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防火涂料能增加钢结构耐火性吗?看看这组实验

摘要 随着中国的崛起,我国社会主义经济蓬勃发展,建筑行业的发展方向已经成为国民经济的指向标,与整个国家经济命脉息息相关。钢结构的普及性将得到显著提升。众所周知,钢结构的优缺点都很显著。钢结构自重较轻、施工简便、刚度大都是其重要优点。但是,当钢结构在火灾作用下,随着温度升高,钢材的弹性模量逐渐较小,钢材会在高温下出现软化现象,由于钢材的热传导系数较大,钢结构发生的破坏模式大多都是脆性断裂破坏。如何提高钢结构的抗火性能对以后钢结构的发展具有咫尺万里的意义,本文将阐述防火涂料对钢结构耐火极限的影响。

  
  我国开始使用防火涂料,各种各样的防火涂料涌入市场,有膨胀型、非膨胀性、厚涂、薄涂的等,在建筑过程中普遍使用。在施工过程中,施工厚度每遍约0.2mm,直至施工图层平均厚度至2.0mm。防火涂料的质量大多取决于脱水催化剂、成碳剂、发泡剂、功能填料和树脂基料。我国研究人员还发现钛白粉也可提高膨胀碳层的残余质量,提高碳层的热稳定性能。下图是两榀钢管混凝土-型钢梁框架在受火前后的对比图。 

   
  未刷防火涂料        

    
  刷有防火涂料
  通过试验结果,发现未刷防火涂料的钢管混凝土框架的耐火极限约为50分钟,而刷有防火涂料的钢管混凝土框架的耐火极限约为150分钟。可见防火涂料对于钢结构的耐火极限提升的影响显著。
  传统的钢结构设计通常包含两大部分验算:承载能力极限状态和正常使用极限状态。结构防火设计最大的特点在于除了除恒载、活载、风荷载等荷载外,还要考虑火灾引起高温环境的影响,通常称为火灾作用。钢材的力学性能[2]往往伴随着温度的升高而衰减,结构或者构件耐火承载力极限状态的定义为在火灾引起的高温环境下受力的结构构件达到不能承受外部作用或不适于继续承载的变形的状态,而结构或构件从受火初始时刻到达耐火承载力极限状态的持续时间定义为耐火极限。
  下图为受火时间分别在20分钟和100分钟时,梁柱截面的温度云图。       
  梁跨中截面温度云图(20min)       

  
  梁跨中截面温度云图(100min)            

 
  柱中部截面温度云图(20min)             

  
  柱中部截面温度云图(100min)
  本次采用ISO-834国际标准升温曲线,当受火时间在0~15分钟时,温度升高的速率显著,当受火时间达到30分钟之后,其升温速率明显降低。
  通过试验发现:
  (1):梁、柱截面的温度场的分布呈现由内而外递增的趋势,内外存在明显温度梯度,中心处温度相较于外侧温度较低。防火涂料的隔热效果显著,能够很好的延长构件外侧与内部结构发生热传递的时间,大大增强整体框架在火灾作用下的耐火极限。
  (2):钢管混凝土-型钢梁框架,梁柱节点处采用螺栓连接,其破坏形态大致分为梁破坏、柱破坏、梁柱混合破坏。当在火灾作用下,达到其耐火极限时,大多发生面外屈曲,导致结构的整体失稳。本文作者:序属三秋
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