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

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 400045;2. 同 济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国 家 重 点 实 验 室, 上 海 200092; 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 :1671-9379(2013)05-0029-06 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 :2013-01-05; 收 到 修 改 稿 日 期 :2013-06-05 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 (51008320) 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

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 6.67 10 5 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 32.43 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 2.06 10 5 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

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 3.33 10 3 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

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

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 =3.36 10 5 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

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 )