建筑行业是全球碳排放、有限资源消耗以及废弃物产生的主要来源之一。为了实现联合国可持续发展目标，建筑行业成为了行动的核心领域。高强度结构钢等材料可实现减少材料消耗，从而有助于促进可持续的建筑结构和基础设施的建设。实现环保型建筑的另一个关键方面是尽可能长时间地使用建筑结构或基础设施，或在新的结构环境中重新利用回收的钢部件。在这方面，出现了这样一个问题：在火灾事故发生后，外观未受损的钢部件是否还能继续使用？做出这一决定的一个重要前提是，要充分了解火灾和高温对材料性能（如强度和刚度）的影响。

对于低碳钢而言，过去有多项研究揭示了火灾后其材料的力学性能变化情况。这些研究表明，在暴露于高温环境并随后在自然通风条件下冷却之后，材料的性能几乎可以完全恢复。在火灾后的试验中，极高的温度有时会导致低碳钢的初始强度出现部分下降。因此，在大多数情况下，如果火灾事故后没有出现明显的热致变形，低碳钢部件仍可继续使用。在这些情况下，可以将与火灾前状态相同的结构性能作为设计依据。对于高强度钢（HSS）和超高强度钢（UHSS），研究显示，由于加热到高温并随后在自然通风条件下冷却，材料的力学性能会发生部分变化。在火灾后的阶段，观察到的强度和刚度值低于暴露于高温之前的初始状态。试验研究表明，特别是初始高强度钢的强度值对热暴露非常敏感，因为温度在500℃及以上时，经过自然冷却至环境温度后会显著降低强度值。文献结果表明，在针对火灾后测试所得的材料性能变化研究中，对于低碳钢而言，其材料性能随火灾后最高温度变化的降低幅度远小于高强度钢和超高强度钢的情况。

此外，多项研究表明，冷却速率对低碳钢以及高强度结构钢在火灾后的材料性能有着决定性的影响，因为水加速冷却会导致火灾后测试中测量到的强度更高。然而，对这种效应的研究并非本研究的主题，而是探讨了在自然通风条件下冷却后的HSS和UHSS的火灾后行为。试验研究表明，标准和设计指南（如欧洲标准EN1993-1-2）中可用的材料模型所隐含的关于HSS在暴露于高温后材料力学性能完全可逆的假设，导致对实际测量的残余强度和刚度值的显著高估。然而，仍然缺乏一致的现象学材料模型和用于描述高温对HSS火灾后材料行为影响程度的应用导向方法，这就是为什么通常在火灾事故发生后，由HSS制成的部件会被更换的原因。

本文介绍了针对高强度钢火灾后材料性能的面向应用的力学材料模型的开发，该模型涵盖了应力-应变响应以及力学材料属性（如杨氏模量和有效屈服强度）的折减系数。该模型是基于对各种HSS火灾后拉伸试验结果的全面研究而建立的。自身测试结果以及文献中可获取的相关数据均被纳入考虑范围，从而形成了涵盖多个钢种和温度的广泛数据集。因此，该模型为未来的设计规范和评估、改造以及HSS结构的再利用提供了基础，并展示了在火灾后进一步使用HSS组件的可能性，以实现节约宝贵资源的长期目标。

为了开发一个基于数据的材料模型，以涵盖火灾暴露后高强度和超高强度结构钢的材料力学性能，需要一个全面的数据基础，该基础来自材料性能测试。为此，对由高强度钢和超高强度钢制成的小型试样进行了系列应变率控制拉伸试验，这些试样在暴露于各种高温后进行了测试，以表征火灾后的材料性能。以下简要概述了试验研究，后火灾试验的测试程序的详细描述以及测试结果的分析。

在测试系列中，研究了两种淬火和回火的S690QL和S960QL级高强度钢以及两种热机械轧制的S960M和S1100M级超高强度钢。为了进行比较，还对S355J2+N级低碳钢进行了测试。对于火灾后的拉伸试验，用板材制造了小型的狗骨形试样。

对于火灾后温度范围内的材料性能测试，将试样置于预设的最高温度T_u下（通过电炉进行），随后在自然通风条件下冷却至环境温度。完成加热-冷却温度循环后，进行了应变率控制的拉伸试验，该试验直接提供了材料的应力-应变响应。在火灾后的测试中，加热阶段的最高温度T_u分别设定为400℃、550℃、700℃和900℃，以涵盖与结构钢在材料技术和消防安全工程方面相关的温度范围。测试方案总结于表1中。

通过控制应变率的火灾后拉伸测试，可直接获得受测试材料在加热最高温度下的残余应力-应变关系。从应力-应变关系中，可以推导出材料力学性能，即杨氏模量E、0.2%抗拉强度f_y，_0.2、有效屈服强度f_y，_2.0和抗拉强度f_t。受测试材料在火灾后试验中确定的材料力学性能主要发现简要总结如下：

受测试的M2系列低碳钢的残余材料力学性能在加热最高温度为550℃时几乎完全可逆。在加热最高温度达到700℃后，仅观察到约10%-15%的轻微强度降低。最高温度达到900℃时，材料强度下降了约20%-30%。就杨氏模量而言，只有最高温度达到900℃时，才导致了与初始状态相比约5%的轻微刚度降低。

对于M1系列的高强度钢和M3-M5系列的超高强度钢，暴露于高温后材料力学性能几乎完全恢复，直至最高温度达到550℃。然而，最高温度达到700℃或900℃时，在火灾后的测试中，强度显著下降。在最高温度达到700℃后，残余强度值比初始值低至30%；而在最高温度达到900℃后，强度下降幅度甚至更高，最高可达40%。

所研究的高强度钢和超高强度钢的杨氏模量在最高温度达到700℃时几乎完全恢复。然而，在最高温度达到900℃的情况下，特别是在M4和M5系列的热机械轧制超高强度钢中，观察到的刚度下降幅度高达15%。

火灾工况下，对温度作用下材料力学性能演变规律开展可靠预测与精确建模，是火灾安全工程领域至关重要的研究内容。接下来，将提出一种适用于火灾后的高强度和超高强度结构钢的材料力学模型。因此，该建模采用了在多个钢种中保持一致的方法。建模的目标是建立一个实用且面向应用的模型，采用简化的数学方法来描述高强度钢和超高强度钢在火灾后的材料力学性能，可用于通过简化设计程序中的手动计算以及先进的数值设计程序来评估高强度结构钢在火灾事故后的结构性能。该模型包含一个用于描述应力-应变关系的数学公式，以及针对材料属性的温度相关折减系数k_i，_pf，这些系数包括杨氏模量E_pf和有效屈服强度f_y，_2.0，_pf，涵盖了在未预热的环境温度下残余属性与相应初始值之间的关系。第2节中所呈现的火灾后测试系列的结果以及文献中的研究构成了该材料模型开发的基础。因此，该模型可用于确定S460及以上直至S960级别的钢种在火灾后的材料性能，并在自然条件下进行冷却。

从HSS和UHSS的火灾后测试中获得的试验应力-应变响应在大多数情况下显示了与常见结构钢相同的特征形状，即遵循胡克定律的线性弹性增加、明显的屈服平台以及随后的硬化范围。因此，根据本模型提案，使用双线性本构方程的简化近似值，可以使用式（1）确定HSS和UHSS在火灾后的应力-应变响应。由此得出的屈服强度值f_y，_pf对应于总应变值为ε_tot=2.0%时的有效屈服强度f_y，_2.0，_pf，因为传统上有效屈服强度在火灾安全工程中被用作结构钢的决定性强度值。

式中，ε为总应变值；σ为应力；f_y，_pf是火灾后的有效屈服强度；E_pf是火灾后的杨氏模量。

根据式（1）所提出的模型提案的准确性主要取决于对材料属性（杨氏模量E_pf和有效屈服强度f_y，_2.0，_pf）所采用的接近实际值的输入值。测试结果表明，在火灾后的高温范围内，高强度钢（HSS）和超高强度钢（UHSS）的这些材料属性对加热-冷却温度循环过程中的高温变化非常敏感。为了捕捉高温对火灾后材料性能的影响，本建模方法中开发了与温度相关的折减系数，并根据式（2）至式（5）确定了HSS和UHSS的火灾后材料力学性能（杨氏模量和有效屈服强度）。根据式（4）和式（5）得出缩减系数，用来选择最高温度，并以最大温度为函数的形式进行图形可视化展示。

式中，E_pf为火灾后的杨氏模量；F_y，_2.0，_pf为火灾后的有效屈服强度；K_E，_pf为杨氏模量的折减系数；而k_y，_pf则为有效屈服强度的折减系数。

图1展示了火灾后拉伸试验得出的应力-应变曲线（黑色线条），分别对应于等级为S690QL、S960QL、S960M和S1100M的钢材。每幅图表都展示了从最高温度（T=400℃，实线）到环境温度的冷却过程中进行测试后的结果，这些最高温度分别为T_u=550℃（虚线）、T_u=700℃（点线）和T_u=900℃（长虚线）。红色曲线代表在环境温度下进行的参考测试结果，这些测试未在之前进行过高于该温度的加热处理。除了试验确定的应力-应变关系外，根据式（1）计算得出的解析曲线以蓝色显示。用于确定解析曲线的输入参数杨氏模量E_pf和屈服强度f_y，_pf对应于相应的火灾后测试获得的试验材料性能。

图1显示，在应变范围不超过2%的情况下，双线性建模方法通常能使得解析曲线与试验曲线达成良好的一致性。在某些情况下，特别是在热机械轧制的UHSS S960M（图1（c））和S1100 M（图1（d））以及最大温度为900℃的测试曲线中，测试结果与建模方法之间会出现较大的偏差。在这些案例中所测量的应力-应变关系在初始弹性材料行为与塑性材料行为之间存在圆滑的过渡区域，而这种过渡区域并未被简化建模方法所涵盖。文献中的研究还表明，对于高于S960级别的超高强度钢（UHSS）存在异常行为。为了明确确定本研究中900℃温度下热机械轧制的超高强度钢在异常应力-应变行为方面的原因，并揭示高于S960级别的超高强度钢在火灾后的总体行为，需要进行进一步的调查，而这些调查并非本研究的一部分。因此，出于保守考虑，目前模型的适用范围仅限于钢的等级至多包括S960级，并且对于S960级别，还包括淬火和回火结构钢。

此外，试验获得的应力-应变响应中的硬化范围也未被本模型涵盖。然而，该模型被评估为总体上适用且易于应用的方法，尤其适用于简化的设计方法。只要为材料属性E_pf和f_y，_pf选择了合适的值，那么该模型就能在与结构和消防安全工程相关的最大应变和温度范围内较为准确或保守地反映材料的力学性能。

1）火灾后的HSS和UHSS的应力-应变关系可以通过针对结构钢的特征简化双线性方法进行近似，该方法在弹性线性范围内采用胡克定律，以杨氏模量作为初始斜率，并以有效屈服强度作为决定性强度极限。采用简化方法准确近似应力-应变关系的主要前提是针对材料力学性能做出合适的假设。

2）在火灾后自然冷却至环境温度的范围内，HSS和UHSS的材料力学性能在很大程度上取决于加热阶段的最大温度。更高的最高温度通常会导致强度和刚度值的下降。屈服强度和杨氏模量值分别降低的规律得以明确，其数学描述采用取决于材料在常温下的初始性能值以及火灾期间的最高温度的折减系数。

3）所开发的模型使用简化的双线性方程来确定高强度钢和超高强度钢残余材料性能的折减系数。所提出的建模方法与试验数据总体上高度吻合，并提供了一种稳健且用户友好的材料模型，具有很高的工程应用潜力。