来源：《建筑钢结构进展》2024 年第 8 期

作者：陈文博，赵晓宇，王浩然

出处：《建筑钢结构进展》2024

摘要

高强度钢材在高层大跨度钢结构中应用日益广泛，火灾高温作用会对钢材力学性能与节点连接性能造成不可逆损伤，灾后结构安全性评估与修复技术是工程领域亟待解决的关键问题。本文针对 Q690 高强钢梁柱焊接节点开展火灾后静力加载试验，研究不同受火温度、冷却方式对节点屈服承载力、转动刚度、延性系数的影响规律，揭示高温后节点焊缝热影响区脆化、母材强度退化的细观机理；对比粘贴钢板、外包角钢两种加固方案对火灾后节点的性能恢复效果，建立高强钢节点火灾后残余承载力简化计算方法。研究表明：受火温度超过 600℃后节点承载力下降幅度显著增大，水冷方式对节点延性损伤更严重；外包角钢加固可使火灾后节点承载力恢复至常温水平的 90% 以上。研究成果可为高强钢结构灾后评估与修复工程提供理论依据。

Abstract

High-strength steel is increasingly used in high-rise and long-span steel structures. High temperature from fire can cause irreversible damage to steel mechanical properties and joint connection performance. Post-disaster structural safety assessment and repair technology are key issues to be solved in engineering. Static loading tests after fire were carried out on Q690 high-strength steel beam-column welded joints. The influences of different fire temperatures and cooling methods on yield bearing capacity, rotational stiffness and ductility coefficient were studied. The meso-mechanism of heat-affected zone embrittlement and base metal strength degradation after high temperature was revealed. The performance recovery effects of bonded steel plate and angle steel jacketing on post-fire joints were compared, and a simplified calculation method for residual bearing capacity of high-strength steel joints after fire was established. The results show that the bearing capacity decreases significantly when the fire temperature exceeds 600℃, and water cooling causes more serious ductility damage. Angle steel jacketing can restore the bearing capacity of post-fire joints to more than 90% of the normal temperature level. The research provides theoretical basis for post-disaster assessment and repair of high-strength steel structures.

一、研究背景

1. 高强钢结构应用与火灾风险

随着钢结构向高层、大跨方向发展，Q550、Q690 等高强度钢材凭借高强轻质优势应用占比持续提升。但钢材导热系数大，火灾场景下温度上升迅速，高温会导致钢材屈服强度、弹性模量大幅衰减，节点区域应力集中显著，成为结构抗火薄弱环节。

2. 灾后性能评估的工程需求

现有钢结构抗火研究多聚焦火灾中的力学响应，针对火灾冷却后节点残余性能的系统研究相对不足。实际工程中，建筑火灾后往往无需整体拆除，准确评估节点残余力学性能、制定经济高效的修复方案，具备显著的工程价值与经济效益。

3. 高强钢灾后修复技术短板

普通低碳钢火灾后修复技术已相对成熟，但高强钢焊接节点热影响区组织复杂，高温冷却后脆化倾向更明显，常规加固方法的适配性缺乏试验验证，亟需针对性的性能退化规律研究与加固方案优化。

二、研究内容

（一）节点试件设计与试验方案

设计 6 组足尺高强钢梁柱焊接节点试件，设置 4 组不同受火温度（300℃、500℃、600℃、800℃）与 2 种冷却方式（自然冷却、喷水冷却），采用电加热炉模拟火灾升温，冷却后进行低周往复加载试验，采集节点荷载 - 位移曲线、应变分布与破坏模式。

（二）高温后节点力学性能退化规律

试验结果表明：受火温度低于 500℃时，高强钢节点承载力退化幅度在 10% 以内，冷却后性能可基本恢复；温度超过 600℃后，母材强度与节点转动刚度加速下降，800℃受火后节点极限承载力降至常温的 58%。水冷试件因淬火效应，焊缝热影响区脆性增加，延性下降幅度大于自然冷却试件。

（三）细观损伤机理分析

通过扫描电镜与金相组织观测，揭示高强钢节点火灾后性能退化的内在机制：高温下钢材晶粒长大、位错密度降低，冷却过程中热影响区生成淬硬组织，导致焊缝界面韧性下降；节点破坏模式从常温下的梁端屈曲破坏，逐渐转变为高温后的焊缝脆性断裂破坏。

（四）修复加固方案对比验证

针对火灾后受损节点，分别采用粘贴钢板加固与外包角钢加固两种方案进行对比试验。结果显示：外包角钢加固对节点承载力与刚度恢复效果更优，600℃受火节点经加固后，极限承载力恢复至常温试件的 92%，延性系数提升 27%，且施工便捷性更适合现场灾后修复作业。

三、主要结论与工程建议

综合以上研究，可以得出以下主要结论：

1. Q690 高强钢节点力学性能对受火温度敏感，600℃为性能退化的临界温度点，超过该温度后承载力与刚度衰减速率显著加快。
2. 喷水冷却方式会加剧高强钢焊缝区域脆化，灾后修复前需重点检测热影响区裂纹缺陷，避免脆性断裂风险。
3. 外包角钢加固方案适配高强钢火灾后节点修复，可有效恢复结构承载能力与抗震延性，综合性价比优于粘钢加固。
5. 建议在高强钢结构工程中，针对重点节点区域优化防火保护措施；灾后评估时需区分不同冷却工况进行性能折减；修复加固优先选用外包角钢方案，并配套焊缝无损检测工序，保障结构修复后的安全性能。