船舶结构钢的高温力学性能修正：面向改进的热结构设计 中文标题

《Ocean Engineering》：Modified temperature-dependent reduction mechanical properties for ship structural steels: Toward improved thermo-structural design

本研究针对现行建筑规范（如Eurocode）中的高温材料折减因子可能不适用于现代船用钢材的问题，以船用低碳钢Grade A和高强钢AH36为对象，开展了高达1000°C的拉伸试验。研究提出了新的材料特异性折减曲线（SOSS），并通过典型板-加筋构件的热结构有限元分析验证了其适用性，为船舶与海洋工程结构的精确抗火设计提供了重要依据。

　　

在浩瀚的海洋上，船舶与海洋平台如同移动的城市，承载着人员、货物与能源。然而，这些庞然大物在其漫长的服役生涯中，始终面临着一种无情的威胁——火灾。由于处理大量易燃物质且常处于相对孤立的环境，海上火灾事故时有发生，不仅直接威胁生命安全，更会严重损伤船体等关键结构，导致其承载能力下降，甚至引发灾难性的整体坍塌。因此，防火设计与安全评估一直是海事与海洋工程领域的重中之重。

目前，船舶结构在火灾条件下的强度与安全性评估，很大程度上依赖于最初为建筑结构开发的防火设计规范，特别是欧洲钢结构设计规范（Eurocode）。在进行数值模拟（通常采用有限元法）时，材料在高温下的性能是至关重要的输入参数。工程师们通常直接采用Eurocode为普通碳钢（如S235, S275, S355）制定的温度相关折减因子。然而，一个关键问题随之浮现：这些基于建筑用钢的通用折减曲线，是否能够准确反映现代船用钢材（如Grade A或AH36）在高温下的真实行为？船用钢材在成分、制造工艺和热学性能上与建筑用钢存在差异，其高温软化行为可能并不相同。尽管已有不少研究利用基于Eurocode的参数分析结构在火灾下的响应，但直接采用可能不匹配的材料模型，会导致结构预测出现偏差，要么过于保守造成材料浪费，要么过于危险埋下安全隐患。更值得注意的是，钢铁技术不断进步，现代船用钢材的热退化行为可能与早期钢种有显著不同。因此，获取船用钢材自身的高温实验数据，并建立针对性的设计曲线，对于实现精确、安全且经济的热结构设计显得尤为迫切。

正是为了填补这一空白，发表在《Ocean Engineering》上的这项研究应运而生。研究团队对两种广泛使用的船用钢材——低碳钢Grade A和高强度钢AH36——进行了系统的实验与数值分析，旨在揭示其高温力学性能，并提出更适用于船舶结构的材料折减模型，为改进抗火设计提供科学依据。

为了达成研究目标，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，他们依据ASTM标准对Grade A和AH36钢进行了从室温至1000°C的准静态高温拉伸试验，以获取弹性模量、屈服强度和抗拉强度等关键力学参数随温度变化的原始数据。其次，基于实验数据，他们推导并提出了针对船用钢材的新的温度相关折减因子，命名为SOSS（Shipbuilding-Oriented Strength Scaling）。最后，为了验证所提SOSS曲线的结构意义，他们构建了一个代表性的船舶板-加筋构件模型，利用有限元法进行了热-结构耦合分析，比较了采用传统Eurocode通用碳钢（EGCS）折减因子与新型SOSS折减因子时，该构件在火灾载荷下的极限强度差异。

机械 behaviour of steel grade A and AH36

通过高温拉伸试验，研究系统地表征了Grade A和AH36钢在不同温度下的力学性能。实验结果表明，这两种船用钢材的高温软化行为与Eurocode中针对普通碳钢的规定存在明显差异。具体而言，在关键温度点（如600°C），其屈服强度的折减幅度与Eurocode的预测不同。基于大量的实测数据，研究团队成功推导出了适用于Grade A和AH36钢的弹性模量、屈服强度和抗拉强度的新的温度折减因子，形成了SOSS曲线。这些新曲线更精确地反映了现代船用钢材在高温下的实际性能退化规律。

Application example

为了展示所提SOSS折减因子的结构应用价值及其影响，研究进行了典型案例分析。分析对象是一个代表船舶结构的板-加筋组合模型，考察其在高温下的承载性能。有限元分析结果清晰地显示，使用本研究提出的SOSS曲线与使用传统的EGCS折减因子所计算出的构件极限强度存在显著差别。这一对比分析验证了SOSS曲线的适用性，并表明采用材料特异性的折减因子能够更准确地预测船舶结构在火灾条件下的真实响应，从而为抗火设计提供了更可靠的依据。

Conclusion

本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，深入探讨了现代船用钢材Grade A和AH36的高温力学性能。主要结论包括：首先，实验证实了船用钢材的高温力学性能折减规律与通用建筑钢材存在差异，直接应用Eurocode曲线可能不够准确。其次，基于实验数据，研究成功建立了针对这两种船用钢的新的温度依赖型折减因子（SOSS），为弹性模量、屈服强度和抗拉强度提供了更精确的预测模型。最后，通过典型结构构件的有限元分析验证，表明采用SOSS曲线能够更真实地反映结构在火灾下的极限承载能力，强调了在船舶与海洋工程抗火设计中采用材料特异性数据的重要性。这项研究的创新之处在于提供了直至1000°C的现代船用钢材高温性能数据，并通过结构仿真证明了专用设计曲线的必要性。其成果为提升船舶与海洋结构物的防火安全设计水平提供了实用的、经过验证的框架，具有重要的理论意义和工程应用价值。

综上所述，这项研究不仅丰富了船用钢材高温性能的数据库，更重要的是推动了抗火设计从“通用”向“专用”的精细化发展，为保障海上生命财产安全贡献了关键的科学支撑。