30 建筑钢结构进展第 15 卷构构件上得到了广泛的应用然而, 厚型防火涂料是一种非常脆的材料, 且与构件的粘结强度较低, 从而在外力作用下很容易破损和脱落, 进而影响防

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帛应
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1 第 15 卷第 5 期 2013 年 10 月建筑钢结构进展 ProgressinSteelBuildingStructures Vol.15No.5 Oct.2013 钢构件上防火涂料破损长度的预测王卫永 1, 李国强 2, 于宝林 3 (1. 重庆大学土木工程学院, 重庆 ;2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海 ; 3. 密歇根州立大学土木与环境工程系, 美国密歇根州 48824) 摘要 : 为了提高钢结构的抗火性能, 通常采用喷涂防火涂料的方法防火涂料是脆性材料, 在外力作用下容易破坏为了预测钢构件上防火涂料在外力作用下的破损, 采用 3D 和 2D 有限元模型对防火涂料和钢构件之间的层间应力进行了分析, 得到了层间正应力和层间剪应力沿构件长度和宽度的分布规律, 并采用弹性方法进行了验证, 结果吻合较好引入防火涂料破损的最大强度破坏准则和能量破坏准则对钢构件在弯剪作用下的破损长度进行了预测, 并对影响防火涂料破损长度的参数进行了分析研究表明 :2D 有限元可以准确地预测防火涂料和钢构件之间的层间应力, 使用两种破坏准则预测得到的破损长度基本一样荷载比越大, 防火涂料破损长度越长 ; 防火涂料越厚, 破损长度也越长关键词 : 防火涂料 ; 破损长度 ; 有限元分析 ; 层间应力中图分类号 :TU391,TU545 文献标识码 :A 文章编号 : (2013) PredictionofDamageLengthofFireproofCoatingonSteelMembers 犠犃犖犌犠犲犻狔狅狀犵 1, 犔犐犌狌狅狇犻犪狀犵 2, 犢犝犅犪狅犾犻狀 (1.ColegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China; 2.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,MichiganStateUniversity,Michigan48824,USA) WANG Wei yong:wywang@cqu.edu.cn 犃犫狊狋狉犪犮狋 : Inordertoimprovethefireresistanceofsteelstructures,fireproofcoatingiscommonlyusedonsteelmembers. Fireproofcoatingisfragileandeasilydamagedbyaccidentalimpact.Theinterlaminarstressbetweensteelplateand coatingunderexternalforceswasanalyzedthrough3dand2d modelstopredictthedamagelevelofcoating.the distributionofinterlaminarnormalstressandshearstresswereobtainedalongthelengthandwidthofsteelmembers. Themodelswerevalidatedbyemployingelastictheory methodandagoodagreementhasbeenfound.twodamage criteria,maximumstressanddistortionenergy,areintroducedtopredictthedamagelengthofcoatingundermoment andshearforce.a parametricstudywasalsoperformedontwofactorswhichhaveefectsonthedamagelengthof coating.thestudyshowedthat2d modelisfeasibleandreliabletoevaluatetheinterlaminarstressbetweencoating andsteelcolumn.thereisonlyminordiferenceinthedamagelengthpredictionsbytwocriteria.thedamagelength increaseswiththeincreaseofloadratioandcoatingdepth. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :fireproofcoating;damagelength;finiteelementanalysis;interlaminarstress 钢结构建筑不耐火, 无防火保护的钢结构在火灾下很容易破坏和倒塌, 目前关于钢结构的抗火性能已经进行了大量的研究 [1 3] 为了提高钢结构的耐火性能, 常在构件表面喷涂防火涂料目前常用的防火涂料有厚型防火涂料, 薄型防火涂料和超薄型防火涂料厚型防火涂料由于隔热性能好, 价格便宜, 施工方便从而在重要的结收稿日期 : ; 收到修改稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ) 作者简介 : 王卫永 (1982 ), 男, 博士, 副教授, 主要从事结构抗火方面的研究 E mail:wywang@cqu.edu.cn 李国强 (1963 ), 男, 博士, 教授, 主要从事多高层建筑钢结构分析与设计理论钢结构抗火计算与设计理论工程结构振动与检测理论的研究

密歇根州立大学土木与环境工程系, 美国密歇根州 48824) 摘要 : 为了提高钢结构的抗火性能, 通常采用喷涂防火涂料的方法防火涂料是脆性材料, 在外力作用下容易破坏为了预测钢构件上防火涂料在外力作用下的破损, 采用 3D 和

2 30 建筑钢结构进展第 15 卷构构件上得到了广泛的应用然而, 厚型防火涂料是一种非常脆的材料, 且与构件的粘结强度较低, 从而在外力作用下很容易破损和脱落, 进而影响防火涂料的防火性能目前, 关于防火涂料的破损研究还不多, 主要有以下 [4] 研究成果 : 王卫永等引用层间应力理论分析了防火涂料与钢板件之间的层间应力, 并和有限元进行了对比 ; 金 [5] 楚采用叠合梁理论分析了均布荷载和集中荷载作用下 [6 8] 防火涂料与钢梁之间的剪应力分布 ; 王卫永等进行了防火涂料的破损试验研究及防火涂料破损后结构的抗火性能研究, 得到了外荷载作用下防火涂料的破损模式和 [9 10] 防火涂料破损后结构的抗火性能陈素文廖志娟等对防火涂料的力学性能进行了测试, 并进行了板件上防 [11] 火涂料的脱落试验 Braxtan 等进行了地震下防火涂料的破损大小研究并分析了防火涂料的破损对钢结构框架受火性能的影响本文引入防火涂料的力学性能和防火涂料与钢构件之间的粘结性能参数, 采用三维和二维有限元模型分析了防火涂料和钢构件之间的粘结应力, 并采用弹性理论方法对分析结果进行了验证采用防火涂料破损的强度准则, 提出了防火涂料破损长度的计算方法, 并通过算例分析了两种破坏准则下钢构件在外力作用下的防火涂料破损长度在涂料与钢材界面上产生层间应力, 防火涂料表面和内部应力的大小决定了防火涂料本身的拉断和压碎, 层间应力的大小决定了防火涂料的脱落和剥离, 根据应力的方向, 可将层间应力分为层间正应力和层间剪应力本文采用 ANSYS 有限元分析了拉伸和弯曲作用下防火涂料与钢构件界面上的应力大小分布规律分析中分别采用了三维模型和二维模型 ( 图 1) 三维模型的分析结果更可靠直观, 但是分析过程复杂, 单元数量较多二维模型简便快捷, 但分析结果不够精细三维模型中, 采用了 Solid45 单元, 钢板长度为 600 mm, 宽度为 200mm, 厚度为 10mm, 防火涂料的厚度为 20 mm, 涂于钢板两个表面上拉伸模型的荷载为 400kN, 弯曲模型的荷载为 N mm 有限元模型如图 1 (a) 所示 1 材料力学性能常用的厚型防火涂料是由以膨胀蛭石珍珠岩为骨料, 水泥为粘结剂的单组份包装涂料, 到现场只需加水拌匀即可使用, 能喷也能抹根据防火涂料的组成材料可知, 防火涂料是一种非常脆的材料, 容易开裂和断裂预测防火涂料的破损, 需要得知防火涂料的力学性能和防火涂料的粘结性能本文引用文献 [9] 的研究数据得到了国内常用的厚型防火涂料 YC 3 型的弹性模量为 MPa 抗压强度和抗拉强度分别为 0.59 MPa 和 0.05 MPa, 防火涂料与钢构件表面的粘结正应力强度和粘结剪应力强度分别为 0.04 MPa 和 0.07 MPa 分析中采用的钢材为 Q235 建筑用结构钢, 弹性模量取 MPa, 屈服强度取 235 MPa 防火涂料和钢材的泊松比均采用 0.3 由防火涂料的力学性能参数可以看出, 防火涂料的弹性模量很低, 所以非常松软 ; 抗拉强度远小于抗压强度, 从而表面容易产生裂纹 ; 粘结强度很低, 所以外力作用下容易脱落和剥离 2 层间应力有限元分析防火涂料喷涂在钢构件表面后, 与钢材组成一个复合材料, 钢构件在外力作用下发生变形时, 防火涂料也一起发生变形, 从而在防火涂料表面和内部产生应力以及图 1 有限元模型犉犻犵.1 犉犻狀犻狋犲犾犲犿犲狀狋犿狅犱犲犾分析得到的粘结正应力和剪应力结果如图 2~ 图 4 所示从图 2 可以看出, 沿长度方向, 在防火涂料的端部位置, 粘结正应力为不均匀分布, 在端部最大, 然后往中间方向正应力急剧降低, 在防火涂料的中间部分, 粘结正应力很小, 几乎为零沿宽度方向, 在边缘粘结正应力分别达到正的最大和负的最大, 该效应在复合材料力学上被称为边缘效应从图 3 可以看出, 粘结剪应力 τ 狔狕沿长度方向为对称分布, 沿宽度方向为反对称分布, 正的最大值和负的最大值出现在 4 个边角处从图 4 可以看出, 粘结剪应力 τ 狓狕沿长度方向为反对称分布, 沿宽度方向为对称分布, 正的最大值和负的最大值出现在两端截面处从两个不同方向剪应力的大小看, 粘结剪应力 τ 狔狕的数值比剪应力 τ 狓狕的数值小得多, 为简化分析可以忽略不计因而粘结正应力和粘结剪应力 τ 狓狕是影响防火涂料脱落和剥离的两个关键参数从这两

卫永等进行了防火涂料的破损试验研究及防火涂料破损后结构的抗火性能研究, 得到了外荷载作用下防火涂料的破损模式和 [9 10] 防火涂料破损后结构的抗火性能陈素文廖志娟等对防火涂料的力学性能进行了测试, 并进行了板件

3 第 5 期钢构件上防火涂料破损长度的预测 31 图 2 三维有限元粘结正应力 σ 狕犉犻犵.2 犆狅犺犲狉犲狀狋狀狅狉犿犪犾狊狋狉犲狊 σ 狕犻狀 3 犇犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋图 3 三维有限元粘结剪应力 τ 狔狕犉犻犵.3 犆狅犺犲狉犲狀狋狊犺犲犪狉狊狋狉犲狊 τ 狔狕犻狀 3 犇犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋图 4 三维有限元粘结剪应力 τ 狓狕犉犻犵.4 犆狅犺犲狉犲狀狋狊犺犲犪狉狊狋狉犲狊 τ 狓狕犻狀 3 犇犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋个应力沿宽度的分布来看, 粘结正应力的分布与宽度位置有关, 然而正的最大值在端部且受宽度位置的影响不大, 粘结剪应力沿宽度方向没有变化, 从而可以将三维问题简化为二维问题, 可以在分析精度影响不大的前提下简化分析过程在二维分析中, 单元类型为 Shel63, 厚度为单位 1, 钢板长度为 600mm, 厚度为 10 mm, 防火涂料厚度为 20 mm, 拉伸模型的荷载为 2kN, 弯曲模型的荷载为 N mm, 有限元模型如图 1(b) 所示分析得到的粘结正应力和剪应力结果如图 5 所示

4 犆狅犺犲狉犲狀狋狊犺犲犪狉狊狋狉犲狊 τ 狓狕犻狀 3 犇犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋个应力沿宽度的分布来看, 粘结正应力的分布与宽度位置有关, 然而正的最大值在端部且受宽度位置的影响不大, 粘结剪应力沿宽度方向没

4 32 建筑钢结构进展第 15 卷图 5 二维有限元粘结应力分析结果犉犻犵.5 2 犇犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犪狀犪犾狔狊犻狊狉犲狊狌犾狋狊狅犳犮狅犺犲狉犲狀狋狊狋狉犲狊从图 5 可以看出, 分别在拉伸和弯曲作用下, 二维有限元的分析结果与三维有限元的分析结果完全一致, 即粘结正应力分布沿长度方向为对称分布, 粘结剪应力沿长度方向为反对称分布, 在端部粘结正应力和剪应力均为最大值, 中间部分的层间应力很小 3 理论验证为了验证有限元分析层间应力结果的正确性, 采用文献 [12] 的弹性理论方法分析了拉伸和弯曲作用下层间正应力和剪应力, 分析模型的参数与二维有限元分析相同有限元分析结果与弹性理论方法的对比如图 6 所示图 6 有限元与弹性理论方法的对比犉犻犵.6 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狉犲狊狌犾狋狊犫犲狋狑犲犲狀犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犪狀犱犲犾犪狊狋犻犮狋犺犲狅狉狔犿犲狋犺狅犱从图 6 的对比结果可以看出, 两种不同的方法吻合较好, 从而验证了有限元分析结果的可靠性需要指出的是, 在实际的建筑结构构件中, 很少有构件仅受拉伸或弯曲作用, 而是受拉伸和弯曲以及剪切的联合作用文献 [12] 的弹性理论方法仅仅适用了拉压构件或纯弯构件所以本文后面提出的破损长度预测方法中得到的层间应力采用有限元分析结果而未采用弹性理论结果既然采用弹性理论方法验证了有限元方法在分析拉伸和弯曲构件层间应力的正确性, 就可以采用有限元对各种受力形式下防火涂料与钢构件之间的层间应力进行分析 4 破坏准则从文献 [1] 的防火涂料破损试验现象可以得知, 防火涂料的破坏主要为拉伸断裂, 和压缩溃散以及局部脱落和剥离拉伸断裂和压缩溃散的界定和判断可以根据拉压应力的大小与拉压强度的相对关系来确定本文主要分析防火涂料从钢构件表面的剥离和脱落问题根据复合材料破损准则可以得知, 复合材料的层间剥离主要取决于层间应力的大小根据层间应力判定复合材料层间剥离的准则常用的有两个, 即最大强度准则和形状改变比能准则最大强度准则是粘结正应力或粘结剪应力只要达到粘结强度即发生层间剥离该准则的表达式为 : σ σ 犮或 τ τ 犮 (1) 式中 :σ 与 τ 分别为层间正应力与层间剪应力,σ 犮与 τ 犮分别为正应力和剪应力粘结强度形状改变比能准则认为形状改变比能是引起复合材料界面破坏的主要因素, 不论界面在任何应力状态下因此, 在复杂应力状态下, 只要形状改变比能达到简单拉伸或剪切状态下的形状改变比能, 界面就发生破坏 [13] Owen 等在 1983 年提出了用于预测双向玻璃增强塑

长度方向为对称分布, 粘结剪应力沿长度方向为反对称分布, 在端部粘结正应力和剪应力均为最大值, 中间部分的层间应力很小 3 理论验证为了验证有限元分析层间应力结果的正确性, 采用文献 [12] 的弹性理论方法分析了拉伸和弯

5 第 5 期钢构件上防火涂料破损长度的预测 33 料的界面破坏的形状改变比能破坏准则, 对于各向同性的复合材料界面, 可简化为 : 2 2 槡 ( σ/σ 犮 ) + ( τ/τ 犮 ) 1 (2) 5 破损长度预测方法根据防火涂料与钢构件之间的层间应力和复合材料界面的破坏准则, 本文提出钢构件上防火涂料在外力作用下的破损长度计算方法, 该方法的步骤如下 :(1) 建立构件和防火涂料的有限元模型, 施加荷载, 计算得到防火涂料与钢构件之间的最大层间正应力和剪应力 ;(2) 采用界面破坏准则判定在端部最大粘结处是否会发生破坏, 如果达到破坏, 则杀死端部的防火涂料单元, 继续进行最大层间正应力和剪应力的分析, 直至最大的粘结应力达不到破坏准则 ;(3) 累积所有杀死的单元长度即为在该荷载下防火涂料的破损长度为了进一步说明该方法的应用过程, 通过一个算例分析两种不同的破坏准则下防火涂料的破损长度算例中, 采用的钢构件为一个长度为 1200 mm, 宽度为 100 mm, 厚度为 10mm 的板件, 防火涂料涂于板件的两个表面, 长度为 1000mm, 宽度为 100mm, 厚度为 20mm 分析中采用的钢材和防火涂料的力学性能参数见本文第 1 部分分析受力工况为弯曲和剪切的联合作用, 构件两端部施加的剪力为犙 =560 N, 弯矩为犕 = N mm, 钢板划分为 120 个壳单元当不考虑防火涂料的破损时, 即认为粘结强度足够大, 分析得到的层间应力的分布如图 7(a) 所示引入最大强度破坏准则可知, 端部的最大正应力达到了正应力粘结强度 0.04 MPa, 因而端部的防火涂料会发生破损, 随着防火涂料的破损, 端部的粘结应力降低, 当防火涂料的破损长度达到 353mm 时, 发现粘结正应力降低至粘结强度, 即破损停止破损停止时的层间应力分布和应力云图如图 7(b) 所示图 7 根据最大强度准则预测的破损长度犉犻犵.7 犇犪犿犪犵犲犾犲狀犵狋犺狆狉犲犱犻犮狋犻狅狀犫犪狊犲犱狅狀犿犪狓犻犿狌犿狊狋狉犲狊犮狉犻狋犲狉犻狅狀根据形状改变比能破损准则, 当不考虑防火涂料的破损时, 分析得到的式 (2) 左边数值的分布如图 8(a) 所示引入形状改变比能破损准则可知, 由式 (2) 左边计算得到端部的数值达到 3.5, 远超过允许值 1, 因而端部的防火涂料会发生破损, 随着防火涂料的破损, 式 (2) 左边数值降低, 当防火涂料的破损长度达到 357 mm 时, 发现式 (2) 左边数值降低为 1, 即破损停止破损停止时的式 (2) 左边数值和应力云图如图 8(b) 所示采用两种破损准则得到的破损长度分别为 353 mm 和 357mm, 差别很小原因是防火涂料的正应力粘结强度 0.04 MPa 低于粘结剪应力强度 0.07 MPa, 而分析得到的粘结剪应力数值远小于粘结正应力, 因而式 (2) 左边的第 2 项数值远小于第 1 项数值, 从而可以近似等效为最大正应力强度理论 6 参数分析为了考察影响防火涂料破损的关键参数, 对构件的荷载比以及防护涂料的厚度这两个参数进行了分析, 得到了防火涂料的破损长度与它们的关系荷载比定义为构件上所受的荷载大小与构件达到屈服应力时所能承受的荷载的比值 6.1 荷载比取一个两侧涂有防火涂料的单位宽度的 Q235 钢板, 长度为 600 mm, 厚度为 10 mm, 防火涂料的厚度为 20 mm 计算得到该板受弯屈服时的极限弯矩为 4417 N mm 在不同的荷载比情况下, 按照前面提出的方法得到防火涂料的破损长度, 如图 9 所示从图 9 可以看出, 当荷载比小于 0.13 时, 防火涂料不发生破损, 然后

界面破坏准则判定在端部最大粘结处是否会发生破坏, 如果达到破坏, 则杀死端部的防火涂料单元, 继续进行最大层间正应力和剪应力的分析, 直至最大的粘结应力达不到破坏准则 ;(3) 累积所有杀死的单元长度即为在该荷载下防火

6 34 建筑钢结构进展第 15 卷图 8 根据形状改变比能强度准则预测的破损长度犉犻犵.8 犇犪犿犪犵犲犾犲狀犵狋犺狆狉犲犱犻犮狋犻狅狀犫犪狊犲犱狅狀犱犻狊狋狅狉狋犻狅狀犲狀犲狉犵狔犮狉犻狋犲狉犻狅狀随着荷载比的增加, 防火涂料的破损长度急剧增加, 当荷载比增加到 0.4 后, 防火涂料的破损长度继续增加, 但增加的速率下降图 10 防火涂料厚度对破损长度的影响犉犻犵.10 犈犳犲犮狋狅犳犮狅犪狋犻狀犵狋犺犻犮犽狀犲狊狅狀犱犪犿犪犵犲犾犲狀犵狋犺狅犳犳犻狉犲狆狉狅狅犳犮狅犪狋犻狀犵图 9 构件荷载比对防火涂料破损长度的影响犉犻犵.9 犈犳犲犮狋狅犳犾狅犪犱狉犪狋犻狅狅狀犱犪犿犪犵犲犾犲狀犵狋犺狅犳犻狉犲狆狉狅犳犮狅犪狋犻狀犵需要说明的是, 实际建筑结构中, 防火涂料是在建筑结构已经建造好后喷涂的, 所以, 喷涂防火涂料前构件上的内力并不引起构件与防火涂料间的层间应力, 而是喷涂防火涂料之后构件受到活荷载和冲击荷载等的作用, 才引起层间应力, 所以, 参数分析中构件的荷载比并不是构件实际的荷载比, 而是活荷载或冲击荷载等引起的荷载比 6.2 防火涂料厚度取一个两侧涂有防火涂料的单位宽度的 Q235 钢板, 长度为 600mm, 厚度为 10mm, 荷载比为 0.5 计算防火涂料厚度从 5mm 至 30 mm 之间的防火涂料破损长度, 计算结果如图 10 所示从图 10 可以看出, 防火涂料厚度较小时无破损产生, 随着厚度的增加, 破损长度增加可见, 在同样的荷载比下, 防火涂料的厚度越大, 层间应力越大, 防火涂料越容易破损 7 结论本文采用有限元分析得到了防火涂料与钢构件之间的层间应力, 并采用弹性理论方法进行了验证, 结合防火涂料的力学性能以及防火涂料与钢构件之间的粘结性能, 提出了防火涂料破损长度预测的方法, 并对影响破损长度的参数进行了分析, 通过研究, 对国内常用的厚型防火涂料, 可以得到以下几个结论 : (1) 二维有限元可以准确地预测防火涂料与钢构件表面间的层间应力 (2) 最大强度准则和形状改变比能准则得到的防火涂料破损长度差别很小 (3) 荷载比和防火涂料厚度对防火涂料的破损长度影响较大, 当荷载比大于 0.4 时, 破损长度增加变得不明显 ; 而同样的荷载比情况下, 防火涂料越厚, 破损长度越长参考文献 : [1] 王永昌. 钢结构在火灾中的工作性能以及对今后试验研究的建议 [J]. 建筑钢结构进展,2003,5(2):9 16 ( 下转第 40 页 )

4 后, 防火涂料的破损长度继续增加, 但增加的速率下降图 10 防火涂料厚度对破损长度的影响犉犻犵.

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抗战时期国民政府的银行监理体制探析 % # % % % ) % % # # + #, ) +, % % % % % % % % 抗战时期国民政府的银行监理体制探析王红曼抗战时期国民政府为适应战时经济金融的需要实行由财政部四联总处中央银行等多家机构先后共同参与的多元化银行监理体制对战时状态下的银行发展与经营安全进行了大规模的设计与

30 建 筑 钢 结 构 进 展 第 15 卷 构 构 件 上 得 到 了 广 泛 的 应 用 然 而, 厚 型 防 火 涂 料 是 一 种 非 常 脆 的 材 料, 且 与 构 件 的 粘 结 强 度 较 低, 从 而 在 外 力 作 用 下 很 容 易 破 损 和 脱 落, 进 而 影 响 防

30 建筑钢结构进展第 15 卷构构件上得到了广泛的应用然而, 厚型防火涂料是一种非常脆的材料, 且与构件的粘结强度较低, 从而在外力作用下很容易破损和脱落, 进而影响防