高層鋼結構建筑不同于一般鋼結構建筑，其在使用期間會受到風荷載等導致的荷載水平較低但頻度較高的可變荷載作用，也可能遭遇到高烈度罕遇地震引起的大變形往復荷載作用。然而相對于鋼構件本身材料而言，鋼結構厚型防火涂料的力學性能較差，在遭遇地震和恐怖爆炸等偶然性事故災害時，涂裝在鋼結構上的厚型鋼結構防火涂料因受到的大變形荷載反復作用下，有可能開裂、破損甚至脫落，對鋼結構構件在承受該類災害后的抗火性能造成很大影響。

為了評估目前在我國應用廣泛的水泥基室內厚型防火涂料在高層鋼結構建筑上的適應性，為鋼結構防火涂料的設計提供參考，對涂有厚型防火涂料的鋼結構構件進行不同荷載水平的往復加載試驗，模擬地震等罕遇荷載下的鋼結構的變形情況，考查往復大變形荷載作用下，鋼結構厚型防火涂料的開裂和附著性能，評估高層鋼結構建筑用厚型防火涂料進行防火保護的可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗內容

為實現上述目的，本試驗不考慮防火涂料厚型因時間和環境等因素導致粘結附著力等物理性能退化（老化）的影響。將測試涂裝有厚型防火涂料的鋼構件在大變形往復荷載作用下的性能。主要模擬帶厚型防火涂料鋼構件在遭遇罕遇地震作用條件的性能，考查鋼構件上厚型防火涂料在這種荷載作用時的開裂、損壞和脫落情況。

1.2 試件的設計

大變形往復加載測試用試件為焊接H型截面鋼柱構件，構件數量為2個，鋼柱總高度1.60 m，加載點離柱腳高度為1.50 m，柱子采用200 mm×150 mm×6 mm×10 mm的焊接H型柱。鋼柱材料為Q235結構鋼，柱腳連接螺栓采用10.9級高強螺栓。鋼柱試件柱腳采用固接，在柱頂施加側向集中荷載，在腹板上每隔500 mm設置一道加勁肋，防止加載過程中腹板局部失穩；在柱腳設置靴梁，加強柱腳并防止底板彎曲；在柱頂加載點處翼緣上加焊200 mm×200 mm×10 mm鋼板，用于與作動器加載頭的連接，施加的水平荷載使試件產生繞強軸的彎矩作用。

1.3 加載方案

構件下端部采用剛接設計，固定在預先設計的底座上，柱腳與底座通過高強螺栓連接，柱頂為自由端，加載位置在柱頂加強處，連接形式為鉸接。通過安裝在柱頂的作動器施加往復加載。

采用位移控制在柱頂施加荷載，每級位移循環3次。

1）每級加載位移量為7 mm；

2）加載初期，每級加載位移量為上級加載位移量的1.4倍；

3）當構件出現屈服之后，增長倍數改為1.3；

4）當試件破壞時，試驗停止。

1.4 試件的涂裝

根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》要求，建筑的高耐火等級為a級，對應a級耐火等級的建筑鋼結構柱的耐火時限要求為3.0 h，因此對本試驗的鋼柱試件按3.0 h耐火時限要求采用厚型防火涂料進行防火保護。按3.0 h耐火時限鋼結構厚型防火涂料要求進行防火保護，設計涂料厚度為26 mm，施工工法為噴涂粘釘掛網工法。

2  測試過程及現象

2.1 大變形往復加載測試

大變形往復加載試驗時，主要采用位移計測量柱頂的側向位移和柱腳的轉動，采用水平位移計測量柱頂荷載作用方向的位移（D2）及水平面內垂直于力作用方向的位移（D1），在柱腳底板上布置豎向位移計，測量柱腳底板兩邊的豎向位移，進而得到柱腳的轉角，荷載的大小通過作動器的內置傳感器測量得到。

2.2 試驗現象

本次試驗主要研究內容為鋼結構厚型防火涂料的破損形態，由于厚型室內防火涂料表面粗糙，質地疏松，難以用傳感器測量其應力和應變，厚型鋼結構 防火涂料對鋼構件的剛度和承載力基本沒有影響，主要通過肉眼觀察其表面狀態來判斷其狀態。柱頂的力-位移關系僅反映加載歷程及構件本身對荷載的行為反應，與有無防火涂料差別不大。但構件變形的大小程度會影響防火涂料的附著性能，影響防火涂料的開裂、損壞與脫落。因此構件的受力和變形與防火涂料的破損有直接關系。

2.2.1 試件1

試件1防火涂料的實測平均厚度為28.25 mm，試件1實際加載歷程見表1，每級位移往復3次。

表1  試件1加載歷程

 

加載級數              1       2        3       4         5        6        7         8        9

加載位移值/mm  ±7.0  ±9.8  ±13.7  ±19.2 ±26.9  ±37.7 ±55.0 ±77.0 ±102.0

 

試驗開始前，試件1上的鋼結構厚型防火涂料無可見裂縫。前3級荷載過程中，試件均未出現可見裂縫。加載至4級（19.2 mm）時，靴梁頂部與鋼梁翼板交接處首先產生裂縫，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合；加載至5級（26.9 mm）時，同一翼板兩側靴梁上的裂縫發生貫通，且靴梁與底板連接處、柱底翼緣與腹板連接處產生細微裂縫，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合；加載至6級（37.7 mm），靴梁周圍的裂縫加寬，且向翼板內側延伸，同時500 mm高度處加勁板對應的翼緣板外側產生細微裂縫，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合；加載至7級（55.0 mm），靴梁處裂縫沿翼板側面向上延伸，接近加勁板，翼板內側裂縫延伸至腹板，貫通整個腹板高度，大裂縫寬度達到1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合；加載至8級（77.0 mm），靴梁周圍的裂縫和翼緣板側面的裂縫進一步加寬，已經可以看見鋼梁板，荷載恢復至零時，裂縫不能閉合，大裂縫寬度達到1.0 mm；加載至9級（102 mm），可以從裂縫中看到翼緣板發生很明顯的屈曲裂縫寬度接近40 mm，鋼梁塑性變形很大，截面局部屈曲嚴重，可以認為鋼梁已經破壞，荷載回復到零后，鋼梁變形不能恢復，防火涂料裂縫不能閉合，裂縫寬度仍然保持在20 mm以上，試驗結束。

2.2.2 試件2

試件2鋼結構厚型防火涂料的實測平均厚度為29.50 mm，試件2實際加載歷程見表2，1 ~ 7級每級位移往復3次，第8級往復加載一次后試驗結束。

表2  試件2加載歷程

 

加載級數               1       2         3         4         5         6        7         8

加載位移值/mm  ±9.8   ±13.7  ±19.2  ±26.9  ±37.7 ±52.7  ±73.8  ±103.3

 

試驗開始前，試件2上的防火涂料未出現干縮裂縫。1級荷載（9.8 mm）未產生裂縫。第2級荷載（13.7 mm），靴梁頂部與鋼梁翼緣板連接處首先出現細微裂縫，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合。第3級荷載（19.2 mm），原有裂縫向兩頭延伸，在一側的翼緣外側裂縫發生貫通，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合。第4級荷載（26.9 mm），另一側翼緣兩邊靴梁頂部的裂縫貫通，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合。第5級荷載（37.7 mm），翼緣與腹板連接處及翼緣側出現細微裂縫，原有裂縫加寬，大裂縫寬度不超過1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合。6級荷載（52.7 mm），靴梁頂部的裂縫向上延伸，大裂縫寬度達到1.0 mm，荷載恢復至零時，裂縫閉合。7級荷載（73.8 mm），靴梁頂部裂縫繼續向上延伸，至500 mm高度加勁板附近，且橫向延伸至鋼梁腹板中部，荷載恢復至零時，裂縫不能閉合，大裂縫寬度超過1.0 mm。8級荷載（103.3 mm）往復加載一周后,靴梁頂部及其沿翼緣側面向上延伸的裂縫顯著增寬，鋼柱翼緣明顯屈曲鋼梁塑性變形很大，截面局部屈曲嚴重，荷載比第7級大幅下降，可以認為鋼梁已經破壞，荷載回復到零后，鋼梁變形不能恢復，防火涂料裂縫不能閉合，裂縫寬度仍然保持在20 mm以上，試驗結束。

由上述對試件1和試件2的測試可知，2個試件呈現的防火涂料破壞情況大致相同，主要的破壞裂縫均從靴梁上部開始產生，隨荷載增加，鋼梁四個角上的靴梁處裂縫從翼緣外側和內側貫通，然后沿翼緣板側面向上延伸，在柱頂變形不超過53.0 mm（試件1為55.0 mm，試件2為52.7 mm）時，防火涂料的大裂縫寬度不超過1.0 mm，在荷載恢復到零時裂縫能夠閉合，此后隨著柱頂位移增加，加載過程中這些裂縫不斷加寬，試驗結束時，鋼梁翼緣明顯屈曲，防火涂料裂縫大寬度超過30.0 mm，局部防火涂料與鋼梁明顯分離。根據GB 14907—2002《鋼結構防火涂料》，當厚型防火涂料的裂縫寬度不超過1.0 mm時，不會影響其性能，因此可以認為當試件的變形不超過53.0 mm時，防火涂料沒有破壞。

3  結語

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》規定，多、高層鋼結構多遇地震下彈性層間位移角限值為1/250，罕遇地震下彈塑性層間位移角限值為1/50。根據本試驗試件的鋼柱高度（1 500 mm），相應的柱頂位移限值分別為6.0 mm和30.0 mm。從大變形往復加載試驗中厚型防火涂料的開裂情況可知，在多遇地震下（對應試件1和試件2中的1級荷載），涂料不開裂。因此，該厚型防火涂料（平均厚度28.25 mm）在經歷設計罕遇地震作用后仍能附著在鋼構件的表面，并且不會產生影響其防火保護功能的裂縫，表現出可靠的附著性能，從而保證了防火保護的持續性。總之，采用水泥基厚型鋼結構防火涂料，經過粘釘包網工法施工進行高層鋼結構建筑的耐火保護是可靠的。

雖然鋼結構厚型防火涂料組成成分的顆粒較大，涂層外觀不平整，影響建筑的整體美觀，多用于結構隱藏工程，但是室內鋼結構厚型防火涂料的成分多為無機材料，其防火性能穩定，長期使用效果較好。