Page 18 - 电力与能源2022年第三期

2 0 8 汪 洋, 等: 变电站钢结构常规抗火方法及新型抗火方法探讨

( 3 ) 比热 容。研究表明, 在温度低 于 750 ℃ 系, 见表 1 。
时, 钢材比热容随温度的升高而增大, 但是当温度 表 1 高温下钢材的物理和力学参数
到达 750 ℃ 左右之后, 钢材比热容达到极值点后 物理和力学参数 规范规定 备注
-1 常数值 -5
热膨胀系数 / K 一般值 1.4×10
急剧变小, 最终趋于稳定。
导热系数 /[ W ·( m · K ) -1 ] 常数值 一般值 45.0
( 4 ) 密度。钢材密度受温度的影响较小, 可以
比热容 /[ J ·( k g · K ) -1 ] 常数值 一般值 600
忽略其在高温下的变化。 密度 /( k g · m -3 ) 常数值 一般值 7850
( 5 ) 弹性模量。弹性模量反映了材料发生单 泊松比 常数值 一般值 0.3
随温度的升高而逐渐变小, 同温度
位变形时, 外界所施加力的大小。根据现有抗火 弹性模量 区间按照公式计算
研究, 钢材弹性模量随温度的变化比较大, 在 20 随温度的升高而逐渐减小, 但不会
等效屈服强度
~600 ℃ 和 600~1000 ℃ 两段温度范围内变化 表现出一个极限屈服平台
随 温 度 的 升 高, 分 为 比 例 极 限 阶
趋势不同。总体来说钢材弹性模量随温度的升高
应力 - 应变关系 段、 弹 塑 性 阶 段 以 及 坍 缩 破 坏
逐渐降低。 阶段。
( 6 ) 等效屈服强度。在高温下, 钢材屈服强度 1.2 火灾钢结构的破坏原因和形式
会因为温度的升高而逐渐减小。发生变形破坏时 在高温作用下, 钢材物理性能和力学性能, 除
并不会表现出一个极限屈服平台。判定高温下结 了密度、 热膨胀系数、 导热系数、 比热容等总体上
构钢是否达到了屈服的标准, 往往根据相应温度 都随着温度的升高而变大。而钢材的弹性模量、
下钢材应变的大小来判定。各国根据自己的研究 屈服强度、 抗拉强度等随着温度的升高而下降, 塑
成果, 制定了适合本国国情的判断标准, 基本是按 性和蠕变性能随温度的升高而增加 [ 6 ] 。
照应变的 0.2% 、 0.5% 、 1.5% 或者 2.0% 所对应 在火灾高温作用下, 钢材有两种响应: 一是高
的 应 力 大 小 作 为 结 构 失 稳 的 影 响 破 坏 的 判 定 温下钢材料膨胀; 二是高温下钢材的软化。以下
标准。 分析火灾高温作 用下钢框架结构的两种破坏形
( 7 ) 应力 - 应变关系。高温下钢材料的应力 - 式。高温下钢结构的热膨胀变形如图 1 所示。由
应变关系比 较 复 杂, 国 际 上 对 应 力 - 应 变 关 系 的 于钢材在火灾高温持续作用下产生热膨胀效应,
研究也有 很 多, 根 据 高 温 下 结 构 钢 的 变 形 破 坏 随温度升高钢结构体积持续增大。受热钢结构对
特点, 总体上 可 把 钢 材 应 力 - 应 变 状 态 分 为 3 个 相连钢结构产生推力, 并使其发生位移偏离。高
阶段: 比例极限阶段, 弹塑性 阶段以及坍缩破坏 温下钢结构热软化变形如图 2 所示。当火灾温度
阶段。在第一阶段, 钢材随 温度的变化不大, 随 达到钢材的软化温度时, 受热钢结构失去全部或
着温度的升高, 应力 - 应变曲线尚为线性关系; 当 部分承载能力, 相连钢结构再一次产生位移偏离。
到了弹塑性阶段, 随着金属 晶体结构发生变化, 火灾高温作用下钢结构的每一次位移偏离, 都可
构件发生 塑 性 流 动, 结 构 钢 的 弹 性 模 量 也 随 着 能引起超静定框架体系的不稳定性, 引发连续性
温度的升高 而 减 小, 钢 材 的 应 力 - 应 变 呈 现 一 种 垮塌。
比较复杂 的 非 线 性 关 系; 最 后 在 温 度 持 续 升 高
的情况下, 应力不变, 应变 激增, 结构彻底失稳,
发生坍缩破坏。
( 8 ) 泊松比。随着温度的变化, 钢材的泊松比
会有所波动, 但是波动范围较小。
由以上分析可以得知, 高温对钢材各个物理
和力学参数的影响不同, 各个国家对于钢材的热
膨胀系数均在规范中给出了不同的计算方法 [ 4-5 ] 。
为了计算方便, 我国在进行钢结构防火设计

时, 通常把热膨胀系数、 导热系数、 比热容、 密度、 图 1 高温下钢结构的热膨胀变形
1.3 关键科学问题
泊松比等作为常数量, 而把弹性模量、 屈服强度、
应力 - 应变关系等分别表示为温度变量的函数关 通过分析可以看出, 火灾下钢结构破坏的原