高温火直接作用下钢梁抗火性能试验研究.pdf

建箕结掏堂撮』Q 旦塑堂堂坠i 堕i 篮量 里竺 旦盟委i ；差盘笙燮蒌刍 _ 啊 文章编号1 0 0 0 ．6 8 6 9 2 0 1 7 0 4 0 0 9 0 ．0 8D O I 1 0 ．1 4 0 0 6 ／j ．j z j g x b ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 1 1 高温火同皿二，＼直接作用下钢梁抗火性能试验研究 夏云春 安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥2 3 0 0 2 2 摘要为研究高温火直接作用下钢梁的抗火性能，对其进行了高温火直接作用试验；同时，以受热时间作为变化参数，对比 分析了高温火直接作用和按I S O8 3 4 标准升温过程钢梁的轴力、跨中挠度及耐火时间。结果表明高温火直接作用与按I S O 8 3 4 标准升温下，钢梁破坏端面的微观组织及升温过程的受力和变形存在明显差异；无论有无防火涂层的保护，当温度8 0 0 ℃ 时，高温火直接作用下钢梁的最大轴力比按I S O8 3 4 标准升温的增大7 6 ．9 ％以上；同时，防火涂层厚度对钢梁的耐火时间也 有影响，无防火涂层时，钢梁的耐火时间小于2 0m i n ；有防火涂层保护时，随防火涂层厚度增厚，两种高温作用下，钢梁的耐 火时间相近，但防火涂层厚度不足1 5m m 时，耐火时问相差2 0 ％以上；当防火涂层厚度为1 5m m 时，在温度约8 0 0o C 高温火 直接作用下，其耐火时间为2 6m i n 。 关键词钢梁；高温试验；挠度；轴力；耐火时间 中图分类号T U 3 9 2T U 3 1 7 ．1文献标志码A E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf i r er e s i s t a n c eo fs t e e lb e a m d i r e c t l ya c t e db yf i e r c ef i r e X I AY u n c h u n S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，A n h u iJ i a n z h uU n i v e r s i t y ，H e f e i2 3 0 0 2 2 ，C h i n a A b s t r a c t T oi n v e s t i g a t et h ef i r er e s i s t a n c eo fs t e e lb e a md i r e c t l ya c t e db yf i e r c ef i r e ，f i r et e s t sw e r ec o n d u c t e d c o n s i d e r i n gv a r i o u sh e a t i n gt i m e ．T h ea x i a lf o r c e ，d e f l e c t i o na tm i d s p a na n dt h ef i r er e s i s t a n c et i m eb e t w e e nd i r e c t l y a c t e db yf i r ea n da te l e v a t e dt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt oI S O8 3 4s t a n d a r dw e r ec o m p a r e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r e l a r g ed i f f e r e n c e si nm i c r o s t r u c t u r e ，a x i a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o nb e t w e e ns t e e lb e a m su n d e rd i r e c tf i r ea n ds t a n d a r dI S O 8 3 4h e a t i n gp r o c e d u r e ．W h e t h e rt h e r ei sap r o t e c t i v ec o a t i n go rn o t ，t h em a x i m u ma x i a lf o r c ep r o d u c e db yt h ed i r e c t a c t i o no ff i r ea t8 0 0 ℃i so v e r7 6 ．9 ％l a r g e rt h a nt h a tw h e nh e a t e da c c o r d i n gt oI S O8 3 4s t a n d a r d ．M e a n w h i l e ．t h e t h i c k n e s so ft h ep r o t e c t i v ec o a t i n ga l s oh a sal a r g ee f f e c to ni t sf i r er e s i s t a n c e ．F o ras t e e lb e a m ，w h e nt h e r ei sn o p r o t e c t i v ec o a t i n g ，i t sf i r er e s i s t a n c et i m ei sl e s st h a n2 0m i n u t e s ．W h e nt h e r ei sp r o t e c t i v ec o a t i n gf o rt h eb e a ma n d t h et h i c k n e s so fc o a t i n gi si n c r e a s e d ，t h e i rf i r er e s i s t a n c et i m ei sc l o s e ，b u tt h ed i f f e r e n c ei sm o r et h a n2 0 ％w h e nt h e t h i c k n e s so fp r o t e c t i v ec o a t i n gi sb e l o w1 5m m ，a n dt h ef i r er e s i s t a n c et i m ei s2 6m i n u t e sa t1 5m mo fp r o p t e c t i n g c o a t i n g sw h e nt h eb e a mi sd i r e c t l ya c t e db yf i r ea ta b o u t8 0 0 ℃． K e y w o r d s s t e e lb e a m ；f i r et e s t ；d e f l e c t i o n ；a x i a lf o r c e ；f i r er e s i s t a n c et i m e 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 4 7 8 0 0 2 。 作者简介夏云春 1 9 6 7 一 ，男，安徽合肥人，工学博士，教授。E m a i l w x i a y c 1 2 6 ．e o m 收稿日期2 0 1 6 年2 月 9 0 万方数据 0 引言 钢结构具有强度高、质量轻、韧性好、施工进度 快等特点，在建筑中得到广泛应用。但钢材的耐火 性能差，其强度随温度升高而降低，高温下其强度降 低更为明显u ⋯。实际火灾中，当钢结构的局部构件 受高温火直接作用，温度会快速上升p ⋯。当温度达 到8 0 0 ℃后，结构基本丧失承载能力，在荷载作用下 会导致突发性垮塌“ 引。 目前，有关钢结构抗火性能的研究，其大多局限 于按照I S O8 3 4 标准进行升温。9 4 “。而实际火灾中， 结构的受火特性差别较大。而受到高温火直接作用 的钢结构构件，其升温速率要比I S O8 3 4 标准升温速 率大很多。暴露的钢结构受高温火的直接作用，受 火的局部构件，其温度在短时间内 2m i n 左右 就能 接近火焰的温度，即使钢结构有防火涂层保护，由于 快速升温及高温火的直接作用，也会导致防火涂层 的开裂或大面积脱落，致使结构钢直接暴露于高温 火焰环境下，温度急速升高，快速失去承载力2 ‘”。。 而目前有关高温火直接作用下钢结构抗火性能的研 究还鲜见报道。为此，本文中通过对比高温火直接 作用和按照I S O8 3 4 标准升温过程中钢梁的受力和 变形特性，分析高温火直接作用对钢结构受力性能 的影响，研究实际火灾过程中高温火直接作用下钢 结构的抗火性能，以期为钢结构建筑的抗火性能化 设计提供参考。 1 试验概况 1 ．1 试件设计 试验中设计了8 个试件，按试验加热方式及涂 层厚度的不同，将试件分为4 组，编号为A 1 一A 8 。各 试件的几何尺寸及构造均相同，如图1 所示，其主要 参数见表1 。试件截面为H 形，其截面高度日为 2 0 9 ．6m m ，截面宽度B 为2 0 5 ．8m m ，翼缘厚度t 。为 1 4 ．2m m ，腹板厚度 。为9 ．4m m ，钢材为Q 2 3 5 。试件 长度均为3 ．0m ，所有试件采用氩弧焊焊接成型。常温 下材料弹性模量和屈服强度分别为1 ．9 8x1 0 ’M P a 和 2 3 5M P a ，线性热膨胀系数o ／ 1 ．4x 1 0 。r n ／ m ℃ ， 泊松比∥ 0 ．3 0 7 ，质量密度为78 5 0k g ／m ’。对于 Q 2 3 5 钢，不同温度下钢材的屈服强度折减系数、弹性 模量折减系数和比例极限折减系数见表2 参照文献 [ 5 ] 。防火涂层为室内厚型钢结构丙烯酸防火涂 料，采用人工多次涂刷的方法对其进行加工，并经室 外干燥养护3 0d 以上。 b 截[ c i j 尺寸 c A ．A f , q J 面 图1 试验试件几何尺寸及构造 F i g ．1 D i m e n s i o n sa n dd e t a i l so fs p e c i m e n s 表1 试件主要参数 T a b l e1M a i np a r a m e t e r so fs p e c i m e n s 差竺棼拉强度擘服强度涂层厚度 加热方式 编号，u ／M P a ‘／M P a d ／m m “”⋯⋯。 A 14 5 1 ．42 3 50 按I S O8 3 4 标准升温 A 24 5 1 ．52 3 50 高温火直接作用 A 34 5 1 ．32 3 55 按I S O8 3 4 标准升温 A 44 5 1 ．42 3 55 高温火直接作用 A 54 5 1 ．32 3 51 0 按I S O8 3 4 标准升温 A 64 5 1 ．42 3 51 0 高温火直接作用 A 74 5 1 ．32 3 51 5 按I S O8 3 4 标准升温 A 84 5 1 ．42 3 51 5 高温火直接作用 表2 不同温度下钢材物性参数 T a b l e2 P h y s i c a lp a r a m e t e r so fs t e e l 温度弹性模量折减 屈服强度折减比例极限折减 T P C 系数岛／E 0系数 偏 系数‘T ／厂P o 2 01 ．0 01 ．0 01 ．0 0 1 0 00 ．9 80 ．9 90 ．9 9 2 0 00 ．8 90 ．9 60 ．8 1 3 0 00 ．7 80 ．9 1 0 ．6 1 4 0 00 ．6 70 ．8 5 0 ．4 2 5 0 00 ．5 6 0 ．7 803 6 6 0 00 ．3 1 0 ．4 70 ．1 8 7 0 0O ．1 3 0 ．2 30 ．0 8 8 0 0 0 ．0 90 ．1 10 ，0 5 9 0 0 10 0 0 0 ．0 7 O ．0 5 0 ．0 6 0 ．0 4 0 ．0 4 O ，0 3 试件两端板尺寸为3 5 0m m x3 5 0m mx1 2m m ， 并与钢梁焊接成整体。两端的端板上各开设8 个 中2 5 通孔，用于与两端的千斤顶端部相连接。 1 ．2 试验装置 试验加载装置如图2 所示。该装置由加热试验 炉、反力架、反力墙、约束钢梁、钢梁支架和加载装置 等组成。钢梁通过u 形螺栓固定在钢筋混凝土支架 上，其左、右两端通过8 个M 2 4 的8 ．8 级高强螺栓固 9 1 万方数据 定两侧的拉力千斤顶。对于高强螺栓，采用厚度为 1 0C 1 T I 的保温岩棉进行整体防火包裹，包裹前用已校 正的扭矩扳手按计算扭矩值和规定的顺序对每个螺 栓施加预拉力。同时，在试件上方设置1 根H 形钢 以保证施加的荷载沿梁长度方向均匀分布。 试验过程中，对于按照I S O8 3 4 标准升温 r T o 3 4 5 1 9 8 t 1 ，其中丁为t 时刻的温度，瓦为 试件初始温度 的试件，直接采用标准试验炉加热 按照I S O8 3 4 标准升温，图2 a 。对于高温火直接 作用的试验试件，采用短火焰旋风燃烧喷嘴直接加 热 图2 b 。高温火直接加热方式是通过安装在梁下 方的6 个天然气短火焰旋风燃烧喷嘴进行施加。每 个天然气短火焰旋风燃烧喷嘴的间距为6 0c m ，其出 口布置在同一水平面且距离梁下翼缘为2 0c m ，火焰 的温度通过设置于旋风燃烧喷嘴中心线且距离燃烧 喷嘴端面1 0 0l l f f n 处的热电偶测量。燃料为天然气， 由1 0 个5 0L 的储气罐经汽化炉升压后供给，燃气量 和火焰温度可以通过改变汽化炉出口压力加以控制 试验中火焰的温度控制在8 0 0 ℃左右 。 ．t ％温热 f b 鸺片 机电 ‘n 分表 _ 器 cJ - l 、翼缘湍鹱测点 图2 试验加载装置及测点布置 F i g ．2 L o c a t i o n so fl o a d i n ga n dm e a s u r i n gp o i n t s 试验过程中，施加于梁顶面的垂直荷载通过设 置在梁顶的液压千斤顶施加。液压千斤顶施加的荷 载通过液压伺服控制系统进行控制，液压千斤顶固 9 2 定在反力架下端。 试验前，对试件左右两端和垂直方向进行1 次预 加荷载，预加荷载为2k N ，待试件稳定后再施加到预定 的荷载6 0k N 。然后，点燃安装在梁下方的6 个天然 气短火焰旋风燃烧喷嘴对试件进行直接加热升温。 1 ．3 加载及测量系统 炉内温度通过布置在加热炉4 个拐角处的K 型 热电偶进行测量。每个燃烧喷嘴火焰的温度由喷嘴 距离出口1 5c m 的热电偶进行测量。燃料的流量通 过孔板流量计测量和显示，燃烧喷嘴的出口压力通 过数字式压力表测量。试件的挠度通过安装在梁下 方均匀布置的5 只机电百分表进行测量 伸入加热 炉内部分采用1I Y U T I 保温岩棉进行防火包裹 。试件 的轴力通过安装在钢梁左右两侧拉力千斤顶上的荷 载轴力计测量。试件的应力和表面温度采用高温应 变片和高温热电偶片测量 图2 ，其量测温度范围为 一2 0 ～10 0 0 ℃。腹板和上、下翼缘的高温应变片和 高温热电偶沿梁长度方向均匀布置，且上、下翼缘的 高温热电偶片布置在靠近腹板的一侧，腹板上的每 组高温应变片和高温热电偶片间的间距为5c m 。 2 高温作用下钢梁的破坏模式及温 度分布 2 ．1 高温作用下无防火涂层钢梁的破坏模式 在钢梁无涂层保护条件下，分别按照I S O8 3 4 标 准升温到约8 0 0o C 和采用约8 0 0o C 火焰直接全覆盖 整体加热升温到约8 0 0o C 时，钢梁的破坏形态如图3 所示，其破坏断面的金相如图4 所示。 一 】■r _ 一～ 。二孟主q 簟毫- _ S ’1 ， b 试仆A 2 ．I 均温火直接f 1 川 图3 试件破坏形态 F i g ．3 F a i l u r em o d e so fs p e c i m e n s 在不同加热条件下，钢梁的变形和破坏模式存 在较大的差异性。从图3 可以看出，在按照I S O8 3 4 标准升温过程中，梁破坏时的挠度要比高温火直接 作用下要小，且上翼缘的扭曲变形程度和破坏面的 整体长度也小很多。且在高温火直接作用下，钢梁 的腹板也产生了一定程度的扭曲，扭曲的角度约为 封片i表iH酗艏吨冁愠蚶 三咀h．成 _ _ | ● 万方数据 b 试f 个A 2 ．高i 鼎火1 ’f 接们 用 图4 不同升温过程破坏断面金相示意 F i g ．4M e t a l l o g r a p h i e ss k e t c ho fs p e c i m e n s a tf a i l u r es e c t i o n s 1 2 ．3 。，而按照I S O8 3 4 标准升温过程则无明显的腹 板扭曲现象。 由图4 可见，不同加热条件下断面的结构微观 组织存在明显区别。当按I S O8 3 4 标准升温时，钢梁 中的铁素体以板条形状析出，铁素体板条片纵向分 布，以板条形式存在，其中碳元素向板条两侧扩散， 形成了集中的富碳点，这些组织或以残余铁素体的 形式存在。首先形成粒状组织，然后铁素体析出，碳 元素在铁素体中扩散，最终使铁素体以不均匀富碳 形式存在。 在高温火作用下，试件的微观组织主要为少量 块状准多边形铁素体和晶内针状铁素体，其中块状 准多边形铁素体自晶界形核向晶内生长，大颗粒状 组元分布于晶内。在钢梁受高温火直接作用下，大 颗粒状组元的尺寸有所减小，大颗粒状组元从不规 则分布的颗粒状变为不连续线性分布，平行排列于 相邻铁素体板条之间，稳定性降低。 2 ．2 高温作用下钢梁的温度分布 根据I S O8 3 4 标准升温与高温火直接作用下的 升温过程两种不同的火灾升温模式，高温下钢梁承 受热力耦合作用。取初始温度2 0o C ，高温火直接作 用下钢构件的温升计算式。4 1 为 矿 r 。 c A t 专[ T s t 一t f ] ．A t T 。 t ∥s u5 1 式中△￡为时间增量，S ；t 为钢构件在不同受热时 间后的温度，o C ；T 为高温火直接作用下钢构件周围 空气温度，℃；K 为钢构件单位长度综合换热系数， W ／ m 2 ℃ ；C 。为钢材的比热容，J ／ k g ℃ ；P 。为 钢材的密度，k g ／m 3 。 对于涂有防火涂料保护层的钢构件，综合换热 系数K 的计算式o 为 K 砸1 。等‘i A i 2 1 面 式中C ，为防火涂料的比热容，J ／ k g ℃ ；P 。为保 护材料的密度，k g ／m 3 ；d 。为防火涂料的厚度，m ；A 。 为防火涂料等效传导系数，W ／ m o C ；A ／L 为构件 单位长度防火涂层的内表面积，m ；L 为构件长度，m 。 在钢梁无涂层保护及不同温升条件下，钢梁不 同部佗的温升曲线如图5 所示 图5 典型试件不同部位温升曲线 F i g ．5T e m p e r a t u r ec u l w e so ft y p es p e c i m e n s a td i f f e r e n tl o c a t i o n s 从图5 可以看出，钢梁的最高温度分布在梁的 腹板两侧，其原因是此处同时受热对流、辐射和导热 的共同作用。在三种热传递方式的耦合作用下，使 其产生了较其他部位更高的温度 此处离热源较 近 。比梁腹板温度稍低的下翼缘，也同时受热对 流、辐射和导热三种热传递方式的共同作用，并且临 近梁腹板，下翼缘温度比梁腹板温度低的主要原因 是由于迎火面较少，腹板两侧都直接受对流和辐射 的共同作用，而对于下翼缘，只有在其下表面受对流 和辐射的加热作用。 按照I S O8 3 4 标准升温过程中，梁腹板与下翼缘 的最大温差8 0 ℃左右；而在高温火直接作用下的升 温过程中，梁腹板与下翼缘的最大温差2 1 0 ℃左右。 这表明按I S O8 3 4 标准升温过程中，梁腹板和下翼 缘的温差较小，而上翼缘和腹板间的温度在受热时 间为4 0 0 ～6 0 0S 时，最大相差约1 8 5 ℃；而在高温 火直接作用下的升温过程中，上翼缘和腹板间的温 度在受热时间为1 7 0 ～2 0 0S 时相差较大，最大温差 约3 6 5 ℃。在之后的升温过程中，由于钢梁内部的 热传递，其上翼缘和其他位置的温度差距逐渐减 小。梁腹板和下翼缘的温差亦逐渐减小，直至趋于 相近。 9 3 万方数据 无涂层保护下钢梁受力性能 3 ．1 钢梁跨中挠度 实际工程中，钢梁往往受均布荷载作用。当梁 的均布荷载为2 0k N ／m 且无防护涂层保护时，按不 同的温升条件下钢梁的跨中挠度，随时间变化关系 如图6 所示。 I 习6 试件跨l 『』挠腰变化曲线 F i g ．6 D e t l e c t i o nc u r v e sa tm i d s p a no fs p e c i m e n s 从图6 可以看出，升温后钢梁的跨中挠度随温 度的升高而增大，而在低温下 受热时间小于1 0 0S ， 无论是按照I S O8 3 4 标准升温还是高温火直接作用， 其挠度相差不大，且梁跨中变形也很小。而当受热 时间超过1 5 0s 后，二者温升差别显著。在高温火直 接作用下，当受热约6 5 0s 后，钢梁的跨中挠度突然快 速增加，受热约11 2 0s 时达到最大值，约为4 5 7 ．6r a i n 。 之后，钢梁的跨中变形又快速减小。而按I S O8 3 4 标 准升温过程中，虽然钢梁挠度的变化速度逐渐增大， 且在加热约11 0 0s 后，挠度增加的速度也略有突增 的趋势，但钢梁跨中挠度并未超过其跨度的1 ／2 0 ，梁 也未发生破坏。 3 ．2 钢梁轴力 钢梁在均布荷载为2 0k N ／m 作用下且无防护涂 层保护时，不同升温条件下钢梁的轴力随时间变化 关系如图7 所示。 ㈥7 典型试什轴／J 变化曲线 F i g ．7 A x i a lf o r c ee u l q e so ft y p i c a ls p e c i m e n s 由图7 可以看出，在升温初始阶段，钢梁以受拉 作用为主。随着温度升高，钢梁膨胀受到约束，进而 产生轴向压力，且其轴向压力随着温度的升高和梁 9 4 的不断膨胀而增大。按I S O8 3 4 标准升温过程中，在 受热约2 9 5S 后，虽然温度持续升高，但轴向压力快 速减小，原因是此时梁的挠度开始快速增加。此时 梁所受到的最大轴向压力约为3 8 5 ．7k N 。当受热约 7 9 2s 时，开始产生悬链线效应，梁内的轴力由压力转 为拉力。悬链线效应刚开始出现时，拉力增长较快， 但受热8 0 0s 后，拉力增长变缓。 在高温火直接作用升温过程中，受热约1 5 2S 后 虽然温度继续升高，但轴向压力快速减小，梁挠度开 始快速增加，但此时的最大轴向压力约为6 8 1 ．5k N ， 比按照I S O8 3 4 标准升温过程增加约7 6 ．9 ％。当受 热约6 1 5S 时，开始产生悬链线效应，梁内的轴力由 压力转为拉力。悬链线效应出现后，拉力增长较快， 但在受热约11 5 0s 以后，拉力增长变缓。并且在达 到最大拉力时，采用高温火直接加热方式产生的最 大轴向拉力约为按I S O8 3 4 标准升温过程的2 倍。 4 防火涂层厚度对钢梁受力性能的 影响 4 ．1 钢梁温升曲线 为了减缓高温对钢结构的不利影响，通常采用 防火涂料加以保护，以减弱高温烟气或火焰对钢结 构的传热速度。当钢梁外部涂覆防火保护涂层的厚 度分别为5 、1 0m m 和1 5m m 时，均布荷载仍为 2 0k N ／m ，采用约8 0 0 ℃火焰直接全覆盖整体加热升 温到约8 0 0 ℃时，钢梁的温度变化如图8 所示。 对于不同厚度的防火涂层钢梁，在高温火直接 作用下，其温升速率明显减缓。在升温过程中，当防 火涂层的厚度为5r n l n 时，上翼缘和腹板间的温度在 受热5 5 0 ～5 6 0s 之间时相差较大，梁腹板与下翼缘 的最大温差约3 1 0 ℃；当防火涂层的厚度为 1 0m m 时，上翼缘和腹板间的温度在受热6 5 0 6 8 0s 之间时相差较大，梁腹板与上翼缘的最大温差约 2 7 0 ℃；当防火涂层的厚度为1 5m m 时，上翼缘和腹 板间的温度在受热11 5 0 ～12 0 0s 之间相差较大，最 大温差约2 1 0 ℃。在之后的升温过程中，钢梁不同位 置的温度差距逐渐减小，直至趋于一致。 4 ．2 钢梁跨中挠度 图9 为升温过程中不同厚度防火涂层的钢梁跨 中挠度曲线。 由图9 可见，不同防火涂层厚度对钢梁的保护 效果不同，且与受热方式密切相关。防火涂层越厚， 在受热相同的时间内，钢梁的挠度相应减小，且在高 温火直接作用下最终破坏后的挠度也越小。 当防火涂层厚度为5m m 时，在按照I S O8 3 4 标 准升温过程中，在受热4 0 0s 以内时，梁的跨中挠度 万方数据 cc 以 LT ；i J 川， 慢I5n l l n 图8 不同防护涂层厚度下钢梁温升曲线 F i g ．8T e m p e r a t u r ec u r v e so fb e a mw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s s e so ff i r er e t a r d a n t 变化不大。在受热5 0 0 ～13 0 0s 时，其挠度基本呈线 性变化；而在受热到近16 5 0s 时，挠度快速增加，在 受热17 3 0S 后梁略受损伤；而在高温火直接作用下 的升温过程中，在受热1 0 0S 以内，梁的跨中挠度与 按I S O8 3 4 标准升温过程相差不大；在受热2 0 0 ～ 9 5 0S 时，其挠度也随受热时间呈线性变化。而在受 热超过9 5 0s 时，梁跨中挠度达到其破坏临界值，挠 度突然快速增加，直到最终破坏。 当防火涂层厚度为1 0m m 时，按I S O8 3 4 标准升 温过程中，在受热5 0 0s 以内，梁的跨中挠度变化不 大；在受热5 0 0 ～16 0 0S 时，挠度呈线性变化；而在受 热近18 3 0s 时，挠度快速增加。在高温火直接作用 下的升温过程中，在受热1 8 0S 以内，跨中挠度变化 不大；在受热1 8 0 ～11 6 0s 时间内，其挠度呈线性变 化。而在受热超过11 7 0S 后，梁跨中挠度突然快速 增加而破坏。 当防火涂层厚度为1 5m m 时，按I S O8 3 4 标准升 温过程中，在受热6 2 0S 后，梁的跨中挠度变化不大； 4c 】【X 】l 二{ 1 f }c J U 二0 0 I ，、 。c 月火；剌刊m ，一l 』爱l5l l l l l l 图9 不同防护涂层厚度下跨中挠度 F i g ．9 D e f l e c t i o na tm i d s p a no fb e a mw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s s e so ff i r er e t a r d a n t 在受热6 2 0 ～19 2 0S 时，挠度呈线性变化；而在受热 近19 3 0S 时，挠度快速增加。在高温火直接作用下 的升温过程中，在受热时间2 8 0s 以内，跨中挠度变 化不大；在受热2 8 0 ～15 6 0S 以内，其挠度呈线性变 化；而在受热超过15 8 0S 时，梁跨中挠度突然快速增 加直至破坏。 综上，随着防火涂层厚度的增加，梁跨中挠度的 快速增加的时间向后延迟，但是由于高温火的直接 作用，其延迟的时间间隔有限；同时，随防火涂层厚 度的增加，其破坏时跨中挠度略有减小。以上现象 是受火焰高温直接作用下防火涂层爆裂并有大面积 脱落所致。 4 ．3 钢梁轴力 不同厚度防火涂层下钢梁的轴力变化如图1 0 所 示，表3 为不同防火涂层厚度下钢梁最大轴力。 从图1 0 和表3 中可以看出，在升温过程中，钢梁 无论有无防火涂层的保护，在受热的初始时段梁的 轴力快速增加，当增加到最大值后又快速减小，之后 又逐渐增加，直到破坏时基本保持不变。 防火涂层越厚，钢梁达到最大轴力所需的时间越 长，同时其最大轴力也越小。但对比按I S O8 3 4 标准 9 5 O，-O∞ m ● n5 薄咒 0 ￡ 如 厚，b层 、≯ ∞ 火 8 da ∞ 0 4 万方数据 c 防火涂层厚度l5 m m 图1 0 不同防护涂层厚度下梁轴力变化曲线 F i g ．1 0 A x i a lf o r c eo fb e a mw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e s o ff i r er e t a r d a n t 表3 不同防火涂层厚度下的最大轴力 T a b l e3M a x i m u ma x i a lf o r c ew i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e s o ff i r er e t a r d a n t 升温与高温火直接作用的最大轴力，二者相差幅度 也随防火涂层厚度的增加而增加，在防火涂层厚度 分别为0 、5 、1 0m m 和1 5m m 时，其按照I S O8 3 4 标准 升温与高温火直接作用的相差幅度分别为7 6 ．9 ％、 9 8 ．7 ％、1 1 9 ．4 ％和1 3 9 ．0 ％。这是由于加热一段时 间后，钢梁的膨胀引起防火涂层开裂而使钢梁直接 暴露于高温火直接作用所致。 5 钢梁耐火时间 5 ．1 高温钢梁破坏准则 对于受弯梁构件，已有研究表明。1 ’6 。，火灾作用 下，钢梁的破坏准则为㈣面d f ≥菇赢，厂≥未赢或 f ≥羔。其中，f 为构件的最大挠度，三为构件计算 跨的跨度，h 为构件截面高度，t 为受火时间。 采用以上准则对钢梁的失效进行判定，即当钢 梁的最大挠度超过梁跨度的1 ／2 0 ，即认为钢梁失效， 此时所对应的时间为钢梁的耐火时间。 5 ．2 耐火时间 在不同无膨胀防火涂层厚度下，按I S O8 3 4 标 准升温和高温火直接作用下钢梁耐火时间如图1 1 所示。 } ；一二一一一 _ 二二二叫 [，，，，，，，，，，，，，，，’．『一一I／／，，，，，，，。] 卜寸一■S O 赢赢J ㈥11不同防护涂层厚度下耐火时『日j F i g ．11 F i r er e s i s t a n c et i m eo fb e a mw i t hd i f f e r e n t t l l i c k n e s so ff i r er e t a r d a n t 从图1 1 中可以看出，升温过程中，受热方式对钢 梁耐火时间产生较大影响。在无防火涂层保护时， 按照I S O8 3 4 标准升温和高温火直接作用下的耐火 时间分别为约1 8 ．7m i n 和1 1m i n ，二者耐火时间相差 7 0 ．0 ％。而当防火涂层厚度为5i n n l 时，其耐火时间分 别为约2 7 ．5m i n 和1 6m i n ，其耐火时间相差7 1 ．9 ％。 当防火涂层厚度为1 0m m 时，其耐火时间分别为约 3 0 ．5m i n 和1 9 ．3m i n ，其耐火时间相差5 8 ．0 ％。 当防火涂层厚度为1 5m m 时，其耐火时间分别 为约3 2 ．2m i n 和2 6m i n ，其耐火时间相差2 3 ．8 ％。 因此，有防火涂层时，防火涂层的厚度越厚，按I S O 8 3 4 标准升温和高温火直接作用下钢梁的耐火时间 越接近。同时，在钢梁有防火涂层保护且防火涂层 厚度小于1 5m i l l 时，其耐火时间近似与防火涂层的 厚度成线性关系，而高温火直接作用下钢梁耐火时 间的增加速率随防火涂层厚度的增加而增大。 万方数据 6 结论 1 升温过程中，钢梁的变形和受力特性直接受 火源与钢梁的接触方式影响，同时与防火涂层厚度 也有关。采用接近8 0 0o C 的高温火直接加热时，钢梁 的轴力和变形与按I S O8 3 4 标准升温过程存在明显 的差异。在高温火直接作用下，钢梁的挠度增加较 快，且挠度的最大值也较标准升温的大。 2 钢梁的受力和变形与防火涂层的厚度有关。 随着防火涂层厚度的增加，钢梁的升温速率减缓；高 温火直接作用下钢梁的挠度和轴力比按I S O8 3 4 标 准升温过程大，其最大轴力相差超过7 6 ．9 ％；梁跨中 挠度增加延缓，且其破坏时跨中挠度略有降低。 3 防火涂层厚度对钢梁的耐火时间有影响。在 无防火涂层下，其耐火时问不足2 0r a i n ；而有防火涂 层保护时，防火涂层厚度的增加，按I S O8 3 4 标准升 温与高温火直接作用下钢梁的耐火时间差减小。但 当防火涂层厚度小于1 5m m 时，其差值大于2 0 ％；当 防火涂层厚度为1 5m m 时，高温火直接作用下钢梁 的耐火时间为2 6r a i n 。 参考文献 [ 1 ]李国强，郭士雄．受火约束钢梁在升温段和降温段 行为的理论分析I [ J ] ．防灾减灾工程学报，2 0 0 6 ， 2 6 3 2 4 2 2 5 0 ． L IG u o q i a n g ，G U OS h i x i o n g ． A n a l y s i s o fr e s t r a i n e ds t e e lb e a m s s u b j e c t e d t o t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n ga n dd e s c e n d i n g p a r tI [ J ] ． J o u r n a l o fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n d M i t i g a t i o n E n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，2 6 3 2 4 2 2 5 0 ． i nC h i n e s e [ 2 ]杨秀萍，姚斌，门玉涛．不同升温条件下钢梁火灾行 为的有限元分析[ J ] ．火灾科学，2 0 0 7 ，1 6 3 1 5 7 1 6 1 ． Y A N GX i u p i n g ，Y A OB i n ，M E NY u t a o ．F i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ff i r eb e h a v i o ro f s t e e lb e a mu n d e r d i f f e r e n te l e v a t e dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s [ J ] ．F i r e S a f e t yS c i e n c e ，2 0 0 7 ，1 6 3 1 5 7 1 6 1 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 李娟，姚斌，胡军．温升速率对某防火保护简支钢梁 耐火时间的影响[ J ] ．火灾科学，2 0 1 0 ，1 9 1 3 8 4 4 ． L IJ u a n ，Y A OB i n ，H UJ u n ．E f f e c to ft e m p e r a t u r e r i s er a t eo nf i r er e s i s t a n c ep e r i o do fas i m p