压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能的研究现状与展望

刘昊琨，李延涛，刘 毅，宗金辉(. 河北工业大学 土木工程学院，天津 30040；. 淮海工业集团有限公司 资产管理部，山西 长治 0460)



压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能的研究现状与展望

刘昊琨1，李延涛1，刘 毅2，宗金辉1
(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 淮海工业集团有限公司 资产管理部，山西 长治 046012)

摘要：压型钢板-混凝土组合楼板具有刚度大、自重轻、韧性好、施工便捷和后期使用维护方便等优点，因此被广泛运用于高层结构中．由于高层结构层数多，火灾下逃生困难，因此高层结构的耐火性能直接关系到广大人民群众的生命财产安全．对压型钢板-混凝土组合楼板耐火性能的研究是当前钢混组合结构研究的重点，国内外许多学者都对此做了大量的研究工作，包括试验研究、理论研究和工程设计方法的研究．这些研究成果对现阶段组合结构的防火设计发挥着重要的指导作用．本文对已有的部分研究成果和工程实际应用进行了归纳总结，指出了现有研究的不足，并对今后的研究方向和发展趋势进行了展望．

关 键 词：压型钢板-混凝土组合楼板；抗火性能；试验研究；理论分析；工程设计

随着中国经济的迅猛发展，人口和建筑群日益密集，尤其是越来越多的高层和超高层建筑拔地而起．由于楼层高度的增加，导致建筑火灾的隐患增大，对人的生命财产安全构成严重的威胁．2001年9 月11日，美国纽约世贸大厦双子塔遭到恐怖分子的袭击，在大火中，两栋高楼迅速倒塌，被夷为平地，这次事件伤亡3,465人，造成直接经济损失255亿美元，间接经济损失则高达2,000亿美元；2004 年10月17日，委内瑞拉首都一栋56层221,m高的双子塔发生大火，火灾持续18,h，造成数亿美元的直接经济损失；2003年11月3日，湖南衡阳一大型商场发生特大火灾，导致3,000多m2的建筑整体倒塌，20名消防官兵遇难；2009年2月9日，由于违规燃放烟花爆竹，导致在建的央视新大楼北配楼发生特别重大火灾事故，造成1名消防员遇难，6名消防员和2名施工人员受伤，经调查，建筑物过火、过烟总面积达21,333,m2，造成直接经济损失16,383万元[1]．

压型钢板-混凝土组合楼板因具有自重轻、刚度大、承载力高、塑性和韧性好、施工过程简单和后期维修使用方便等优点，而被广泛运用于超高层结构和大跨度结构中．因此，研究压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能，建立组合楼板的抗火设计理论，寻找最优的组合楼板防火保护方法，最大限度地提高其耐火极限，对结构抗火性能的研究有着非常重大的意义．为此，笔者对国内外压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能的研究现状进行了分析总结，对国内已有的抗火设计规范进行讨论，指出组合楼板抗火性能今后的研究方向和发展前景．

1 国内外组合楼板抗火性能研究

压型钢板-混凝土组合楼板是由压型钢板和混凝土组合而成．根据压型钢板在组合楼板中的作用，可以将楼板分为组合楼板和非组合楼板：非组合楼板中，压型钢板仅起到模板的作用，不参与受力，其底部不需要做防火处理；组合楼板的压型钢板既参与受力，又被当作模板，其底部须做防火处理．在高温作用下，组合楼板的截面存在温度梯度，材料的性能发生退化，相邻未受热的构件对受热构件产生约束，导致火灾下楼板反应极其复杂．因此，许多学者对组合楼板的火灾进行试验研究，并在此基础上进行了数值模拟，研究范围包括试验研究、理论研究和设计方法研究．

1.1 试验研究

1.1.1 国外研究现状

国外对压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能研究开展得较早，目前已经形成了一套较为成熟的组合结构抗火设计方法．荷兰学者Brekelamans等对不同约束条件下的钢-混组合楼板进行了一系列的抗火试验研究，分析了简支边界条件[2]、连续板边界条件[3]和固支边界条件[4]下组合楼板在高温下的力学反应和耐火极限；Foster和Bailey等[5]对15块钢筋混凝土楼板进行了常温下的加载试验，绘制出荷载大小与楼板变形的关系曲线，对楼板破坏时所出现的薄膜效应进行了研究，并通过观察记录楼板裂缝的出现与发展情况，分析了常温下楼板薄膜效应的形成机理和影响因素，包括楼板的长宽比、钢筋种类和直径、混凝土等级等等．

Jan Bednář等[6]对钢纤维混凝土组合楼板的受力性能进行了试验研究，通过试验绘制出不同温度下楼板的力和挠度的关系曲线．研究表明：钢纤维混凝土组合楼板具有很好的延性，在温度达到500,℃时，延性达到最高，此时能够形成一定的薄膜效应；并在一定程度上提高了楼板的承载力；压型钢板的凹槽能够显著提高楼板的抗剪承载力，使其避免发生剪切而破坏．

S.Guo对6块有固定端约束的压型钢板-组合楼板进行了火灾升温和降温试验研究，在不同荷载和升降温作用下，记录随着时间和温度的变化，楼板的挠度变化和楼板支座处支反力的变化情况[7]．试验结果表明：不同受火工况对组合楼板的力学性能影响很大，支反力在从升温到降温的过程中，会出现剧烈变化，并伴随有内力重分布；降温时挠度的恢复值受荷载的影响较小，而受受火工况的影响较大；相同受火工况条件下，受荷载较小的楼板，在降温过程中会向上拱起．这是因为在升温时钢板受热膨胀，又因受到混凝土的约束产生塑性压应变，在降温时钢板收缩，当收缩到比混凝土板长度小时，楼板便会产生向上拱起的现象．

1.1.2 国内研究现状

国内开展相关领域的研究相对较晚，且主要集中在同济大学、公安部天津消防研究所、中国科学技术大学、四川大学等高校和学术研究机构．

蒋守超和李国强对8块不同温度状态下的楼板进行加载破坏，分别测定其相应的黏结强度，并且根据相应的数据记录，拟合出了温度与黏结强度的曲线，给出了黏结强度在不同温度下的计算公式；试验表明，随着温度的升高，压型钢板与混凝土之间的黏结强度下降，但下降曲线趋于平缓，因此在组合楼板火灾行为的分析中，黏结滑移性能对整个试验的影响可忽略不计[8]；对4块钢桁架组合楼盖进行了恒载升温耐火试验研究，结果表明，压型钢板的厚度对组合楼盖的抗火性能影响不大，而钢梁的抗火性能对组合楼盖的抗火性能影响十分显著；由于钢梁的作用，组合楼板的纵向抗剪强度在火灾中对承载力不起控制作用，火灾下，楼板的纵向抗剪能力的丧失也不能作为判断组合楼盖达到抗火极限承载力的标准[9]．

韩金生和董毓利对3个简支组合楼板试件进行耐火性能分析，研究了不同楼板跨度和不同抗剪连接条件下对楼板耐火极限的影响，试验结果表明，简支组合楼板的抗火性能较差，主要影响简支组合楼板耐火极限的因素是板的跨度，减小跨度能够提高板的耐火极限，而抗剪连接方式对组合楼板耐火极限的影响很小，只是在板的挠度变形已经比较大，接近坍塌的时候，抗剪连接件才起到一定的作用，并在一定程度上提高了板的耐火极限[10]；对4块三跨连续板进行了火灾试验分析，结果表明，连续楼板由于配置了支座负筋而提高了其耐火性能，但在升温和降温过程中，会产生剧烈的内力重分布，支反力变化迅速，其中受火工况和构造条件对其内力重分布影响较大[11]．

陈一鸥对5块无受力筋的压型钢板-组合楼板进行了火灾试验研究，记录了不同厚度组合楼板在不同的加热时间下，炉温和背温的温度值以及跨中的挠度，结果表明，压型钢板代替楼板的下部受力筋，且压型钢板上有许多凸起，增加了钢板与混凝土的结合能力，压型钢板的升温会很快传到混凝土内部去，使得压型钢板与混凝土共同升温．由于混凝土的水分在高温下蒸发，带走了一部分热量，从而延缓了温度的升高，起到了防火作用[12]．

由此得出国内外的试验研究成果主要有以下几点：

(1)随着温度的升高，钢板与混凝土之间的黏结强度下降；当温度升高到一定值时，黏结强度趋于稳定．高温下，由于钢材的膨胀，以及其良好的延性，组合楼板内部会产生薄膜效应，对楼板的承载力有一定的提高．

(2)楼板的约束条件对其高温下的受力性能影响显著；固定端楼板的抗火性能优于简支楼板的；小跨度楼板的耐火极限大于大跨度楼板的；混凝土与压型钢板的抗剪连接方式对高温下组合楼板的极限承载力影响较小．

(3)对于有钢梁的组合楼板，钢梁的抗火性能对楼板的耐火极限起着决定性作用，钢梁需要有足够的承载能力，且要做好防火保护．当钢梁失去承载力时，也就宣告了楼板的破坏．

1.2 理论研究

理论研究主要包括温度场研究和热-结构耦合研究．学者们主要从材料热工参数、构件热力学性能、结构在高温下的内力与变形等方面，通过编制有限元程序来对温度场以及高温下的结构场进行模拟．

1.2.1 温度场研究

温度场的计算理论已经比较成熟．对于组合楼板的温度场研究，一般采用有限元法，通过运用ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件进行模拟分析；或者运用有限差分法、有限元和有限差分相结合的方法进行编程计算，也有学者运用解析法或者半经验方法进行分析．

李国强等[13]和徐朝晖等[14]提出了三种火灾下组合楼板的传热模型，即热对流、热传导和热辐射．这三种传热模型囊括了所有楼板升温时的热量传递过程．许多有限元程序的编制和数值分析方法都是基于这三种传热模型而建立的．

在升温过程中，材料性能的变化是一个复杂的过程．比如在高温下，混凝土中水分的蒸发会带走部分的热量，一定程度上阻止了温度的升高；混凝土中不同组分在高温下的化学反应，也会对热容产生较大影响，这些因素对温度场的分布影响很大．在进行热分析和结构分析时，只有正确描绘出材料性能的变化情况，选择合理的热工参数，才能准确分析温度的分布情况和受力情况．Lie[15]、Lie 和Chabot[16]在计算截面温度场时考虑了混凝土中水蒸气的影响，较准确地模拟出火灾下截面温度场的分布情况，且与试验吻合较好．

1.2.2 热-结构耦合研究

毛小勇等[17]用有限元软件ABAQUS，选取合理的热工参数和材料的热力学模型，定义正确的边界条件，建立了钢混凝土组合楼板在标准升温曲线下的有限元分析模型；用热工参数确定的热分析步求解出火灾下构件的温度场，然后将温度场导入力学模型中，再设置不同温度下的材料属性，进行相应的力学计算．

蒋守超等[18-19]利用有限元编程，分别对简支板和两跨连续板进行火灾荷载模拟．在分析过程中，通过改变荷载大小、组合板厚度、压型板厚度以及负弯矩钢筋的大小等影响因素，来判断其对组合楼板耐火性能的影响．分析结果表明，压型钢板的厚度对组合楼板的耐火极限影响很小；其耐火时间随着荷载的增大而减小，随着组合楼板厚度的增大而增加；同时还提出了将不考虑压型钢板作用的素混凝土板内力指标作为组合楼板耐火时间的影响因子，拟合出了组合板与内力指标参数的关系式．

徐蕾等[20]应用有限元和有限差分法相结合的方法，对钢混凝土组合楼板进行了温度场模拟和参数化分析．结果表明：组合板的耐火性能优于无保护层的钢结构的；耐火极限随着板厚和混凝土强度的增加而提高，随着含钢率和钢材强度的增加而降低.

S.Guo[7]运用ABAQUS对压型钢板-组合楼板进行了温度场模拟和参数化分析．选取随温度变化的材料热工参数和力学指标，模拟结果与试验吻合较好；并进一步分析了升温和降温过程中，温度场分布的变化趋势．在参数化分析中的研究表明，钢板的厚度对楼板在火灾下的力学性能有显著的影响，而混凝土等级和网格尺寸对其影响不大．

概括国内外的理论研究成果主要有：①提出热对流、热传导、热辐射等三种传热方式，建立三种方式下的传热微分方程；从单元热平衡的角度出发，描述热量在固体材料内部以及固体与空气之间的传递过程，为楼板的温度场分析奠定基础；②编制出计算楼板温度场的有限元程序，并运行计算；其计算结果与试验结果相吻合，验证了程序的正确性与可行性；③运用有限元模拟进行高温下楼板的热力耦合分析．通过改变楼板的参数，可以分析楼板的尺寸、材料强度、边界条件等因素对楼板耐火性能的影响，解决许多试验中无法验证的问题．

1.3 工程设计方法

1.3.1 基于小挠度破坏准则的设计方法

此种方法在进行楼板抗火分析时，只考虑组合楼板的承载能力和抗变形能力，不考虑其绝热功能，即把组合楼板作为单纯的结构构件处理．当构件丧失承载能力或变形过大(挠度超过跨度的1/20)时，即认为构件达到抗火极限状态，此时的受火时间即为构件的耐火时间[21]．

1.3.2 考虑薄膜效应的设计方法

组合楼板的薄膜效应是指在火灾发生时，虽然部分支撑楼板的钢梁和压型钢板失去了承载力，楼板在火灾下产生了很大的变形，但楼板依靠混凝土内部的钢筋网形成的薄膜作用还可以继续承受荷载，而不至于楼板马上坍塌[22]．考虑薄膜效应后，楼板在火灾下的承载力比基于小挠度破坏准则的抗火设计方法得出的承载力高出许多．因此，钢结构建筑中，正确考虑楼板的薄膜效应，充分发挥楼板的承载力潜能，对提高楼板耐火极限、节约构件防火成本，有着非常重要的意义．

GBJ16—1987《建筑设计防火规范》[23]规定：一级建筑物楼板耐火极限1.5,h，二级建筑1,h，三级建筑0.5,h．由于考虑薄膜效应后，楼板在受火破坏前，随着受火时间的延长，楼板极限承载力逐渐提高．所以三种等级的建筑物可统一按照1.5,h耐火极限进行设计．现阶段所采取的楼板薄膜效应的设计方法是基于屈服线理论的设计方法，即根据屈服线理论，求出楼板在常温下的承载力和承载力提高系数，两者相乘即为考虑薄膜效应的承载力[24]．

2 存在的问题

对于压型钢板-混凝土组合楼板的耐火性研究，国内外学者已经做了大量的研究工作，包括试验研究和理论研究，取得了一定的科研成果，并已广泛运用于建筑工程的防火设计中．但对组合楼板耐火性等进行深层次研究较少，主要存在以下问题：

(1)现阶段对于压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能的研究仅仅局限于楼板的研究，而缺少对于楼板在整体结构中的研究．火灾中，由于楼板是与梁、柱一起整体受力的，这种结构体系的受力与单个构件在试验中的受力情况是有偏差的．

(2)对于压型钢板-混凝土组合楼板的抗火试验研究，其受火情况大部分是按照标准升温曲线进行试验，在用有限元软件进行模拟时，也是采用标准升温曲线对温度场进行模拟；而火灾是小概率的极端事件，并且室内火灾的升温过程具有很大的随机性，受周围环境的影响较多，采取统一的标准升温曲线进行分析，必然会与实际结构在火灾中的反应有一定的差异．

(3)对于高温下材料的力学性能、热工参数及本构关系，仍有待于进一步研究．由于试验方法和试验设备的限制，学者们对于火灾下材料性能的研究仍然不够深入，对于热力共同作用下的材料性能、火灾中材料的损伤机理研究得更少；材料在升温过程中所发生的一些物理化学变化，都会对结构的温度场分布和受力性能产生影响，而这些影响在软件模拟中，还无法准确地描述．由于材料性能参数的选取不准确，导致理论研究结果与试验研究结果存在一定差异．

(4)对于火灾后组合结构的承载能力评估和加固措施的研究仍不完善．火灾过后，钢和混凝土的材料性能进一步下降，结构变形增大，承载力大幅降低；而由于现有科研条件和经济条件的限制，国内外学者对于火灾后组合楼板的结构和材料性能的研究还不够深入，还无法对火灾后的结构提出合理的改进和加固措施．

(5)目前耐火试验的成本昂贵，有时试验还无法准确描述真正的结构体系受火情况．对于试验无法解决的问题，通常是运用热分析理论和结构分析理论，建立以计算为主的设计方法．但此种方法不具有针对性，仅仅依据耐火规范，运用力学原理进行分析计算．虽然此种方法已较为成熟，但仍然存在不经济、不合理、成本高等缺点．

3 研究方向与建议

(1)对于组合楼板的耐火性能分析，应当从对单个组合楼板的受力分析过渡到以整体结构为基础的受力分析，研究组合楼板、梁和柱的整体受力性能；研究在火灾下，考虑实际约束条件下结构整体的变形、内力重分布以及支反力变化情况，使得分析结果更加接近实际情况．

(2)对升温曲线的选取，应当对火灾升温段的持续时间和所能达到的最高温度进行统计，基于两者的统计规律，建立其与房间面积、开口因子以及火荷载密度等变量之间的关系．对于不同的建筑物、不同的结构形式和使用功能，采用不同的升温曲线进行耐火分析，这对于节约结构防火成本、提高结构耐火极限有着重要的意义．

(3)从材料的力学性能、热工参数着手，充分考虑不同材料在高温下的物理与化学变化，以及这些变化对温度场分布和结构受力情况的影响，建立更精确的高温下材料力学模型和热工参数变化模型．只有选取合适的材料参数，才能准确模拟楼板的温度场分布和结构的力学性能．

(4)需要全面认识基于火灾全过程的结构体系的性能变化，合理确定火灾作用后，结构构件的残余应力和残余变形的大小，通过试验和数值模拟，提出较为准确的力学性能指标的计算公式，这对于火灾作用后结构的损伤评估和加固工作，有着重要的指导作用．

(5)要由基于耐火试验和计算为主的抗火设计方法向性能化结构抗火设计方法转变．性能化结构抗火设计是对结构抗火需求进行改进，根据不同的结构形式，以人员安全和火灾下经济损失最小为设计目标，直接对结构抗火需求做出准确判断，最大程度模拟出结构的实际抗火能力，在抗火设计中做到因地制宜，既经济又合理，是一种先进的抗火设计方法．

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能源与机械

环境与市政

The Research Review of the Fire Resistance of the Profiled Steel Sheeting-concrete Composite Slabs

LIU Haokun1，LI Yantao1，LIU Yi2，ZONG Jinhui1
(1. School of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2. Department of Asset Management，Huaihai Industry Group Corporation，Changzhi 046012，China)

Abstract：The profiled steel sheeting-concrete composite slabs have advantages of high stiffness, light weight, high toughness, easy construction, and convenient use and maintenance in the late. Therefore, it is widely used in the high-rise structure. However, it is hard to flee for human life under fires because of the multiple layers in the structure. Consequently, there is a direct connection between the fire-resistance performance of high-rise structure and the safety of life and property. The study of the fire-resistance on the profiled steel sheeting-concrete composite slabs is the focus of the study on the steel-concrete composite structures in modern times. Scholars at home and abroad have made a lot of research work, including experimental research, theoretical research and the method research of engineering design. These achievements play an instructive role on the design of fire-resistance in composite structure. This paper reviews the current research achievement and engineering application, pointing out the defect of the existing research. Furthermore, the direction of future research and the tendency of development are suggested.

Key words：the profiled steel sheeting-concrete composite slabs；ability of fire resistance；experiment rsearch；theory analysis；the design of engineering

通讯作者：宗金辉（1974—），男，副教授，博士，从事地下结构工程和结构抗火的研究．E-mail：walkeryong@126.com

作者简介：刘昊琨（1990—），男，河北保定人，河北工业大学硕士生．

收稿日期：2015-03-20；

修订日期：2015-04-27

中图分类号：TU398.9

文献标志码：A

文章编号：2095-719X(2016)01-0022-05