压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能研究现状

压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能研究现状

田兴兴

（宁波职业技术学院，浙江宁波 315800）

摘要：压型钢板-混凝土组合楼板具备自重轻，构件截面尺寸较小，现场施工的湿作业量少，施工周期短等优势，故在高层建筑中经常被使用。因为高层建筑楼层较高，如果发生火灾，逃生十分困难，所以高层建筑的抗火性能是否优良将直接影响所有人民的生命及财产安全。目前，国内外大量学者对钢-混组合结构的研究都集中在压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能的研究上，主要包含了理论研究、试验研究两方面。得到的研究成果广泛指导于现阶段组合结构的防火设计。本文主要归纳总结了现有的一些重要研究成果，并提出了未来研究的方向以及一些建议。

关键词：压型钢板-混凝土组合楼板；抗火性能；理论研究；试验研究

在中国经济迅速腾飞的背景下，人口与各类建筑都在向城市聚集，更多的高层建筑随之快速涌现。不断上升的楼层高度，必然会出现越来越多的建筑物火灾隐患，一旦火灾出现，就会严重威胁到人们的生命和财产安全。在国内，每年发生的建筑物火灾都会对人们的生命和财产带来巨大的损失。2003年11月3日，湖南衡阳出现一场特大火灾，一幢建筑面积达3000多平方米的大厦在火灾的作用下出现整体垮塌，造成正在救火的20名消防员罹难。2009年2月9日，因为有人未按规定燃放烟花，使正处于建设中的央视新大楼发生了特大火灾事件，在扑救大火时，导致1名消防员罹难，6名消防员及2名施工员受伤。在后续的调查中发现，此次火灾造成的建筑物过火及过烟面积达21333 m2，直接造成1亿6千万余元的巨大经济损失。在外国，2004年10月17日，委内瑞拉境内的一幢高度为220 m左右的双子塔出现特大火灾，火灾持续了整整18个小时，造成的经济损失达数亿美元。由此可知，通过对建筑结构的受火性能进行试验研究，来提高结构的抗火性能可以大大减少火灾造成的人员伤亡和财产损失[1]。而压型钢板-混凝土组合楼板因具备自重轻，构件截面尺寸较小，现场施工的湿作业量少，施工周期短等优势，故在高层建筑中经常被使用，因此本文总结此类组合楼板目前的研究现状，为后续研究提供参考。

一、国内外压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能研究

压型钢板-混凝土组合楼板的压型钢板在施工时可作为模板，施工完成后与混凝土共同受力，因此压型钢板的底部要经过采取一些防火措施。在火灾温度作用时，该组合楼板截面上的温度将会呈现一定的梯度，随着火灾持续进行，温度高部位的楼板受力性能会明显下降，而其附近温度未明显升高的构件此时会约束受热构件产生，从而发生火灾时楼板受力复杂的情况。这吸引了大量研究人员对这类组合楼板的火灾进行数值模拟，同时展开相应的试验研究，研究范围如下：

1. 组合楼板理论研究

组合楼板理论主要研究的是热-结构耦合以及温度场。研究人员主要以修改材料基本热工参数、材料热力学性能、组合楼板在火灾标准升温曲线下的应力应变等方式来设计有限元程序的温度场和火灾时的结构场。

(1)火灾温度场研究

张怀章等[2]利用有限元软件，模拟分析了火灾下压型钢板-混凝土组合楼板的温度场，得到楼板的瞬态温度场及各个部位的升温曲线图，并与实验结果吻合，最后提出了计算火灾下构件的温度场的实用方法。徐朝晖等[3]运用有限元软件模拟了火灾下组合楼板在不同时刻的温度场，并选择合适的有限元单元，建立了各种工况下的有限元模型来进行组合楼板的抗火性能分析，为组合楼板的抗火性能研究提供参考。胡克旭等[4]利用有限元软件建立了火灾传热模型，利用有限差分技术来分析火灾下压型钢板-混凝土组合楼板在不同时间的温度场，并与试验结果对比，结果较吻合。毛小勇等[5]运用有限元软件模拟了压型钢板组合板和肋筋模板组合板的温度场，并与试验结果进行对比，分析了相关影响参数，结果表明：混凝土能有效提高组合板的抗火性能，混凝土的强度及厚度是其重要影响因素，但钢材使用量的增加反而会降低其耐火性能。最后还提出了组合板耐火性能的简化计算公式，为实际工程提供参考。

(2)热-结构耦合研究

Serdar Selamet和Caner Bolukbas[6]对钢框架组合楼板中单板剪力连接的火灾性能进行数值研究。大规模的火灾实验表明：混凝土板的拉伸膜作用提高了组合楼板的防火性能，性能的提高是由大挠度板引起的。然而，这些挠度会在单板连接中引起显著的旋转和拉力。通过建立了有限元模型，该模型由次钢梁、混凝土板和剪力连接构件组成。连接组件（例如螺栓和单板）之间的相互作用由接触面定义。分析分为两个非耦合的阶段进行：通过在具有对流和辐射传热的组合楼板模型上创建火边界进行热分析，以及考虑热膨胀和温度引起的材料刚度和强度变化进行力学分析。组合楼板有限元模型的热机分析的结果表明，该结构在2小时标准火灾中仍能幸存，但最终会由于螺栓的剪切和连接板的屈曲而使连接失败。

LEI X U等[7]在合理选择钢-混凝土组合板材料本构模型和构件间接触模型的基础上，使用有限元软件分析了钢-混凝土组合板在全过程火灾作用下的力学行为，建立了钢-混凝土组合板热-结构耦合有限元模型，并利用已有的试验结果对该模型进行了验证。分析了钢-混凝土组合板在室温下的性能和工作机理，进行了火灾温度，冷却效果以及火灾不同阶段与参数分析相结合的研究，以研究整体火灾后钢筋混凝土组合板的力学性能。结果表明，钢-混凝土组合板的极限承载力随温度的升高而降低，这是因为温度升高引起的组合板的吸热作用，火灾后整体温度较低，组合板仍具有较高的承载力；升温时间、钢梁屈服强度、混凝土抗压强度和混凝土厚度对钢-混凝土组合板的力学性能均有很大影响。Xu W等

[8]使用有限元软件对压型钢板-混凝土组合板进行了模拟，然后与试验结果对比，结果吻合，故通过改变组合板的剪力连接件来研究其性能对压型钢板-混凝土组合板抗剪性能的影响，由结果知，设置剪力连接件（如剪力钢筋和栓钉）可以提高复合材料板的极限承载力，减少界面滑移，其中栓钉的作用更为明显，实际工程应选择选用合适的抗剪连接件，使其既能满足强度要求又经济。

综上可以得出国内外在理论研究上的成果有：运用有限元软件模拟出了火灾下组合楼板在不同时刻的温度场，建立了相应的火灾传热模型，并给出了实用的计算方法；建立了钢-混凝土组合板热-结构耦合有限元模型，利用楼板参数的改变，研究出了升温时间、钢梁屈服强度、混凝土厚度和混凝土抗压强度等因素对组合楼板火灾后力学性能的影响，并得出最终楼板破坏通常是由于螺栓或者抗剪连接件导致的结论。

2.试验研究

蒋守超和李国强[9]对我国一种常用的压型钢板和混凝土的结构进行了常温下的粘结应力与滑移关系及高温下的粘结强度的试验研究。分析讨论结果后得出了压型钢板与混凝土之间的粘结强度会随温度的上升而快速降低的结论，并推导出了高温下混凝土和压型钢板间粘结强度的计算公式。此外，陈一欧等[10]对5块不同工况的压型钢板与混凝土的组合楼板进行受火试验，得到了混凝土和压型钢板不但会共同工作，还因为混凝土有着良好的吸热及散热能力，故能十分有效的地吸收压型钢板中的热量，使压型钢板不会独自升温，从而能保证此组合楼板的防火安全性的结论。王怀阔等[11]研究了压型钢板钢-混凝土的组合结构，并分析了混凝土及钢材在高温下的材料特性，并总结了压型钢板与混凝土的粘结强度随温度变化的规律及影响组合楼盖抗火性能的因素。

白力更等[12]对闭口式压型钢板组合楼板进行了受火试验，测量得到了楼板不同位置的温度。分析实验结果后知：组合板的混凝土厚度是影响其抗火性能的关键参数，虽然混凝土内部升温慢，但在火灾下2小时后，在混凝土内部的温度也已高于600摄氏度。最后定性分析了该楼板的影响参数，讨论了其受火极限状态下的破坏模式。韩金生和董毓利[13]研究了4块3跨连续板在火灾下的受火性能，由结果知，配置支座负筋可以提高楼板的耐火性能，但在升温与降温时，楼板会出现严重的内力重分布，支座反力会随之出现变化。郑云河[14]对压型钢板组合楼板临界温度和升温时间进行研究，分析了组合楼板的耐火性能。并通过试验数据及理论的计算，验证了台湾钢结构研究人员提出的只要组合楼板的混凝土厚度达到15 cm，就可以不使用楼承钢板防火涂料的理论，就可以通过降低造价促进压型钢板组合楼板的应用及发展。

总结国内外的主要试验研究结果如下：

(1)随着温度的上升，压型钢板与混凝土之间的粘结强度下降，并总结出压型钢板与混凝土的粘结强度随温度变化的规律；混凝土有良好的吸热及散热能力，可以有效地吸收压型钢板中的热量，使压型钢板不会独自升温。

(2) 组合板的混凝土厚度是影响其抗火性能的关键参数，只要组合楼板的混凝土厚度达到15 cm，就可以不使用楼承钢板防火涂料，同时支座负筋、拉结件和抗剪键也可以有效提高楼板的耐火性能。

二、研究方向与建议

1.组合楼板的抗火性能研究应该从只对单块组合楼板的受火研究慢慢向整体结构的受火研究过渡，只有同时对火灾下其他受力构件进行整体受力性能分析才能真实反应结构在火灾中出现的变形、支反力和内力重分布等情况，从而使研究结果能更贴近实际火灾的情形。

2.在建立有限元模型时，为了保证所建立的温度场分布和结构受力准确，应从材料力学性能以及热工参数入手，全面考虑火灾时不同材料发生的化学和物理变化。

3.为了指导火灾后的结构损伤评价及后续结构加固工作，火灾的研究应从整体结构体系出发，研究其火灾后相应的性能变化，通过研究火灾后结构的残余应变及应力，结合数值模拟，推导出相关力学性能指数的通用公式。

三、结语

对组合楼板的抗火性能研究我们已经积累了一定的成果，但能够更精准地对建筑结构做好防火设计，我们还有很长的研究之路要走，希望各位学者在未来能够选好方向，在理论研究、试验研究双管齐下，为我们建筑抗火事业做出伟大贡献！

参考文献：

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【作者简介】田兴兴（1994-），男，宁波职业技术学院，硕士，研究方向为结构防火。

项目：宁波职业技术学院校级青年课题，卷边槽钢-轻质预制板装配式组合楼板抗火性能研究。（课题编号NZ24036Q）