中国龙崛起后,我国社会主义经济蓬勃发展,建筑行业的发展方向成为国民经济的指向标,与国家经济命脉紧密相连。钢结构的普及性会显著提升。大家都知道,钢结构的优点很显著,比如自重较轻、施工简便、刚度大等。但是,钢结构在火灾作用下,随着温度不断升高。钢材的弹性模量逐渐变小,钢材在高温环境下会出现软化现象。因为钢材的热传导系数较大,所以钢结构发生的破坏模式大多为脆性断裂破坏。提高钢结构的抗火性能对于以后钢结构的发展意义重大,接下来将阐述防火涂料对钢结构耐火极限的影响。

巴西圣保罗市中心24层公寓火灾

巴黎圣母院火灾
1980 年之后,我国开始运用防火涂料。各式各样的防火涂料进入市场,其中有膨胀型的、非膨胀性的,还有厚涂的、薄涂的等。这些防火涂料在建筑过程中被广泛使用。在施工期间,施工厚度每次约为 0.2mm钢材耐火极限,一直施工到施工图层的平均厚度达到 2.0mm。防火涂料的质量大多由脱水催化剂、成碳剂、发泡剂、功能填料和树脂基料来决定。我国研究人员发现,钛白粉能够提升膨胀碳层的残余质量,并且可以增强碳层的热稳定性能。有一幅图,它是两榀钢管混凝土 - 型钢梁框架在遭受火灾前后的对比图。


未刷防火涂料



刷有防火涂料
试验结果表明,未刷防火涂料的钢管混凝土框架的耐火极限大概是 50 分钟。同时,刷有防火涂料的钢管混凝土框架的耐火极限大约是 150 分钟。由此可见,防火涂料对钢结构的耐火极限提升有着显著的影响。
传统的钢结构设计一般包含两个主要部分的验算。其一为承载能力极限状态的验算,其二为正常使用极限状态的验算。结构防火设计的最大特点在于,除了要考虑恒载、活载、风荷载等这些荷载之外,还需要考虑因火灾而引起的高温环境所产生的影响,这种影响通常被称为火灾作用。钢材的力学性能通常会随着温度的升高而减弱。结构或构件耐火承载力极限状态,指的是在火灾导致的高温环境中,受力的结构构件达到无法承受外部作用或者不适宜继续承载变形的状态。结构或构件从受火开始时刻到达到耐火承载力极限状态所持续的时间,被定义为耐火极限。
下图展示了受火时间分别为 20 分钟和 100 分钟时的情况。在这两种受火时间下,梁柱截面有温度云图。

梁跨中截面温度云图(20min)

梁跨中截面温度云图()

柱中部截面温度云图(20min)

柱中部截面温度云图()
本次升温采用 ISO-834 国际标准升温曲线。受火时间在 0 到 15 分钟期间,温度升高的速率较为显著。受火时间达到 30 分钟之后,其升温速率明显降低。
通过试验小编发现
梁、柱截面的温度场分布是由内向外递增的。内外有明显的温度梯度,中心处的温度比外侧温度低。防火涂料的隔热效果很显著,它能很好地延长构件外侧与内部结构进行热传递的时间,从而大大增强了整体框架在火灾作用下的耐火极限。
钢管混凝土与型钢梁组成的框架,在梁柱节点处使用螺栓进行连接。其破坏形态主要有梁破坏、柱破坏以及梁柱混合破坏这几种情况。当处于火灾作用下,当达到其耐火极限时钢材耐火极限,通常会发生面外屈曲现象,进而致使结构出现整体失稳的情况。


