吴润泽，陈建刚，陈明铮，王桂银，刘棋，程军
（江苏省钢结构重防腐防火涂料工程技术研究中心，江苏 常州213119）
摘 要：对涂有水泥基厚型钢结构防火涂料的钢结构构件进行不同荷载水平的往复加载试验，考查往复大变形荷载作用下，钢构件的防火涂料开裂和附着性能，评估地震等罕遇荷载下的钢结构表面厚型防火涂层情况，为钢结构防火涂料的设计与使用提供参考。
关键词：厚型钢结构防火涂料；抗开裂性能；往复大变形
0 引言
钢结构因其自身强度高、重量轻、抗震性能佳和可靠性高等众多突出的优点被工程师们所青睐。近年来，随着我国城市化进程的加快，各大城市为了充分提高城市空间利用率、采用钢结构建造的超高层建筑越来越多。但相对于混凝土、砖石等其他建筑材料而言，钢材的耐火性能较差。当温度为500 ℃左右时，钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半。提高钢结构抗火性能的主要方法有：水冷却法；单面屏蔽法；浇筑混凝土或砌筑耐火砖；采用耐火轻质板材作为防火外包层；涂抹防火材料；采用耐火耐候钢材等。其中，钢结构防火涂料是一种应用最为广泛钢结构防火措施。在钢结构防火涂料中水泥基厚型防火涂料可提供长达3 h的耐火保护，这一特性吻合了目前我国在建高层钢结构建筑柱子耐火极限3 h的设计要求，从而成为众多高层建筑防火措施的首选。
高层、超高层钢结构建筑不同于一般钢结构建筑，其在使用期间会受到风荷载等导致的荷载水平较低但频度较高的可变荷载作用，也可能遭遇到高烈度罕遇地震引起的大变形往复荷载作用。然而相对于钢构件本身材料而言，厚型防火涂料的力学性能较差，在遭遇地震和恐怖爆炸等偶然性事故灾害时，涂装在钢结构上的厚型防火涂料因受到的大变形荷载反复作用下，有可能开裂、破损甚至脱落，对钢结构构件在承受该类灾害后的抗火性能造成很大影响。
为了评估目前在我国应用广泛的水泥基厚型防火涂料在高层钢结构建筑上的适应性，为钢结构防火涂料的设计提供参考，选取具有代表性的兰陵牌LG厚型钢结构防火涂料作为测试对象，对涂有厚型防火涂料的钢结构构件进行不同荷载水平的往复加载试验，模拟地震等罕遇荷载下的钢结构的变形情况，考查往复大变形荷载作用下，防火涂料的开裂和附着性能，评估高层钢结构建筑用厚型防火涂料进行防火保护的可行性。
1 试验部分
1.1 试验内容
为实现上述目的，本试验不考虑防火涂料因时间和环境等因素导致粘结附着力等物理性能退化（老化）的影响。将测试涂装有厚型防火涂料的钢构件在大变形往复荷载作用下的性能。主要模拟带厚型防火涂料钢构件在遭遇罕遇地震作用条件的性能，考查钢构件上厚型防火涂料在这种荷载作用时的开裂、损坏和脱落情况。
1.2 试件的设计
大变形往复加载测试用试件为焊接H型截面钢柱构件，构件数量为2个，钢柱总高度1.60 m，加载点离柱脚高度为1.50 m，柱子采用200 mm×150 mm×6 mm×10 mm的焊接H型柱。钢柱材料为Q235结构钢，柱脚连接螺栓采用10.9级高强螺栓。钢柱试件柱脚采用固接，在柱顶施加侧向集中荷载，在腹板上每隔500 mm设置一道加劲肋，防止加载过程中腹板局部失稳；在柱脚设置靴梁，加强柱脚并防止底板弯曲；在柱顶加载点处翼缘上加焊200 mm×200 mm×10 mm钢板，用于与作动器加载头的连接，施加的水平荷载使试件产生绕强轴的弯矩作用。
1.3 加载方案
构件下端部采用刚接设计，固定在预先设计的底座上，柱脚与底座通过高强螺栓连接，柱顶为自由端，加载位置在柱顶加强处，连接形式为铰接。通过安装在柱顶的作动器施加往复加载。
采用位移控制在柱顶施加荷载，每一级位移循环3次。
1）第一级加载位移量为7 mm；
2）加载初期，每一级加载位移量为上一级加载位移量的1.4倍；
3）当构件出现屈服之后，增长倍数改为1.3；
4）当试件破坏时，试验停止。
1.4 试件的涂装
根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》要求，建筑的最高耐火等级为一级，对应一级耐火等级的建筑钢结构柱的耐火极限要求为3.0 h，因此对本试验的钢柱试件按3.0 h耐火极限要求采用厚型防火涂料进行防火保护。防火涂料选用江苏兰陵高分子材料有限公司生产的LG厚型钢结构防火涂料，按3.0 h耐火极限要求进行防火保护，设计涂料厚度为26 mm，施工工法为喷涂粘钉挂网工法。
2 测试过程及现象
2.1 大变形往复加载测试
大变形往复加载试验时，主要采用位移计测量柱顶的侧向位移和柱脚的转动，采用水平位移计测量柱顶荷载作用方向的位移（D2）及水平面内垂直于力作用方向的位移（D1），在柱脚底板上布置竖向位移计，测量柱脚底板两边的竖向位移，进而得到柱脚的转角，荷载的大小通过作动器的内置传感器测量得到。
2.2 试验现象
本次试验主要研究内容为防火涂料的破损形态，由于厚型防火涂料表面粗糙，质地疏松，难以用传感器测量其应力和应变，防火涂料对钢构件的刚度和承载力基本没有影响，主要通过肉眼观察其表面状态来判断其状态。柱顶的力-位移关系仅反映加载历程及构件本身对荷载的行为反应，与有无防火涂料差别不大。但构件变形的大小程度会影响防火涂料的附着性能，影响防火涂料的开裂、损坏与脱落。因此构件的受力和变形与防火涂料的破损有直接关系。
2.2.1 试件1
试件1防火涂料的实测平均厚度为28.25 mm，试件1实际加载历程见表1，每级位移往复3次。
表1 试件1加载历程
试验开始前，试件1上的防火涂料无可见裂缝。前3级荷载过程中，试件均未出现可见裂缝。加载至第4级（19.2 mm）时，靴梁顶部与钢梁翼板交接处首先产生裂缝，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合；加载至第5级（26.9 mm）时，同一翼板两侧靴梁上的裂缝发生贯通，且靴梁与底板连接处、柱底翼缘与腹板连接处产生细微裂缝，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合；加载至第6级（37.7 mm），靴梁周围的裂缝加宽，且向翼板内侧延伸，同时500 mm高度处加劲板对应的翼缘板外侧产生细微裂缝，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合；加载至第7级（55.0 mm），靴梁处裂缝沿翼板侧面向上延伸，接近加劲板，翼板内侧裂缝延伸至腹板，贯通整个腹板高度，最大裂缝宽度达到1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合；加载至第8级（77.0 mm），靴梁周围的裂缝和翼缘板侧面的裂缝进一步加宽，已经可以看见钢梁板，荷载恢复至零时，裂缝不能完全闭合，最大裂缝宽度达到1.0 mm；加载至第9级（102 mm），可以从裂缝中看到翼缘板发生很明显的屈曲裂缝宽度接近40 mm，钢梁塑性变形很大，截面局部屈曲严重，可以认为钢梁已经破坏，荷载回复到零后，钢梁变形不能恢复，防火涂料裂缝不能闭合，裂缝宽度仍然保持在20 mm以上，试验结束。
2.2.2 试件2
试件2防火涂料的实测平均厚度为29.50 mm，试件2实际加载历程见表2，1 ~ 7级每级位移往复3次，第8级往复加载一次后试验结束。
表2 试件2加载历程
试验开始前，试件2上的防火涂料未出现干缩裂缝。第1级荷载（9.8 mm）未产生裂缝。第2级荷载（13.7 mm），靴梁顶部与钢梁翼缘板连接处首先出现细微裂缝，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合。第3级荷载（19.2 mm），原有裂缝向两头延伸，在一侧的翼缘外侧裂缝发生贯通，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合。第4级荷载（26.9 mm），另一侧翼缘两边靴梁顶部的裂缝贯通，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合。第5级荷载（37.7 mm），翼缘与腹板连接处及翼缘侧出现细微裂缝，原有裂缝加宽，最大裂缝宽度不超过1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合。第6级荷载（52.7 mm），靴梁顶部的裂缝向上延伸，最大裂缝宽度达到1.0 mm，荷载恢复至零时，裂缝闭合。第7级荷载（73.8 mm），靴梁顶部裂缝继续向上延伸，至500 mm高度加劲板附近，且横向延伸至钢梁腹板中部，荷载恢复至零时，裂缝不能完全闭合，最大裂缝宽度超过1.0 mm。第8级荷载（103.3 mm）往复加载一周后,靴梁顶部及其沿翼缘侧面向上延伸的裂缝显著增宽，钢柱翼缘明显屈曲钢梁塑性变形很大，截面局部屈曲严重，荷载比第7级大幅下降，可以认为钢梁已经破坏，荷载回复到零后，钢梁变形不能恢复，防火涂料裂缝不能闭合，裂缝宽度仍然保持在20 mm以上，试验结束。
由上述对试件1和试件2的测试可知，2个试件呈现的防火涂料破坏情况大致相同，主要的破坏裂缝均从靴梁上部开始产生，随荷载增加，钢梁四个角上的靴梁处裂缝从翼缘外侧和内侧贯通，然后沿翼缘板侧面向上延伸，在柱顶变形不超过53.0 mm（试件1为55.0 mm，试件2为52.7 mm）时，防火涂料的最大裂缝宽度不超过1.0 mm，在荷载恢复到零时裂缝能够闭合，此后随着柱顶位移增加，加载过程中这些裂缝不断加宽，试验结束时，钢梁翼缘明显屈曲，防火涂料裂缝最大宽度超过30.0 mm，局部防火涂料与钢梁明显分离。根据GB 14907—2002《钢结构防火涂料》，当厚型防火涂料的裂缝宽度不超过1.0 mm时，不会影响其性能，因此可以认为当试件的变形不超过53.0 mm时，防火涂料没有破坏。
3 结语
根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规定，多、高层钢结构多遇地震下弹性层间位移角限值为1/250，罕遇地震下弹塑性层间位移角限值为1/50。根据本试验试件的钢柱高度（1 500 mm），相应的柱顶位移限值分别为6.0 mm和30.0 mm。从大变形往复加载试验中厚型防火涂料的开裂情况可知，在多遇地震下（对应试件1和试件2中的第1级荷载），涂料不开裂。因此，该厚型防火涂料（平均厚度28.25 mm）在经历设计罕遇地震作用后仍能有效地附着在钢构件的表面，并且不会产生影响其防火保护功能的裂缝，表现出可靠的附着性能，从而保证了防火保护的持续性。总之，采用水泥基厚型钢结构防火涂料，经过粘钉包网工法施工进行高层钢结构建筑的耐火保护是可靠的。
（详情见《现代涂料与涂装》2017-10期）
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