发生爆炸着火事故，造成13人死亡，35人受伤。
　　1.3 建筑结构钢高温力学性能研究现状
　　1.3.1 高温下力学性能
　　钢结构在火灾条件下的反应受到钢材的物理性能、力学性能和变形性能的限制。物理性能涵盖了热传导系数、比热容和密度等，这些因素决定了钢构件在火灾中的温度变化*线；力学性能包括弹性模量、屈服强度和应力-应变关系等，影响着钢构件在火灾中的强度和刚度损失程度；变形性能涉及热膨胀和高温蠕变等因素，决定了钢构件的变形程度。这些特性随着温度的升高而发生变化，并且受到钢材成分和加工工艺的影响。为了评估钢结构的抗火性能，国内外许多学者已经对高强结构钢的高温下力学性能进行了深入研究。
　　钢材的高温下力学性能试验方法主要有两种：稳态试验和瞬态试验。稳态试验是指先将试件加热到指定温度，待温度稳定后进行拉伸试验，直至试件破坏。瞬态试验则是先对试件施加一个恒定的应力水平，随后在这个恒定的应力水平下对试件进行加热，直至试件破坏。瞬态试验更贴近实际情况，而稳态试验的优点在于操作简单，且通过高温下拉伸试验可以获得应力-应变关系及力学性能参数，如弹性模量、屈服强度和抗拉强度等。
　　Lange和Wohlfeil[16]采用瞬态试验方法测量了热机械轧制高强S460M钢和正火轧制高强S460N钢的高温下力学性能，发现S460M钢的高温力学性能优于S460N钢。
　　Qiang等[17-20]选择高强S460N钢和S690钢为研究对象，通过稳态和瞬态拉伸试验测得其高温下力学性能，经比较后发现现行规范对这两种高强钢而言并不适用。
　　王卫永等[21]采用稳态试验方法和振动法测量得到高强Q460钢高温下的材料强度和弹性模量，并将其与普通钢进行了对比。结果表明，Q460钢的强度和刚度会随着温度的升高不断降低，但当温度处于200～450℃时，Q460钢的屈服强度有明显提高，试件表面呈浅蓝色。与普通钢相比，高强Q460钢具有更好的抗火性能[22]。
　　Wang等[23]采用三种拉伸应变速率对高强Q460钢进行了高温下稳态拉伸试验，发现Q460钢的强度和弹性模量在温度低于500℃时能够保持80%，拉伸应变速率越高，钢材的强度和弹性模量越低；钢材的强度和弹性模量在温度超过500℃时迅速下降，拉伸应变速率越高，钢材的强度和弹性模量越高。
　　范圣刚等[24]和李国强等[25]对高强Q550钢进行了高温下稳态拉伸试验。结果表明，不同温度下试件破坏时表面及断口形貌区别明显，与规范的**取值相比，Q550钢高温下的力学性能折减系数较低，现行规范和现有钢材高温下力学性能参数模型并不适用于Q550钢。李国强等[25]基于试验数据，拟合得到了高强Q550钢高温下力学性能参数的数学模型。
　　李国强等[26]对国产高强Q690钢开展了稳态试验研究，得到了Q690钢高温下的应力-应变关系和力学性能参数。结果表明，在不同高温条件下破坏后的Q690钢表面和断口形貌有明显的差异，应力-应变关系*线的初始线弹性段缩短、极限应力对应应变减小、下降段趋于平缓。已有钢材高温下力学性能模型并不适用于Q690钢，通过试验结果拟合得到了高温下Q690钢力学性能模型。
　　Chen等[27]对高强BISPLATE80钢进行了高温下拉伸试验，分别通过稳态和瞬态拉伸试验测得高强BISPLATE80钢高温下力学性能，并提出适用于高温下高强BISPLATE80钢的强度和弹性模量计算公式。
　　Chiew等[28]采用稳态方法测得了高强RQT-S690钢高温下力学性能，发现经淬火、回火和加热的钢材具有良好的耐火性能。当温度在400℃以下时，钢材力学性能折减不大；当温度在400℃以上时，钢材强度会随着温度的升高不断降低。
　　Wang等[29]采用高温拉伸试验方法测得了高强Q690钢高温下力学性能，并将其与现行规范进行对比，根据试验结果拟合得到高温下Q690钢力学性能的计算公式。

目录
第1章 绪论 1
1.1 高强结构钢的应用 1
1.2 建筑火灾及危害 3
1.3 建筑结构钢高温力学性能研究现状 5
1.3.1 高温下力学性能 5
1.3.2 高温下应力-应变关系 10
1.3.3 高温后力学性能 12
1.3.4 高温下蠕变性能 13
1.4 本书的研究意义、研究内容和目的 16
1.4.1 研究意义 16
1.4.2 研究内容和目的 16
第2章 高强结构钢高温下力学性能 18
2.1 引言 18
2.2 高强Q460钢高温下拉伸试验 18
2.2.1 试件设计 18
2.2.2 试验装置及程序 19
2.2.3 试验结果及分析 23
2.3 高强Q690钢高温下拉伸试验 26
2.3.1 试件设计 26
2.3.2 试验装置及程序 27
2.3.3 试验结果及分析 28
2.4 高强Q960钢高温下拉伸试验 32
2.4.1 试件设计 32
2.4.2 试验装置及程序 33
2.4.3 试验结果及分析 34
2.5 小结 37
第3章 高强结构钢高温后力学性能 39
3.1 引言 39
3.2 高强Q460钢高温后拉伸试验 39
3.2.1 试件设计 39
3.2.2 试验装置及程序 40
3.2.3 试验结果及分析 43
3.3 高强Q690钢高温后拉伸试验 52
3.3.1 试件设计 52
3.3.2 试验装置及程序 53
3.3.3 试验结果及分析 54
3.4 高强Q960钢高温后拉伸试验 60
3.4.1 试件设计 60
3.4.2 试验装置及程序 61
3.4.3 试验结果及分析 62
3.5 小结 67
第4章 拉伸速率对高强结构钢高温下力学性能的影响 68
4.1 引言 68
4.2 不同拉伸速率的Q460钢高温下拉伸试验 68
4.2.1 试件设计 68
4.2.2 试验装置及程序 69
4.2.3 试验结果及分析 70
4.3 不同拉伸速率的Q690钢高温下拉伸试验 76
4.3.1 试件设计 76
4.3.2 试验装置及程序 77
4.3.3 试验结果及分析 78
4.4 不同拉伸速率的Q960钢高温下拉伸试验 84
4.4.1 试件设计 84
4.4.2 试验装置及程序 84
4.4.3 试验结果及分析 85
4.4.4 高强钢不同拉伸速率下高温力学性能对比 91
4.5 小结 93
第5章 应力水平对高强结构钢高温后力学性能的影响 94
5.1 引言 94
5.2 不同应力水平下Q460钢高温后拉伸试验 94
5.2.1 试件设计 94
5.2.2 试验装置及程序 95
5.2.3 高温下拉伸试验结果 96
5.2.4 高温后拉伸试验结果 98
5.3 不同应力水平下Q690钢高温后拉伸试验 103
5.3.1 试件设计 103
5.3.2 试验装置及程序 104
5.3.3 高温下拉伸试验结果 104
5.3.4 高温后拉伸试验结果 107
5.4 不同应力水平下Q960钢高温后拉伸试验 111
5.4.1 试件设计 111
5.4.2 试验装置及程序 112
5.4.3 高温下拉伸试验结果 114
5.4.4 高温后拉伸试验结果 116
5.5 小结 120
第6章 高强结构钢高温下蠕变性能 122
6.1 引言 122
6.2 高强Q460钢高温下蠕变试验 122
6.2.1 试件设计 122
6.2.2 试验装置及程序 124
6.2.3 试验结果及分析 125
6.3 高强Q690钢高温下蠕变试验 129
6.3.1 试件设计 129
6.3.2 试验装置及程序 130
6.3.3 试验结果及分析 130
6.4 高强Q960钢高温下蠕变试验 134
6.4.1 试件设计 134
6.4.2 试验装置及程序 136
6.4.3 试验结果及分析 136
6.5 小结 140
第7章 高强结构钢高温下和高温后力学性能指标 141
7.1 引言 141
7.2 高强结构钢高温下力学性能指标 141
7.2.1 Q460钢 141
7.2.2 Q690钢 142
7.2.3 Q960钢 143
7.3 高强结构钢高温后力学性能指标 144
7.3.1 Q460钢 144
7.3.2 Q690钢 145
7.3.3 Q960钢 147
7.4 高强结构钢高温下力学性能指标标准值 149
7.4.1 试验概况 149
7.4.2 屈服强度 150
7.4.3 弹性模量 152
7.4.4 高温下力学性能指标标准值 155
7.5 高强结构钢高温后力学性能指标标准值 159
7.5.1 试验概况 159
7.5.2 屈服强度 160
7.5.3 弹性模量 162
7.5.4 高温后力学性能指标标准值 165
7.6 小结 169
第8章 高强结构钢高温下应力-应变关系及蠕变模型 170
8.1 引言 170
8.2 高强Q460钢高温下应力-应变关系 170
8.3 高强Q690钢高温下应力-应变关系 172
8.4 高强Q960钢高温下应力-应变关系 176
8.5 高强Q460钢高温下蠕变模型 176
8.6 高强Q690钢高温下蠕变模型 181
8.7 高强Q960钢高温下蠕变模型 182
8.8 小结 184
参考文献 185