在标准火灾温度下，对带有腹孔的镀锌铁基冷成型钢截面的荷载变形行为进行研究

《Heliyon》：Investigation on load deflection behavior of galvanized iron based cold formed steel sections with web holes under standard fire temperature

CFS梁在火灾暴露下的残余强度与刚度退化研究，采用ISO 834标准火曲线加热镀锌铁CFS截面，对比空气和水冷却后的力学性能，发现60分钟加热后水冷梁强度下降35.62%，刚度损失达39.52%，且孔洞形状（圆形/方形）和位置（抗弯/抗剪区）显著影响失效模式，圆形孔在抗弯区易引发局部屈曲，而水冷加剧材料脆化。

　　冷弯型钢（CFS）因其高强度、可塑性和抗腐蚀性，已被广泛应用于建筑结构中，尤其适用于承受小型荷载的构件。然而，在火灾等高温条件下，CFS构件的性能会受到显著影响。本研究探讨了在高温条件下，带有不同形状和尺寸的web孔的镀锌铁（GI）CFS梁的性能变化，以更全面地理解其在火灾环境中的行为，为实际工程设计提供参考。研究采用ISO标准火曲线进行长期加热模拟，并通过两种不同的冷却方式（空气冷却和水冷）使构件恢复至室温，从而评估其在不同热处理过程中的结构性能变化。此外，研究还通过实验和有限元方法（FEM）对这些梁的弯曲性能进行了分析，并进行了参数研究以探究不同孔洞形状和尺寸对梁性能的影响。

在实验中，研究者采用了C形截面的GI型钢梁，长度为1.5米，未设置任何web孔。随后，通过设置不同尺寸的web孔（圆形和方形，分别为40毫米和60毫米），对这些梁进行了测试。这些孔洞的设计基于现有文献和行业常用做法，旨在模拟实际应用中可能遇到的web孔。研究还探讨了冷却方式对梁性能的影响，发现水冷方式会导致更大的强度损失和刚度退化。例如，加热60分钟的梁在水冷后强度损失达到35.62%，而在空气冷却下则为31.99%。这种差异可能源于水冷过程中的快速冷却对材料微观结构的影响，进而导致更高的残余应力和变形。

研究还关注了web孔对梁在火灾后性能的破坏模式。实验和FEM分析均表明，web孔的存在显著影响了梁的屈曲行为，其中圆形孔洞在较大尺寸下更可能导致侧向扭转变形（LTB），而方形孔洞则表现出更均匀的应力分布和更高的抗屈曲能力。此外，实验结果显示，随着加热时间的增加，梁的横向变形也相应增加，特别是在水冷条件下，变形更加明显。这种变形可能与材料在高温下的软化以及冷却过程中产生的残余应力有关。

在材料性能方面，研究者采用了标准的GI型钢材料属性，并考虑了温度对材料强度和刚度的影响。这些材料属性基于剪切试验和拉伸试验的结果，以确保FEM模拟的准确性。同时，研究还通过统计方法分析了不同热处理条件下梁的承载能力，发现随着加热时间的延长，承载能力呈下降趋势，而冷却方式的选择则对刚度和变形具有重要影响。这些结果表明，在设计和评估CFS梁的火灾性能时，必须综合考虑加热时间和冷却方式对结构性能的潜在影响。

研究还通过FEM对梁的性能进行了验证，发现数值模拟与实验结果之间具有良好的一致性。FEM分析进一步揭示了不同web孔配置对梁性能的影响，特别是在弯曲和剪切区域。结果表明，web孔的放置位置和形状对梁的承载能力和变形模式具有显著影响，其中在剪切区域放置的web孔更容易导致屈曲，而弯曲区域的web孔则对梁的性能影响相对较小。然而，圆形孔洞在弯曲区域也会导致更严重的刚度退化，因此在设计中需特别注意其影响。

研究还强调了在实际应用中，web孔的布置和设计对于CFS梁的性能至关重要。在剪切区域设置web孔可能导致更大的结构脆弱性，而弯曲区域的web孔虽然对承载能力影响较小，但仍需关注其对屈曲行为的影响。此外，研究还指出，冷却方法的选择对梁的性能有显著影响，水冷虽然能快速恢复至室温，但可能导致更大的残余应力和变形，因此在设计时需权衡冷却效率与结构性能之间的关系。

最后，研究结果对实际工程设计具有重要意义。通过理解web孔的布置、尺寸和形状对CFS梁性能的影响，可以优化设计以提高结构在火灾条件下的安全性和稳定性。此外，研究还提出了进一步的研究方向，包括探索web孔在弯曲区域的布置、分析边缘加劲的web孔对结构性能的影响，以及更精确地模拟温度梯度对CFS梁性能的影响。这些研究将有助于完善现有设计规范，提升CFS结构在火灾条件下的可靠性。