厚层钢结构防火涂层往复大变形抗裂性能试验
吴润泽、陈建刚、陈明正、王桂银、刘奇、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，考察钢构件在往复大变形荷载作用下防火涂料的开裂及粘结性能，评估钢结构表面厚型防火涂料在地震等罕遇荷载作用下的性能，为钢结构防火涂料的设计和使用提供参考。
关键词：厚层钢结构防火涂层；抗裂性能；往复大变形
0 简介
钢结构以其强度高、重量轻、抗震性能好、可靠性高等诸多突出优点受到工程师的青睐。近年来，随着我国城镇化进程的加快，为充分提高城市空间利用率，各大城市越来越多地兴建采用钢结构建造的超高层建筑。但与混凝土、砌体等其他建筑材料相比，钢材的耐火性能较差，当温度在500℃左右时，钢材的屈服强度会下降到常温下强度的一半。提高钢结构耐火性能的主要方法有：水冷法；单面屏蔽法；浇注混凝土或砌筑耐火砖；采用耐火轻质板作防火外包层；涂抹防火材料；采用耐火耐候钢材等。其中，钢结构防火涂料是应用最为广泛的钢结构防火措施。在钢结构防火涂料中，水泥基厚型防火涂料可以提供长达3h的防火保护，这一特点与我国在建高层钢结构建筑柱子3h耐火极限的设计要求相一致，从而成为众多高层建筑防火措施的首选。
高层、超高层钢结构不同于一般钢结构，在使用过程中会受到风荷载等荷载水平较低但频率较高的变荷载作用，还可能遭遇高强度、罕遇地震引起的大变形往复荷载。而与钢结构本身材料相比，厚防火涂料的力学性能相对较差。当遭遇地震、恐怖爆炸等意外灾害时，涂在钢结构上的厚防火涂料可能会因大变形荷载的反复作用而出现开裂、断裂甚至脱落，对此类灾害发生后钢结构构件的耐火性能影响很大。
为评估目前我国普遍应用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为试验对象，对涂敷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，模拟钢结构在地震等罕遇荷载作用下的变形，检验防火涂料在往复大变形荷载作用下的开裂性能及粘结性能，评估厚型防火涂料用于高层钢结构建筑防火防护的可行性。
1 实验部分
1.1 测试内容
为达到上述目的，本试验不考虑防火涂层的粘结力等物理性能因时间和环境变化而降低（老化）的影响，试验对象为涂有厚防火涂层的钢构件在大变形往复荷载作用下的性能。主要模拟罕遇地震条件下涂有厚防火涂层的钢构件的性能，考察在此类荷载作用下厚防火涂层对钢构件的开裂、损伤和脱落情况。
1.2 试件设计
大变形往复加载试验试件为焊接H型钢柱构件，共2根，总高度1.60m，加载点处距柱脚高度为1.50m。柱采用200mm×150mm×6mm×10mm的焊接H型钢柱。钢柱材料为Q235结构钢，柱脚连接螺栓为10.9级高强度螺栓。钢柱试件柱脚固定，柱顶施加侧向集中荷载。腹板上每隔500mm设置一道加劲肋，防止腹板在加载过程中局部失稳；柱脚处设置靴梁，加强柱脚，防止底板弯曲；柱顶加载点处法兰上焊接一块200mm×200mm×10mm钢板，用于与作动器加载头连接。施加的水平载荷使试样绕强轴产生弯矩。
1.3 装载方案
构件下端刚性连接固定在预先设计好的底座上，柱脚通过高强度螺栓与底座连接，柱顶为自由端，加载位置在柱顶，连接方式为铰接，通过安装在柱顶的作动器施加往复载荷。
采用位移控制向柱顶施加荷载，每级位移循环3次。
1）第一阶段加载位移为7 mm；
2)加载初期,每级加载位移均为上一级加载位移的1.4倍;
3）当构件屈服时，增长倍数改为1.3；
4) 当试件损坏时，试验停止。
1.4 试件涂层
根据GB50016-2014《建筑设计防火规范》的要求，建筑最高耐火等级为一级，一级耐火等级的钢结构柱耐火极限要求为3.0h。因此，本次试验的钢柱试件按3.0h耐火极限要求采用厚型防火涂料进行防火保护。防火涂料采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3.0h耐火极限要求进行防火保护。设计涂层厚度为26mm，施工方法为喷涂、涂胶、钉装、挂网法。
2 试验过程及现象
2.1 大变形往复加载试验
大变形往复加载试验时，主要用位移计测量柱顶侧向位移和柱脚转角，水平位移计测量柱顶沿荷载作用方向的位移（D2）和垂直于力作用方向在水平面上的位移（D1）。在柱脚底板上布置垂直位移计，测量柱脚底板两侧的垂直位移，进而得到柱脚的转角。荷载大小通过作动器内置传感器测量。
2.2 实验现象
本次试验主要研究内容为防火涂层的损伤形态。由于厚层防火涂层表面粗糙、质地疏松，很难用传感器测量其应力、应变。防火涂层对钢构件的刚度和承载力基本没有影响，其状态主要通过肉眼观察其表面状态来判断。柱顶的力-位移关系只反映加载过程和构件本身对荷载的行为，与有无防火涂层区别不大。但构件的变形程度会影响防火涂层的粘结性能，影响防火涂层的开裂、损坏和脱落，因此构件的受力和变形与防火涂层的损伤有直接关系。
2.2.1 标本1
试件1防火涂层实测平均厚度为28.25 mm，试件1实际加载历程如表1所示，每级位移往复3次。
表1 试件1的加载历史
加载级别
加载位移值/mm
±7.0
±9.8
±13.7
±19.2
±26.9
±37.7
±55.0
±77.0
±102.0
试验开始前钢结构防火涂料检测，试件1上的防火涂层未出现可见裂纹。在前3级荷载过程中，试件均未出现可见裂纹。当荷载至4级（19.2mm）时，首先在靴梁顶端与钢梁翼板交界处出现裂缝，最大裂缝宽度不超过1.0mm。当荷载回零时，裂缝闭合；当荷载至5级（26.9mm）时，同一翼板两侧靴梁上的裂缝均发生贯穿，在靴梁与底板连接处、柱下翼缘与腹板连接处出现细小裂缝，最大裂缝宽度均不超过1.0mm。当荷载回零时，裂缝闭合；当荷载至6级（37.7mm）时，靴梁周围裂缝加宽并延伸至翼板内侧。同时在500mm高度处加劲肋对应的翼缘板外侧出现细小裂纹，最大裂缝宽度未超过1.0mm，当荷载回零时，裂缝闭合；当荷载至第7级（55.0mm）时，靴梁处的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，贯穿腹板整个高度，最大裂缝宽度达1.0mm。当荷载回零时，裂缝闭合；当荷载至第8级（77.0mm）时，靴梁周围裂缝及翼缘板侧面裂缝进一步加宽，可见钢梁板，当荷载回零时，裂缝并不能完全闭合，最大裂缝宽度达1.0mm；当荷载至9级（102mm）时，从裂缝处可以看出翼缘板已明显屈曲，裂缝宽度接近40mm，钢梁塑性变形较大，截面局部屈曲严重，可以认为钢梁已发生破坏，荷载回零后，钢梁变形无法恢复，防火涂层处裂缝无法闭合，裂缝宽度仍保持在20mm以上，试验结束。
2.2.2 标本2
试件2防火涂层实测平均厚度为29.50 mm，试件2实际加载历程如表2所示，1~7级每个等级位移往复3次，8级一次往复加载后试验结束。
表2 试件2的加载历史
加载级别
加载位移值/mm
±9.8
±13.7
±19.2
±26.9
±37.7
±52.7
±73.8
±103.3
试验前，试件2上的防火涂层未出现收缩裂缝。在第一级荷载（9.8mm）下未产生裂缝。在第二级荷载（13.7mm）下，在钢梁翼缘板与鞋梁顶部连接处首先出现细小裂缝，最大裂缝宽度不超过1.0mm，当荷载回零时，裂缝闭合。在第三级荷载（19.2mm）下，原有裂缝向两端扩展，并在一侧翼缘外侧出现裂缝贯穿，最大裂缝宽度不超过1.0mm，当荷载回零时，裂缝闭合。在第四级荷载（26.9mm）下，另一侧翼缘两侧鞋梁顶部裂缝均贯穿，最大裂缝宽度不超过1.0mm钢结构防火涂料检测，当荷载回零时，裂缝闭合。在第五级荷载（37.7mm）时，翼缘与腹板连接处及翼缘侧出现细小裂缝，原裂缝有所加宽，最大裂缝宽度不超过1.0mm，当荷载回零时，裂缝闭合。在第六级荷载（52.7mm）时，靴梁顶部裂缝向上扩展，最大裂缝宽度达1.0mm，当荷载回零时，裂缝闭合。在第七级荷载（73.8mm）时，靴梁顶部裂缝继续向上扩展至500mm高度加劲肋附近，并水平延伸至钢梁腹板中部，当荷载回零时，裂缝未能完全闭合，最大裂缝宽度超过1.0mm。经过第8级荷载（103.3mm）往复加载一周后，靴梁顶部及沿翼缘侧面向上延伸的裂缝明显加宽，钢柱翼缘明显屈曲，钢梁塑性变形较大，截面局部屈曲严重。荷载较第7级明显下降，可以认为钢梁已发生破坏。荷载恢复为零后，钢梁变形仍不能恢复，防火涂层处裂缝无法闭合，裂缝宽度仍保持在20mm以上，试验结束。
从以上对试件1、2的试验可以看出，两个试件呈现的防火涂层损伤情况大致相同，主要损伤裂缝均从靴梁上部开始，随着荷载的增加，钢梁四角处靴梁处的裂缝从翼缘板外侧和内侧贯穿，而后沿翼缘板侧面向上延伸。当柱顶变形不超过53.0mm（试件1为55.0mm，试件2为52.7mm）时，防火涂层最大裂缝宽度不超过1.0mm，当荷载恢复为零时，裂缝能够闭合。此后，随着柱顶位移的增加，在加载过程中这些裂缝继续加宽。试验结束时，钢梁翼缘明显屈曲，防火涂层裂缝最大宽度超过30.0mm，局部防火涂层明显与钢梁脱离。根据GB14907-2002《钢结构防火涂料》规定，厚层防火涂料裂缝宽度不超过1.0mm时，不会影响其使用性能，因此可以认为，当试件变形量不超过53.0mm时，防火涂层不发生破坏。
3 结论
根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，多层及高层钢结构在多遇地震作用下弹性层间位移角限值为1/250，在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角限值为1/50。根据本试件钢柱高度（1500mm）计算，对应的柱顶位移限值为6.0mm、30.0mm。从大变形往复加载试验中厚防火涂层开裂情况可以看出，在多遇地震作用下（对应试件1、2中第一次加载），涂层并未开裂。因此，厚防火涂层（平均厚度28.25mm）在经历设计罕遇地震作用后，依然能够有效黏附在钢构件表面，不会产生影响其防火功能的裂纹，黏附性能可靠，从而保证了防火的连续性。总之，采用水泥基厚层钢结构防火涂料并采用粘钉包网的方法进行高层钢结构建筑的防火保护是可靠的。
（详见《现代涂料与涂料》2017年10期）
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