钢管混凝土结构防火涂料厚度研究

天津大学网络教育学院专科毕业论文钢管混凝土结构防火涂料厚度研究摘要：为了得到火灾中耐火钢-钢管混凝土柱的防火性能，分析特定耐火极限下耐火钢-钢管混凝土柱所需的防火保护层厚度。采用厚涂型钢结构防火涂料、水泥砂浆作为耐火钢圆钢管混凝土柱防火保护层，蒸压加气混凝土板、水泥砂浆作为耐火钢方钢管混凝土柱防火保护层。变化混凝土强度、含钢率、荷载偏心率、钢管尺寸、耐火极限、长细比、钢材强度等参数，利用ANYSY有限元软件分析圆柱、方柱在火灾升温曲线下的温度场。采用数值计算方法求解圆柱、方柱满足特定耐火极限要求时所需的防火保护层厚度，提出3种保护层厚度的实用计算公式。由拟合公式得到的计算结果与理论计算结果的误差较小，可为有关工程的抗火设计提供参考。与普通钢管混凝土柱相比，耐火钢-钢管混凝土柱所需的防火保护层厚度明显较小，约为普通柱所需厚度的1/3〜1/2,可节省建筑使用空间。关键词：耐火钢；钢管混凝土柱；耐火极限；涂料厚度StudyonthethicknessoffireproofcoatingsforconcretefilledsteeltubularstructuresAbstract：Inordertoobtainthefireresistanceofrefractorysteel-cfstcolumnsinfire,thethicknessoffireproofprotectivelayerrequiredforrefractorysteel-CFSTcolumnsunderspecificrefractorylimitsisanalyzed.Athickcoatedsteelstructurefireproofcoatingandcementmortarareusedasfireproofprotectivelayerforrefractorysteelroundcfstcolumns,andautoclavedaeratedconcreteslabandcementmortarareusedasfireproofprotectivelayerforrefractorysteelcfstcolumns.Changingtheparametersofconcretestrength,steelcontent,loadeccentricity,steelpipesize,refractorylimit,longfinenessratioandsteelstrength,thetemperaturefieldofcylindricalandFangunderfireheatingcurveisanalyzedbyanysyfiniteelementsoftware.NumericalcalculationmethodisusedtosolvethethicknessoffireprotectionlayerrequiredforcylindricalandFangtomeettherequirementsofspecificrefractorylimit,andapracticalformulaforcalculatingthethicknessof3kindsofprotectivelayerisputforward.Thecalculationresultsobtainedfromthefittingformulaarelesserrorwiththetheoreticalcalculationresults,whichcanprovidereferenceforthefireresistancedesignoftheproject.Comparedwithordinarycfstcolumns,thethicknessoffireproofprotectivelayerrequiredforrefractorysteel-CFSTcolumnsisobviouslysmall,whichisabout1/3〜1/2ofthethicknessrequiredforordinarycolumns,whichcansavethespaceofbuildinguse.Keywords：refractorysteel;cfstcolumn;refractorylimit;coatingthickness目录前言 钢管混凝土结构防火涂料厚度研究前言钢管混凝土结构已在钢管混凝土拱桥和房屋建筑结构中得到广泛应用，其主要优势在于钢管和混凝土2种材料在受力过程中会产生相互作用。杨有福等对钢管混凝土柱防火保护层计算方法进行了研究。结果表明：作用在钢管混凝土柱上的荷载对其耐火极限及防火保护层厚度影响很大，提出了考虑火灾荷载比影响的钢管混凝土柱防火保护层厚度的实用计算方法，数值分析得到的结果、对数值结果拟合后的计算公式结果均与实验结果基本吻合。吕学涛等对单面、相对两面、三面及四面火灾作用下方钢管混凝土柱截面的典型温度场及其分布规律进行分析，研究方钢管混凝土柱轴向/侧向变形-时间关系曲线，得到不同受火条件对方钢管混凝土柱抗火性能的影响规律。刘振宇等应用有限元方法，分析了火灾作用下钢管混凝土柱截面温度变化与脱黏之间的关系。研究表明：火灾作用下钢管混凝土柱易发生脱黏，脱黏主要取决于防火涂层厚度和火灾作用时间。韩金生等对没有防火保护的配筋钢管混凝土柱的抗火性能进行研究得到截面温度场、变形和耐火极限，且实验结果表明配筋可以显著提高钢管混凝土柱的耐火极限。韩林海等通过采用仅取跨中截面建立平衡方程的方法求解柱的耐火极限和承载力，计算结果与实验结果吻合较好。1建筑钢结构的防火涂料分类防火涂料由于其使用场合和适用对象不同，可以将其大致分为木结构防火涂料、电线电缆防火涂料、隧道防火涂料以及钢结构防火涂料，其中钢结构防火涂料在整个防火涂料中占用比例最大的，约占使用量的60%左右。我国的钢结构防火涂料相对于一些发达国家研究稍微晚了一些。公安部四川消防科学研究所在国内开创了防火涂料技术的先河，该所的开创性工作带动了国内防火涂料和防火保护的技术发展。从上文可以看出钢结构防火涂料可以按照其用途的不同可以划分成不同种类。如下表1所示，按溶剂的分类方式，我们可以分为溶剂型和水型；按基料的不同，我们可以分为无机类和有机类；按受火状态的不同，我们可以分为非膨胀性和膨胀型防火涂料，按照涂层厚度的不同我们又可以分为超薄型、薄型、厚型。表1建筑钢结构防火涂料的分类及特点分类方式类型基本特征受火状态非膨胀型自身有良好的阻燃隔热性能，密度较小膨胀性遇火迅速膨胀，防火效果好，具有一定的装饰性能涂层厚度厚型（H)涂层厚度8〜45mm，耐火极限0.5〜3h薄型（B)涂层厚度3〜7mm，耐火极限0.5〜1.5h超薄型(CB)涂层厚度小于3mm，耐火极限0.5〜3h无论我们采取哪种防火涂料，我们不仅要根本实际工程的特点选取，还有一些必须达到的基本规定：首先禁止使用苯类等具有挥发性和毒性的防火材料其次在施工过程中我们可以选择尽可能方便地施工工艺，防火涂料在正常的室外环境下能够固化，此外在施工过程中对于底层防火涂料应特别注意，必须做防锈要处理，防火材料尽可能选偏碱性的材料。最后在施工结束后，要保证钢结构防火涂料不被刷掉，室外钢结构雨季要做好防水处理。1.1超薄型建筑钢结构防火涂料超薄型（CB）钢结构防火涂料通常指的是涂层的厚度在3mm以后的防火保护涂料。最早的超薄型（CB）防火涂料是在上世纪90年代由德国科学家率先研发出来的，由于当时用于钢结构的防火涂料都偏向于厚涂型，不仅成本较高，而且影响结构的美观。因此为了研制出更能够满足使用要求的防火涂料，超薄型（CB）防火涂料便应运而生了。超薄型防火涂料的出现很快得到了市场的广泛欢迎，目前，开发性能更加优异产品更加稳定的室外超薄型防火涂料是主要的发展方向。超薄型钢结构防火涂料本质是其在防火高温（火灾）条件下，能够迅速膨胀，再其表面能够形成一道防火隔热的保护层，从而可以有效的降低钢构件的升温速率，满足设计所要求的最低耐火时间，为人员疏散和消防灭火赢得宝贵的时间，避免钢结构构件的进一步破坏。超薄型防火涂料的作用大体分为以下四个过程：（1）平稳阶段：超薄型防火涂料在火灾中的第一个阶段，从耐火试验中可以得出，这一阶段火灾场温度大约在20°C~230°C,这期间随着小分子化合物的损失，剩余后的质量约为原质量的98%。在温度为180°C的时候，成膜的物质会熔融软化带走一部分外部热量，因此在差热分析中会出现一个吸热峰值。（2）发泡炭化阶段：本阶段是超薄型防火涂料在火灾中发挥其主要作用的一个阶段，此时的空气温度会达到420°C左右，防火涂料在高温下首先将分解其中的发泡剂，紧接着由分解出来的氨气与与第一阶段中的成膜物质继续发生化学反应，使熔融软化的成膜物质继续发泡继续发泡，在钢结构表面形成一道泡沫层。与此同时脱水催化剂聚磷酸氨分解成无机酸聚偏磷酸和多元醇成炭剂季戊四醇、成膜物质等含羟基的化合物进行酯化反应，生成了较强的吸水性物质。在此期间，多元酸与酯发生反应，使得钢结构保护层进一步膨胀。经过一系列的化学反应最终形成了蜂窝状炭化层，其厚度大大超过了原有的厚度。从试验中我们可以发现此蜂窝状炭化层的热导率已经接近于空气的热导率，因此可以更为有效的保护钢结构构件不受损坏，阻止热量的传导。（3）失炭阶段：本阶段是超薄型防火涂料发生作用的第三个阶段，此阶段火灾场的温度大约在420°C~770°C,这个阶段防火涂层中的碳会与空气中的氧气继续起反应，并释放出二氧化碳，而且一些炭化层会随着碳的流失，与钢结构间的粘结力渐渐较低，从而脱离钢结构表面。（4）无机层阶段：无基层阶段是最后一个阶段，此阶段温度场达到1000°C左右，在此期间主要起作用的并不是炭化层，而是在第三阶段失去碳之后的白色无机骨架。防火涂料在火场最后阶段，主要就是靠这些无机骨架在起到防火隔热的作用。1.2薄型钢结构建筑防火涂料薄型（B）钢结构防火涂料的厚度一般控制在3~7mm，耐火时间一般在两小时以内，薄型钢结构防火涂料的装饰性比较好，但与超薄型防火涂料相比，稍微差一点。我国最早的薄型（B）钢结构防火涂料时上世纪80年代由四川科研研制出来。薄涂型钢结构防火涂料和超薄型防火涂料按受火状态来区分都属于膨胀性涂料，它的主要成分也是含有成膜剂、发泡剂、成炭剂、辅助剂、添加剂等等。薄涂型防火涂料的结构层常分为底涂、中涂、面涂（装饰层）。在高温（火灾）条件下，防火涂料在吸热后发生膨胀，膨胀后的炭化层厚度比之前未发生膨胀时一般要高出几十倍甚至数百倍，而且膨胀后炭化层的热导率仅仅只有未发生膨胀前涂层本身的热导率的几十分之一，所以有效的阻止了火源热量向钢结构构件传播。1.3厚涂型建筑钢结构防火涂料厚涂型防火涂料是指涂层的厚度一般在8mm~50mm，其耐火时长最高能达到三小时甚至更长。厚涂型防火涂料不同于前两种防火涂料，它主要是一种非膨胀性防火涂料，其本身的耐热性能和隔热性能都非常好，而且具有燃烧时不会产生烟雾，原材料方便取得，施工简单等一系列的优点。厚型防火涂料按其在不同的环境使用下可分为室内型和室外型两种，对于石油化工类建筑以及室外裸露的钢结构建筑都需要使用室外型防火涂料，相反对于一些非室外隐蔽性强的钢结构建筑大多采用的是室内型防火涂料。从燃烧等级区别，有难燃性和不燃性两种。我国在防火涂料的研制过程中，最早开发使用的便是厚涂型钢结构防火涂料，第一代厚涂型钢结构防火涂料即厚涂型LG钢结构防火涂料也是由四川消防科研所率先研制出来的。较早使用的厚涂型防火涂料主要是灰泥状，随着科技的发展，现行的厚涂型防火涂料品种也越来越多，该类防火涂料大多具有低密度，低热导率等特点，能将钢构件耐火极限由0.25h提高到1.5~4匕从而能够有效的延缓钢材的温升达到保护钢材的目的。我们常用的厚涂型防火涂料大多都使用无机材料作为基材，其主要特点是防火性能较好，一般在外界条件下也能保持较高的稳定性，材料的耐久性也得到提升；然而由于厚涂型防火涂料的成分大多是颗粒物组成，这些颗粒物在钢结构表面较为凸出，虽然不影响结构本身，但装饰效果却大大降低了，因此我们常把这类防火涂料应用在结构隐蔽工程中。常用的厚涂型建筑防火涂料有以下几类：矿物棉类防火涂料、珍珠岩系列防火涂料、氯氧镁水泥系列防火涂料、建筑防火涂料等。矿物棉类防火涂料又是较为重要且使用较为广泛的一类防火涂料系列，矿物棉类建筑防火涂料组成成分是矿物纤维防火隔热涂料、粘结材料等。在施工现场大多数采用干法喷涂工艺，即用高压空气把分散后的纤维与粘结材料一起输送至喷口处，然后与分布在喷口周围的高雾化水一起混合，喷射到需要防护的钢结构表面。该涂料具有施工方便、成本低廉、干燥时间短等优点，而且其组成成分中用于隔热的矿物纤维可以提高涂层强度，所以在地震等级较为高的地区常常使用这种防火涂料。目前，国外己广泛使用快干型矿物棉类防火涂料，以日本为例，采用喷涂工艺约占到该国矿物棉产量的一半左右。相对于国外来说，我国这方面还比较落后，但我们可以预计该类厚涂型防火涂料会得到更为广泛的应用。2钢框架在使用不同厚度防火涂料对于结构的影响近几年，建筑业越来越广泛地使用重量轻、强度高、施工方便等独特优点的钢结构，虽然钢结构拥有众多优点，但其较弱的防火性却一直是我们研究的焦点。一般建筑结构在失火时，环境温度很快会达到300°C、500°C甚至是1000°C，此时的温度对钢结构的力学性能影响很大，结构可能在短时间内达到极限状态进而造成结构的破坏。若对钢结构表面加防火涂层来延缓钢结构的温升，则在一定程度上可减轻或避免钢结构在火灾中的破坏。因此，本文以一双层工字钢框架结构为对象，研究不同的防火涂层下，结构在不同温度的失火环境中的力学性能。框架结构考虑了自身自重荷载，以及顶部钢梁承受的60kN/m的竖向均布荷载。为了充分探究防火涂料对结构在失火状态下的力学性能特征的影响，结构受力计算工况划分如下：1) 工况一：钢结构框架无防火涂料时，计算结构在周围火灾达到200°C、300°C、400°C、500°C和600°C时刻，框架梁的最大应力与最小应力和梁跨中最大竖向变形；2) 工况二：钢结构框架涂有超薄型防火涂料1.0mm时，计算结构在周围火灾达到200°C、300°C、400°C、500°C和600°C时刻，框架梁的最大应力与最小应力和梁跨中最大竖向变形；3) 工况三：钢结构框架涂有超薄型防火涂料2.0mm时，计算结构在周围火灾达到200°C、300°C、400°C、500°C和600°C时刻，框架梁的最大应力与最小应力和梁跨中最大竖向变形；在中间框架柱与梁上涂层厚度不变（5mm薄型涂料）的情况下，环境温度达到600C时，随着两边框架柱涂层厚度的增加（由10mm厚型涂层变为40mm厚层），为了研究在同一框架内涂上不同的施加不同的涂层对钢框架产生的影响，结构受力工况按以下所划分：（1）工况一：钢结构中间框架柱涂有薄型防火涂料5.0mm、两边框架柱涂有厚型防火涂料10mm时，计算结构在周围火灾达到200°C、300°C、400°C、500°C和600°C时刻，框架梁的最大应力与最小应力和梁跨中最大竖向变形；（2）工况二：钢结构中间框架柱涂有薄型防火涂料5.0mm、两边框架柱涂有厚型防火涂料20mm时刻，计算结构在周围火灾达到200°C、300°C、400°C、500°C和600°C时，框架梁的最大应力与最小应力和梁跨中最大竖向变形；（3）工况三：钢结构中间框架柱涂有薄型防火涂料5.0mm、两边框架柱涂有厚型防火涂料40mm时刻，计算结构在周围火灾达到200°C、300°C、400°C、500°C和600°C时，框架梁的最大应力与最小应力和梁跨中最大竖向变形。2.1钢框架结构应力云图和竖向位移云图a结构最大正应力云图b结构最小正应力云图c结构竖向挠度云图图1工况一有限元结果云图a)结构最大正应力云图b)结构最小正应力云图c)结构竖向挠度云图图2工况二有限元结果云图a)结构最大正应力云图b)结构最小正应力云图c)结构竖向挠度云图图3工况三有限元结果云图2.2框架结构的应力挠度变化各工况下框架结构的最大正应力、最小正应力、顶梁跨中竖向位移见下表2所示。表2各工况下框架梁的最大正应力、最小正应力以及顶梁跨中竖向位移工况应力最最小大顶梁跨中位移工况应力最大最小顶梁跨中位移200工工况400况一二工况三3结论在框架梁的温度场分析过程中发现随着时间的不断增加，3mm超薄型保护层厚度的钢框架整体温度由76.2°C上升到469°C，8mm薄涂型保护层厚度的钢框架由69.2°C上升至260°C，40mm厚涂型防火涂料的厚度的钢框架整体温度由54.3°C上升到188°C。厚涂型防火涂料的曲线上升较为平缓，而超薄型防火涂料的曲线上升较快。由此可以得出厚涂型防火涂料的控制钢框架温度的升高要优于薄涂型和超薄型。本文中选取了两层两跨的钢框架为研究对象，分别在钢框架表面涂抹了超薄型、薄涂型、厚涂型防火涂料，利用ANSYS软件数值模拟了不同厚度、不同温度下钢框架力学性能的变化。其次本文充分考虑到防火涂料与钢构件之间的粘结问题，在ANSYS软件中使用了接触单元，从而有效的减小了误差的产生。在实际过程中，钢框架上的防火涂料涂抹的时间过长或由于其他外界因素导致防火涂料部分脱落，本文研究了防火涂料脱落一半和完好的防火涂料间的比较。本文的展望：C1)在实际火灾情况中，火灾场的情况是十分复杂的，本文只取了在标准升温曲线下，所以在今后的工作中，可以尽量多考虑一些升温条件；C2)本文在防火涂料的选取上，仅仅通过它的密度、比热等因素来确定，很少从实际工程中选取具体的防火涂料，希望再下一步的研究中能够得到完善。（3）本文在选取钢框架模型时，只是对其上部梁施加荷载，且只施加了固定的重力荷载，并没有其中间层钢梁施加荷载，在以后的研究过程中，可以在其每层梁上都施加荷载，且通过改变荷载的大小来判断对整体框架的影响。参考文献[1]殷锦捷，王艳荣，许明.水性钢结构防火涂料的研究[J].合成材料老化与应用，2016，45（06）：107-109.[2]罗荡荡，梁光明.钢结构