不锈钢结构抗火性能研究综述

摘要：火灾高温对建筑结构有显著影响，极易引起建筑物倒塌。不锈钢具有耐腐蚀性和造型美观等优点在结构中得到越来越广泛的应用，不锈钢结构和普通钢结构类似，在火灾高温下容易破坏。介绍了目前国内外关于不锈钢高温下的材性试验研究和应力应变关系，的试验和理论研究；指出了目前研究中存在的问题并对未来的研究趋势进行了展望。

关键词：不锈钢；抗火；研究现状

Abstract: High temperature of fire has significant influence on the building structures and extremely easily causes collapse of buildings. Stainless steel has good corrosion-resistant and beautiful shape and hence it is more and more widely used in structures. Stainless steel are similar with normal steel, the structures are sensitive to damage in fire. The current research statuses on material properties and strain-stress relationship of stainless steel at elevated temperature were summarized. The problems in current research were pointed out and the research trend was prospected.

Keywords: Stainless steel; fire resistance; research status

0. 引言

不锈钢在冶炼过程中大量添加了Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素，这些元素的加入使得不锈钢的物理力学性能明显区别于碳素钢[1]。力学性能方面：首先，不锈钢在较低的应力应变下就表现出非线性性能，其应力应变关系通常用Ramberg-Osgood模型描述[2]，随后的试验发现，在应力和应变较小时，该模型能够比较准确的描述不锈钢的应力应变曲线，在应力应变均较大时，该模型描述的应力会明显大于试验结果，之后提出的修正Ramberg-Osgood[3]模型分两段描述不锈钢的应力应变关系，成功解决了这一难题；其次，不锈钢的应力应变曲线没有明显的屈服点和屈服平台，通常取0.2%的塑性应变对应的应力为名义屈服应力，因此，不锈钢具有更好的冷加工强化性能，常温下，不锈钢与碳素钢的应力应变关系比较如图1所示；再次，不锈钢还表现出一定的各向异性和拉压不对称性。物理性能方面：在不锈钢中的Cr元素含量在12%~18%之间时，表现出良好的耐腐蚀性能。不锈钢的比热容与碳素钢比热容类似，不同的是碳素钢在大约723℃的时候材料发生转化，需要大量吸热，而不锈钢无此现象。不锈钢导热率随温度的升高而增大，与普通碳素钢相反，在1000℃以下时，其导热率均小于普通碳素钢。不锈钢的热膨胀系数比普通碳素钢高约50%，因此在高温条件下，不锈钢会产生更大的热膨胀变形，在约束构件中会产生更大的温度内力[4]。

图1 不锈钢与碳素钢的应力应变关系

早在上世纪20年代，不锈钢就开始作为屋面材料和室内装饰面材料应用到建筑结构中。1925年，在伦敦的圣保罗大教堂的加固工程当中采用了不锈钢拉索，这是不锈钢第一次作为结构承重材料应用到土木工程结构中[5]。然而由于其冶炼需要大量添加Cr、Ni、Mn、Mo等合金元素，使得不锈钢的生产成本长期居高不下，这也大大限制了它在土木工程结构中的应用[5]。直到1968年在美国的圣路易斯大桥拱门中才又一次将不锈钢作为结构材料应用到土木工程结构中。近三十年来，美国、欧盟[6]、日本[7]等一系列发达国家相继出台了不锈钢的设计规范，这才使得不锈钢在土木工程结构中的应用有了较大发展。国内关于不锈钢的研究起步较晚，相关的设计规程还在制定中，不锈钢的应用还主要于用于装饰和网架等次要结构中。

相对于不锈钢在常温下的受力性能和设计方法等方面的进展，不锈钢在高温下的受力性能在近几年才逐渐引起国内外研究人员的重视。本文将对不锈钢的在高温下的受力性能进行总结回顾，包括温度对不锈钢的物理力学性能影响以及高温下的应力应变关系曲线，指出了目前研究中存在的一些问题，展望了未来的研究方向。

1. 高温下的力学性能

1.1 试验研究

为了研究合金元素的加入对不锈钢高温性能的影响，美国在上世纪六七十年代最早进行了不锈钢在高温下的材性试验，试验获得了不同牌号的铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢在高温下的强度折减系数和弹性模量折减系数[8]。随后的二三十年里，关于不锈钢的高温材性试验没有任何进展。直到1996年以后，不锈钢在高温下的性能才重新引起科研人员的重视。Ala-Outinen[9]针对普通不锈钢试件（牌号1.4301）和冷加工不锈钢试件（牌号1.4571）进行了恒温加载试验，随后，Ala-Outinen和Oksanen[10]对同样的试件又补充做了恒载升温试验。1997年Sakumoto等[11]在美国ASCE杂志上发表了他们为编制日本第一版不锈钢设计规范所做的一批高温材性试验的试验结果，除了不锈钢在高温下的刚度和强度折减系数之外，他们还测得了不锈钢在高温下的徐变－时间曲线，同时证明了Mo元素含量的增加有助于提高抗火性能。Chen和Young[12]通过试验研究了经过一定程度的冷加工的试件的性能。Zhao[13]对1.4301、1.4401、1.4571、1.4462、1.4003等五个牌号的不锈钢做了高温材性试验，得到了和上面类似的试验结果。Montanari和Zilli[14]分别对1.4541不锈钢横向试件和纵向试件进行了恒载升温试验，以研究不锈钢的在高温下的各向异性。

1.2 屈服强度和弹性模量

不锈钢在常温和高温下均表现出比较明显的非线性性能，通常定义0.2%塑性应变对应的应力为名义屈服应力。与正常使用极限状态相区别的是，火灾条

件下，结构构件允许一定程度的大变形，因此根据需要定义不同变形状态对应的名义屈服强度及相应的强度折减系数：－温度为时，应变为y对应的屈服强度，，y可取2%的塑性应变，0.5%的总应变，1%的总应变，2%的总应变。图2给出了奥氏体不锈钢1.4301、双相不锈钢1.4462、和铁素体不锈钢1.4003的强度折减系数－温度的试验结果[1]。试验证明，不同牌号的钢材，其强度折减系数离散性较大，因此，对于不同牌号的钢材，采用不同的强度折减系数，为了考虑设计的方便，L.Garnder、A.Insausti等[1]建议将强度折减系数进行分组。

图2 屈服强度折减系数图3 刚度折减系数

EN1993-1-2(2005)[4]和最新出版的Design manual for structure stainless steel[14]都给出的是适用于各种牌号的不锈钢初始弹性模量折减系数，Ala-Outinen 和Oksanen[10]给出了连续的弹性模量折减系数，而Chen和young[12]则给出了偏于保守的弹性模量折减系数模型，此模型虽然能够保证安全，且简单便于应用，然而该模型过低估计了不锈钢在高温下的刚度，不利于充分利用不锈钢良好的抗火性能。图3给出了试验结果和以上研究成果的对比[1]。

1.3 应力应变关系

影响不锈钢构件高温性能的因素除了高温强度和高温弹性模量之外，应力应变关系对不锈钢高温性能的影响同样重要。EN1993-1-2（2005）[6]的附录C给出了不锈钢在高温下应力应变关系方程，该方程包含五个没有任何物理意义且相互之间不独立的参数，使用起来非常不方便。针对上述规范给出的应力应变关系曲线的缺点，L.Gardner等[1]、Ju Chen和Ben Young[[12]、K.Abdella[15]都提出了不锈钢在高温下的应力应变关系曲线。

2. 目前研究中存在的问题

在目前的不锈钢抗火性能研究中，不锈钢的高温材性已积累了大量数据。相比而言，不锈钢梁、不锈钢柱的升温特性和抗火性能研究则相对较少，而且大都集中于单个构件的抗火性能研究，没有考虑到火灾下构件与结构整体的相互作用和构件与周围构件的相互约束，其研究方法也是在原有的关于碳素钢抗火性能的基础上稍作修正，关于不锈钢节点的抗火性能的研究，更是微乎其微。

3. 未来的研究趋势

除了良好的耐腐蚀性能、建筑美学特性、较低的养护成本、良好耐疲劳性能，不锈钢还有其它许多方面的优良性能，抗火性能好就是一个方面。充分认识不锈钢在这些方面的性能，有利于不锈钢在土木工程结构中的进一步推广应用。第一，为了充分利用不锈钢良好的耐腐蚀特性和建筑美学特性，不锈钢构件通常不做任何防火或者防腐保护而裸露在空气中，加上不锈钢比热和热传导系数与碳素钢的差别，其火灾下的升温特性必然有别于碳素钢构件，在今后的研究工作中需要进

一步加强这方面的研究。第二，由于不锈钢的热膨胀系数大于碳素结构钢，火灾下的不锈钢结构的整体效应以及不锈钢构件之间的约束作用与碳素钢结构有所不同，因此，需要在约束不锈钢构件的抗火性能研究方面加大投入，以了解不锈钢在火灾下的整体效应和构件之间的相互作用。第三，关于不锈钢节点抗火性能的研究几乎是一片空白，不锈钢节点在火灾下的承载力、刚度都还有待我们去研究了解。

4. 结语

对不锈钢结构的材料力学性能研究现状进行了文献综述，由于不锈钢物理力学性能特别是在高温下的力学性不同于碳素结构钢，这导致了不锈钢的抗火性能与碳素钢结构的抗火性能有所不同，主要包括以下两个方面：

升温特性，不锈钢的比热、热传导系数、热辐射系数均不同于碳素钢，综合来看，标准火灾下，不锈钢的温度上升速率略低于碳素结构钢；

强度和刚度特性：不锈钢在高温下的强度和刚度折减系数不同于碳素结构钢，温度大于600℃时，不锈钢仍然能够保持较高的强度和弹性模量，因此这使得不锈钢结构的抗火性能优于碳素结构钢。

文章最后还指出了不锈钢抗火性能研究中存在的一些问题，探讨了不锈钢结构抗火性能的研究方向。

参考文献

[1]. Gardner L, Insausti A, Ng KT. Elevated temperature material properties of stainless steel alloys[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2010,66(5): 634-647

[2]. Ramberg W, Osgood WR, NACA. Description of stress-strain curves by three parameters[M]: National Advisory Committee for Aeronautics Washington, DC, 1943.

[3]. Rasmussen KJR. Full-range stress-strain curves for stainless steel alloys[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2003,59(1): 47-61