钢构件截面系数与防火涂料耐火性能的关系

钢构件截面系数与防火涂料耐火性能的关系

孟　志, 程道彬

(公安部四川消防研究所, 四川都江堰611830)

　　摘　要:试验研究荷载、防火涂料涂层厚度对承重梁

、非承重梁、非承重柱钢构件的耐火性能的影响。试验温度到达700℃时终止。承重梁跨中挠度在400℃前变化速率增长较慢, 屈服强度基本无变化; 钢构件温度变化分两个阶段, 温度增长速度先快后慢。试验时间相同时, 的增大而增大; 钢构件类型用途相同时, 与钢构件的截面系数成反比。

关键词:; 中图分类号:X 913. 545:A

文章编号:1009-0029(2009) 12-0927-05

H 型钢H 型钢H 型钢H 型钢H 型钢H 型钢H 型钢H 型钢

基材截面系数的计算对于梁为三面保护, 对于柱为四面保护, 1所示。

[1**********]

m

[1**********]

mm

200×500×8×12200×300×6×8250×400×10×12200×500×8×12200×300×6×8250×400×10×12350×450×8×14250×450×8×12300×400×8×16

截面系数 m -[***********][**************]

1

用途承重梁承重梁承重梁非承重梁非承重梁非承重梁非承重柱非承重柱非承重柱非承重柱非承重柱

(GB 14907目前, 在国家标准《钢结构防火涂料》

-2002) 中, 对防火涂料的耐火性能试验只要求针对一种试验基材(如I 36b 或I 40b 工字钢梁) 进行试验, 并把

试验结果(涂层厚度和耐火时间) 作为其耐火性能的体现。然而, 在实际工程应用中, 钢构件的类型有很多, 如工字钢、圆钢、方钢等, 并且各类钢构件的截面H 型钢、

系数(钢构件被保护区域的截面周长与面积之比) 并不完全一致。在钢结构防火涂料的实际应用领域里

, 对于不同于I 36b (I 40b ) 工字钢或具有不同截面系数的其他类型钢构件, 设计单位和施工单位通常依据所需耐火时间直接按试验结果提供的信息或通过比例换算来确定防火涂层的厚度。钢结构防火涂料的这种应用模式势必带来消防安全隐患。

针对以上问题, 对钢结构防火涂料进行耐火性能试验, 研究钢构件截面系数与防火涂料耐火性能之间的关系。1　试验部分1. 1　样　品

按照现行标准《钢结构防火涂料》对产品的分类方式, 笔者选择了超薄型钢结构防火涂料作为试验样品, 并且为保证样品的一致性, 所选样品均为同一生产企业同一时段所生产的产品。1. 2　试验基材

在实际钢结构建筑工程中, 由于所使用的钢构件类型及截面尺寸较多, 为使试验研究具有代表性, 笔者通过调研选择了其中一些常用的钢构件作为试验基材(见表1) , 并且对基材进行了喷砂除锈及防锈处理, 对于非承重梁及非承重柱还对其端头进行了封头处理。

消防科学与技术2009年12月第28卷第12期

圆钢圆钢

Υ219×5Υ110×3

对于H 型钢梁:截面系数=(3b +2h -2t ) [t 1(h -t 2) +2bt 2]对于H 型钢柱:截面系数=(4b +2h -2t ) [t 1(h -t 2) +2bt 2]对于圆钢柱:截面系数:4D [(D +d ) (D -d ) ]

图1　基材保护方式及截面系数的计算方法

1. 3　基材上热电偶的设置

为测量试验过程中试验基材的温度, 样品施工前在基材上设置一些热电偶, 具体设置方式及数量如下。

(1) 承重梁:沿长度方向5个截面, 即受火长度的1 4、3 8、1 2、5 8、3 4位置, 每个截面位置设5支热电

偶, 翼缘4支、腹板1支, 且腹板上的热电偶应在腹板两侧交替设置; 另外在梁下翼缘的上表面附加6支热电偶, 即5个截面中间各1支、最外侧截面与受火末端中

927

间各1支。

(2) 非承重梁:沿长度方向两个截面, 即长度的1 3、2 3位置, 每个截面位置设6支热电偶, 翼缘4支、腹板2支。

(3) 非承重柱:沿高度方向两个截面, 即高度的1 2位置和从柱的顶部向下200mm 位置, 对于H 型钢每个截面位置设5支热电偶, 翼缘4支、腹板1支, 且腹板上的热电偶应在腹板两侧交替设置; 对于圆钢每个截面位置设4支热电偶, 均匀分布在截面圆周上。1. 4　样品施工及养护

, 后将试件置于温度为5～环境中养护, 1. 5　试验程序

样品养护到期后, 首先对防火涂料的涂层厚度进行测量, 测量点位于试件的受火区域, 其中:承重梁共13个截面, 每个截面8个测量点; 非承重梁共2个截面, 每个截面8个测量点; 非承重柱共2个截面, H 型钢每个截面10个测量点, 对于圆钢每个截面8个测量点。防火涂料的涂层厚度取所有测量点的平均值。

涂层厚度测量完毕后, 按《钢结构防火涂料》中规定的试验条件(炉内升温及压力条件) 对试件进行耐火性能试验。对于承重梁, 试验过程中应进行加载, 具体加载量见表2; 为防止承重梁在试验过程中垮塌, 保证试件温度的正常测量, 当承重梁的跨中挠度达到L 30(L 为支点间距) 时将外加荷载移除。对于非承重梁或非承重柱, 安装时将试件吊装于砼板之下; 为使各个试件的试验条件尽可能保持一致, 同种用途的试验基材同时进行试验。当试验基材的平均温度均达到700℃时即可终止。

表2　承重梁实际加载量

截面尺寸 mm

200×500×8×12200×300×6×8250×400×10×12

的跨中挠度变化速率增长较慢; 在试验后期阶段, 其变

化速率增长较快, 二者之间基本呈抛物线关系。这一现象可采用钢材屈服强度与其温度之间变化关系的理论给以科学的解释, 即:钢材温度在400℃以下时, 其屈服强度基本没有变化; 当温度超过400℃时, 其屈服强度呈加速变化状态。从图2还可以看出, 跨中挠度(大于60mm ) 相同时, 。

表3:2. :2mm 涂层厚度:2. 37mm

-1

m -1截面系数:242m -1:157跨中挠度时间跨中挠度

mm m in mm m in mm

[***********][***********]600650700

3. 06. 211. 020. 635. 246. 253. 358. 563. 267. 7

6. 59. 612. 313. 821. 430. 442. 360. 593. 2187. 7

2. 55. 29. 616. 827. 938. 045. 851. 856. 457. 9

7. 19. 010. 511. 714. 918. 323. 331. 545. 6187. 7

2. 24. 58. 114. 624. 932. 638. 542. 948. 6

2. 76. 211. 514. 722. 836. 258. 291. 6183. 7

50. 751. 452. 456. 761. 666. 3

187. 7

69. 470. 274. 279. 684. 8

注:截面系数为184m -1的试件, 当其跨中挠度达187. 7mm 时已出

现垮塌迹象, 因而提前结束了试验; 截面系数为242m -1的试件, 当试验持续至49m in 时试件产生了侧移, 跨中挠度变化速率突然变缓, 因而该试件最后一点数据在分析时应作剔除处理

表4　防火涂料非承重梁试验数据

基材平均温度 ℃

[***********][***********]650700

涂层厚度:2. 28mm 涂层厚度:2. 27mm 涂层厚度:2. 26mm 截面系数:157m -时间 m in

2. 45. 29. 515. 323. 532. 340. 648. 255. 059. 961. 467. 573. 579. 5

1

截面系数:184m -时间 m in

2. 24. 78. 714. 623. 031. 639. 245. 651. 555. 656. 861. 665. 769. 3

1

截面系数:242m -时间 m in

2. 14. 47. 711. 918. 226. 534. 441. 147. 051. 152. 357. 462. 367. 3

1

砼板自身钢梁自身

设计荷载支点间距实际加载

荷载荷载

量 kN m m kN

kN m kN m

38. 614. 944. 3

1. 861. 861. 86

0. 660. 380. 75

5. 635. 63

5. 63

203. 171. 3234. 7

2　试验数据及分析2. 1　试验数据

笔者对11个试件进行了耐火性能试验, 试验数据

经汇总后见表3～表5。2. 2　数据分析

将表3～表5数据绘以曲线, 见图2～图6。

从图2可以看出, 在试验前期阶段, 承重H 型钢梁928

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表5　防火涂料非承重柱试验数据

基材平均温度

℃

[***********]600涂层厚度:2. 19mm 截面系数:158m -1

时间 m in

2. 35. 19. 464. 569. 170. 676. 5涂层厚度:2. 27mm 截面系数:173m -1

时间 m in

2. 04. 48. 161. 465. 0. 1涂层厚度:2. 24mm

截面系数:200

m -1

时间 m in

1. 84. 38. 2. 63. 2涂层厚度:1. 90

mm 截面系数:205m -1

时间 m in

1. 52. 95. 5. 50. 151. 154. 7涂层厚度:1. 96mm 截面系数:343m -1

时间 m in

1. 22. 34. 126. 728. 629. 131. 5图2　防火涂料保护的承重H 型钢梁基材跨中挠度-时间曲线

从图3～图6可以看出, 对于承重H 型钢梁、非承重H 型钢梁、非承重H 型钢柱及非承重圆钢柱, 其温度变化情况均可按某一时间点分为两段, 在这一时间点以前, 试验基材的温度与时间基本呈抛物线关系, 增长速度较快; 这一时间点以后, 试验基材温度与时间基本呈线性关系, 增长速度变慢。这一现象可能是由以下两种原因造成:其一是试验前期阶段炉内温度上升较快, 后期增长速度变缓; 其二是超薄型防火涂料受热以后其涂层会产生发泡现象, 导热系数也会随之产生变化, 当涂层发泡完全后, 其导热系数便会趋于稳定。从图3～图6还可以看出, 试验时间相同时, 试验基材的温度会随着截面系数的增大而增大。

图3　承重H 型钢梁基材温度-时间曲线

消防科学与技术2009年12月第28卷第12期

　　从以上分析可以确定, 在试验过程中, 钢构件的温度或跨中挠度的变化情况与其截面系数有关。为找出

929

它们之间的变化关系, 按《建筑构件防火喷涂材料性能

(GA 110-1995) 和实验方法》《钢结构防火涂料》确定的防火涂料耐火极限标准(平均温度达538℃, 跨中挠

度达

L 20) 将试验数据作进一步分析。对于非承重梁及柱, 其结果见表6。

表6　钢构件截面系数与防火涂料耐火性能对应关系基材类型

截面系数 m -[1**********]8

1

定的超薄型防火涂料的厚度偏差为0. 2mm , 因而可视

为同种类型的试验基材上涂层厚度相同。将表6和表7中的数据作图, 详见图7和图8所示。

表7　钢构件截面系数与防火涂料耐火性能对应关系基材类型

截面系数涂层厚度 m -157184242

1

耐火极限耐火极限(基材

mm

2. 302. 29(跨中挠度) m in 平均温度) m in

71. 4. 9. 6

69. 459. 351. 4

涂层厚度 mm

2. 282. 272. 262. 192. 241. 901. 96

耐火极限

(基材平均温度) m

in

59. 955. 651. 1157. 750. 128. 6

承重H 型钢梁

非承重H 型钢梁

非承重H 型钢柱173非承重圆钢柱

205343

　　对于承重梁, 由于试验结束时其跨中挠度只达到了L 30, 因而需对试验数据作一定的外延拓展。为了得到对应于跨中挠度为L 20时的试验时间, 笔者对试验数据作了回归分析。

从图2可以看出, 截面系数为242m -1和157m -1

的试件, 其最后几点数据呈现出较好的抛物线关系, 即

可设定如式(1) 数据关系:

S =a t +bt +c

2

(1)

式中:S 为跨中挠度; t 为试验时间; a 、b 、c 为系数。

设X 1=t 2、X 2=t , 则(1) 式可转化为式(2) :

S =aX 1+bX 2+c

(2)

从(2) 式可以看出, S 与X 1和X 2呈线性关系, 由此可采用最后几点数据进行二元线性回归, 以此解出

a 、b 、c 三个系数。

　　从图7和图8可知, 防火涂料在其涂层厚度及所涂覆的钢构件类型用途相同的前提下, 耐火极限与钢构

件的截面系数成反比, 即防火涂料的耐火极限随着钢构件截面系数的增大而减小。从图8还可以看出, 防火涂料在其涂层厚度及所涂覆的钢构件截面系数相同的前提下, 钢构件类型用途不同其耐火极限也不相同。3　结　论

从图2及图3可以看出, 截面系数为184m -1的试件, 其最后几点数据呈现出较好的直线关系, 即可设定如式(3) 、式(4) 数据关系:

S =a t +c T =a t +c

(3) (4)

式中:T 为基材温度。

从式(3) 、式(4) 可以看出, S 和T 与t 呈线性关系, 由此可采用最后几点数据进行一元线性回归, 以此解出a 、c 二个系数。

采用数据回归分析后, 求出承重梁上涂覆的防火涂料耐火性能数据见表7。

从表6和表7中数据可以看出, 对于同种类型的试验基材, 其涂覆的超薄型防火涂料的涂层厚度相差甚少, 最大偏差仅为0. 08mm , 而《钢结构防火涂料》中规930

通过试验及研究分析, 笔者认为防火涂料的耐火

性能不仅与其涂层厚度有关, 而且还与其所涂覆的钢构件类型用途和截面系数有关。在相同涂层厚度下, 防火涂料的耐火极限与钢构件(类型用途相同) 截面系数成反比, 因此仅针对特定截面系数及特定类型用途的钢构件所试验的结果不能适用于其他类型用途及截面系数的钢构件, 根据所需耐火时间直接按试验结果所提供的信息或通过比例换算来确定防火涂层厚度的方

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中国消防协会消防设备专业委员会2009年年会暨学术交流会召开

中国消防协会消防设备专业委员会2009年年会暨学术交流会于2009年10月23日至24日在江西省上饶市召开。中国消防协会郑玉海副会长、江西省公安消防总队吴松荣政委、出席了会议。来自7省市公安消防总队、3151位委员和嘉宾参加了本次会议。

。郑玉海副会长代表中国消防, 并就消防设备专业委员会今后的工、张鸿星副市长分别代表江西省公安消防总队和江西省上饶市政府发表了热情洋溢的致词。公安部上海消防研究所副所长、消防设备专业委员会主任闵永林同志作了“中国消防协会消防设备专业委员会2009年度工作报告”。会上还宣读了优秀学术论文获奖名单并向获奖人员代表颁发了证书。公安部上海消防研究所副所长、消防设备专业委员会副主任兼秘书处主任薛林同志主持了“学术专题报告”和“消防新产品和新技术介绍”交流会。

法也有待商榷。

为此, 笔者建议在表述防火涂料的耐火性能时, 应包括其所涂覆的钢构件截面系数及钢构件类型用途。并且从防火安全的角度将截面系数进行限定, 如:某型钢结构防火涂料在涂层厚度为a 时, 当其所保护的H 型(I 型、圆型、方型等) 承重(非承重) 钢梁(柱) 的截面系数不大于b 时, 其耐火极限能够达到c 。

参考文献:

[1]GB T 9978-1999, 建筑构件耐火试验方法[S]. [2]GB 14907-2002, 钢结构防火涂料[S].

[3]盛骤, 谢式千, 潘承毅. 概率论与数理统计[M]. 北京:高等教育出版

M EN G Zh i , CH EN G D ao 2b in

　　(Sichuan F ire R esearch In stitu te of M PS , Sichuan

D u jiangyan 611830, Ch ina )

Abstract :Effect of fire resistan t perfo rm ance by load and fire -p roof coating ’s th ickness w as researched u sed steel of spandrel girder ,

nonbearing girder and nonbearing co lum n .

spandrel girder

raised

slow ly befo re

T he the

temperatu re is below 700℃.

T he change rate of m id 2span deflecti on of

temperatu re ascend to 400℃.

T he yield strength did no t

change al mo st . T he temperatu re of steel changed fast at the beginn ing and changed slow ly after . T he steel w ith b ig secti on modu lu s go t h igh temperatu re in sam e experi m en t ti m e . T he fire resistance perfo rm ance of fire 2p roof coating is better w hen the secti on modu lu s of steel is s m all if the steel is in sam e u se . Key words :fire 2p roof coating ; du rati on of fire resistance ; secti on modu lu s

社, 1989.

[4]杨燕杰, 贾伟华, 王同喜. 建筑工程防火涂料施工检测验收分析

[J ]. 消防科学与技术, 2008, 27(12) :934-936.

[5]蔡建坤, 郑毅芳, 瞿波, 等. 复合粘接材料对钢结构防火涂料性能的

影响[J ]. 消防科学与技术, 2008, 27(9) :671-674.

[6]张泽江. 钢结构防火涂料膨胀性能的研究[J ]. 消防科学与技术,

2008, 27(1) :55-57.

[7]覃文清, 李风. 超薄膨胀型钢结构防火涂料防腐性能的研究[J ]. 消

防科学与技术, 2007, 26(5) :503-506.

作者简介:孟　志(1977-) , 男, 四川都江堰人, 公安部四川消防研究所助理研究员, 硕士, 主要从事消防产品检测方面的研究工作, 四川省都江堰市学府路, 611830。

Rela tion between section m odulus of steel and f ire resistance performance

of f ire -proof coa ti ng

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收稿日期:2009-07-31

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