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通过升温、自然冷却和疲劳试验，对室温环境和经历250℃～750℃高温自然冷却后的40个Q345钢材疲劳试件进行轴向拉伸疲劳试验研究。结果表明：不同高温自然冷却后Q345钢材疲劳断口的破坏特征存在明显差异，裂纹扩展区和瞬断区面积随温度升高而发生变化；Q345钢材在室温或经高温自然冷却后的疲劳断口具有典型韧窝组织，受热温度不超过500℃时韧窝组织随温度升高而增多变密，属于韧性较好的延性破坏，受热温度为750℃时韧窝组织减少变浅且大小分布不均匀，主要表现为具有撕裂痕迹的类解理破坏；经高温自然冷却后Q345钢材的疲劳寿命呈先增加后减小的变化趋势，500℃以内疲劳寿命随温度升高而增加，最大增幅为277.18%，750℃时疲劳寿命随温度升高而下降了65.27%。根据试验结果，建立不同高温自然冷却后Q345钢材的概率S-N曲线模型，利用该模型可对火灾后Q345钢结构的疲劳性能进行有效评估。