四边简支现浇混凝土空心楼盖火灾试验研究

吕俊利，仲崇强，赵考重，徐少华

（1.山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，山东济南250101；2.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101）

四边简支现浇混凝土空心楼盖火灾试验研究

吕俊利1，2，仲崇强2，赵考重1，2，徐少华2

（1.山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，山东济南250101；2.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101）

现浇混凝土空心楼盖适用于大跨度、大空间的建筑物，且承载力大，已在工程中大量推广使用。但是现阶段对于现浇混凝土空心楼盖火灾行为的研究较少，其中对火灾中楼盖的温度场分布和破坏形式的研究显得尤为重要。文章对四边简支足尺现浇混凝土空心楼盖在使用荷载和火灾耦合作用下进行火灾试验，并对试验板的破坏特征形式、温度场分布和平面内外变形进行分析。结果表明：试验板温度场存在较大的温度梯度，肋梁底面混凝土与顶面混凝土最大温差可达550℃，空腔处板底混凝土与板顶混凝土最大温差约为660℃，导致温度应力产生，使板的上部受拉，出现垂直于板边的裂缝；空腔在火灾中能够减少热量传递降低楼板上表面和肋梁侧面温度；试验板跨中最大竖向位移为72.5 mm，平面内最大水平位移为10 mm；在整个试验过程中，试验板未出现被烧穿的现象，同时变形恢复比可达70%，具有很好的抗火性能。

现浇混凝土空心楼盖；火灾试验；破坏形态；变形；温度场

0 引言

建筑火灾发生时，钢筋混凝土楼板在有效阻隔火灾向上蔓延的同时，承受着荷载与温度的耦合作用，是受火灾影响最为严重的构件之一。目前，对现浇混凝土普通楼板、预应力混凝土楼板、组合楼板的抗火性能已有较多的研究［1-14］。袁爱民等对4块无粘结预应力混凝土简支板进行了火灾行为试验研究，结果表明保护层厚度越大其耐火极限越长，但预应力度对构件的耐火极限影响不大［5］。王勇等对足尺钢框架结构中楼板火灾行为的试验研究，指出受火板格板顶裂缝模式主要取决于其边界条件，非受火格板裂缝特征取决于受火格板的位置及数量［6］。朱崇绩等进行2个足尺钢筋混凝土平板无梁楼盖试件的抗火试验，指出平板无梁楼盖的板顶裂缝最终形成对角呈双曲线形的破坏形式，与传统的塑性铰线理论的柱附近局部屈服线模式一致［9］。徐少华等指出现浇混凝土空心楼板具有较好的抗火性能［15］。但目前对现浇混凝土空心楼盖的火灾行为研究较少。

现浇混凝土空心楼盖兼有现浇混凝土楼盖和预制空心楼盖的优点，在大跨度、重荷载的建筑物中已广泛使用。因此文章利用水平火灾试验炉对四边简支足尺现浇混凝土空心楼盖在使用荷载和火灾耦合作用下进行了试验研究，并对火灾全过程中楼板的破坏特征、温度场特征、平面内外变形进行分析。

1 材料与方法

1.1 试件设计

试验在山东建筑大学火灾实验水平试验炉上完成，试验炉平面内部尺寸为4960 mm×9470 mm。楼盖空腔采用塑料模盒形成，模盒可以排列组合，因此可以形成不同尺寸的空腔。根据炉体尺寸，最后确定试验楼盖的平面尺寸为6680 mm×4640 mm（如图1（a）所示）。试验楼盖由边梁、肋梁及空腔共同组成，每4块模盒作为一个空腔单元，单元尺寸为900mm×900mm，厚度为150mm，单元与单元之间由宽度为120 mm的肋梁分格隔开。楼盖厚度为300 mm，模盒安装于距楼盖底面70 mm和顶面80 mm的位置处，设计混凝土的强度等级为C30，楼盖采用8＠200双层双向配筋，保护层厚度为20 mm，肋梁和边梁截面配筋如图1（b）、（c）所示。

图1 试件详图／mm

1.2 边界条件设计

试验板四边简支于火灾试验炉之上，采用板下垫钢球的方式来模拟边界条件，在每个钢球的上下两端各放置厚度为10 mm的钢板，以防止试件局部应力过大。为了避免在试验过程中由于试件产生的较大变形导致试件向一侧滑动，在试验板两临边（南侧与西侧）的跨中分别放置了一个与钢球相同高度的滚轴和固定支座。边界条件模拟完成以后，使用硅酸铝纤维毡将钢球间空隙封堵严密。

1.3 位移测点布置

采用差动式位移传感器对楼盖在火灾全过程中的变形进行不间断测量，数据通过Agilent34980A惠普数据采集仪自动采集并保存。在楼盖的中心线及1／4线处布置17个位移测点，其中15个为平面外测点，2个为平面内测点（4#、7#），位移测点平面布置如图2（a）所示。

1.4 温度测点布置

为探究试验板温度场的变化规律和分布状态，在板内共布置了13个温度测点（如图2（b）所示）。其中1～7号测点布置于肋梁截面处，8～13号测点布置于空腔位置处。肋梁截面处共布置10个测点，其中A～H为混凝土测温点，K、L为钢筋测温点。空腔位置截面处共布置7个测点，D为空腔中心处空气测温点，其余为混凝土测温点。肋梁及空腔截面测点布置如图2（c）所示。

图2 位移及温度测点布置图／mm

1.5 加载方案

火灾试验之前，利用砂袋对楼板施加2 kN／m2均布荷载，并在试验中维持荷载不变以模拟空心楼盖正常的工作状态。

2 结果与分析

2.1 试验板破坏特征分析

试验升温阶段共持续212 min，炉温最高可达1115℃，板跨中竖向位移最大可达72.5 mm，主要试验现象如下：升温12 min时，试验板板角开始出现上挠；升温22 min时，试验板边梁出现垂直裂缝，裂缝从板底开始向上发展，未形成贯通裂缝；升温23 min时，试验板边梁底部有水析出；升温27 min时，试验板边梁出现多条发展于板底的垂直裂缝。升温35 min时，试验板角部呈现悬空状态，后来多处支座脱离工作状态；升温54 min时，试验板跨中肋梁顶面热电偶测点处开始出现水迹；升温55 min时，试验板跨中处开始出现大量水蒸气，同时板底处有大量水珠出现；升温74 min时，板顶东侧跨中1／2处出现自东向西的编号为1的裂缝，且裂缝不断发展，宽度不断增大；升温77 min时，出现编号为2的裂缝；升温82 min时，板底局部混凝土脱落，板底钢筋露出，板面出现较多明显裂缝；升温92 min时，3号裂缝开始在板面上出现；升温94 min时，4号裂缝出现于板面；升温107 min时，随着试验板温度升高，板顶的水量蒸发逐渐减小；升温212 min时，停止燃烧，试验板板跨中竖向位移达到最大值，楼盖未出现被烧穿现象。图3（a）、（b）为试验后试验板受损照片，板顶裂缝分布如图3（c）所示。

图3 板受损状况图／mm

图3中，板顶面出现了垂直于板边的裂缝，边梁上出现了较多的斜裂缝和垂直裂缝。这是由于现浇混凝土空心楼盖在火灾作用下，板内温度场存在明显的温度梯度，从而产生温度应力，板的上部受拉，出现了垂直于板边的裂缝。同时，受高温作用后，板底混凝土损伤退出工作，钢筋力学性能下降，空心楼盖的传力方式发生改变，由四边支承的空心楼板转化为“密肋楼盖”。由于四周边梁的相互约束使边梁内产生扭矩，边梁上产生斜裂缝。

2.2 温度场分析

2.2.1 肋梁截面混凝土温度场

沿肋梁截面高度方向布置了8个热电偶，编号为 A、B、C、D、E、F、G、H的热电偶距离板底的高度分别为 20、40、60、110、160、240、260、280 mm。由试验结果知，肋梁的温度场变化规律基本一致。肋梁L2测点温度—时间曲线如图4（a）所示。

由图4（a）得知，肋梁底部受火面处与肋梁顶部存在较大的温度梯度，温差最高可达550℃；距试验板受火面20 mm的测点A处混凝土升温速率最快，最高可达10℃／min，随燃烧时间的增长各测点混凝土升温速率逐渐降低。测点A处的肋梁底部混凝土温度低于炉温约260℃。肋梁截面处的各相邻测点的温差与测点距离板底受火面的高度成反比，测点距离受火面越远，温差越小。除测点A外，其余测点在混凝土温度上升到100℃时，由于水蒸气的产生带走一部分热量，曲线都出现一个温度平台停火后，各测点温度在一段时间内仍然保持上升趋势，测点最高温度在停火后获得。相较于三面受火梁，由于肋梁两侧空腔底板未被烧穿，因此肋梁为单面受火，且其侧面只受到空腔中气体的热对流作用，导致肋梁的温度场中存在较大的温度梯度现象。

2.2.2 空腔截面混凝土温度场

沿空腔截面高度布置7个测点，编号为A、B、C的3个测点距离板底高度分别为20、40、60 mm，编号为D的测点在空腔之内，用来测量楼盖空腔内温度，编号为E、F、G的3点在空腔上部的混凝土中，距离板底高度分别为245、270、295 mm。由试验结果知，沿空腔截面高度方向混凝土温度场变化规律基本一致。空腔截面温度—时间曲线如图4（b）所示。

图4（b）中空腔上部混凝土温度大致相同，各测点的温差远小于板底混凝土各测点温差。距离板底最近的A测点从点火开始温度上升最快，混凝土温度最高时可达800℃。由于混凝土的热惰性及空腔较好的隔热性能导致板顶面与板底温差较大，在燃烧阶段，板顶温度最高约为100℃，板底温度最高可约达800℃。空腔内温度最高约达176℃。

2.2.3 肋梁内钢筋的温度

不同位置处肋梁内钢筋的温度由7组热电偶测点测得，每组测点包含2个测点，编号为I、K的温度测点分别布置在距离肋梁底面高度20、280 mm位置处，其中L3-I与L5-I数据有误需舍去。肋梁钢筋的温度变化如图4（c）～（f）所示。

图4 混凝土与钢筋温度曲线图

试验炉点火后，肋梁底部钢筋温度开始缓慢上升，由于底部钢筋与试验炉内的高温气体距离较近（20 mm），受炉温的影响较大。在炉温低于600℃时，底部钢筋温度始终低于100℃，炉温超过600℃时，底部钢筋温度迅速上升，最高温度可达620℃。而炉温低于800℃时，顶部钢筋温度基本维持在10℃，与实验室温度基本保持一致，炉温超过800℃时，顶部钢筋温度才迅速上升。其主要原因为升温曲线炉温模拟真实火灾的轰燃现象，炉温由室温上升至600℃所需时间很短，钢筋始终被混凝土包裹且混凝土的热惰性使得温度向钢筋的传递较慢，因此钢筋温度滞后于炉温一段时间。

2.3 试验板平面内外变形分析

2.3.1 平面内的变形

4#位移传感器的所采集到的时间—位移曲线如图5（a）所示，位移为负时表示向外膨胀，位移为正是表示向内收缩。试验开始后板受热产生膨胀变形，至停火前水平位移大致呈线性发展，由于试验板的南北方向跨度大于东西方向跨度，南北膨胀量略大于东西膨胀量，膨胀量最大可达到10 mm。停火之后，试验板开始收缩恢复，2个方向在前期呈线性发展，7号测点在停火2 h后基本停止收缩变形，而4号测点在停止数据采集时基本恢复至试验开始前状态。

2.3.2 竖向挠曲变形

1／4板跨处炉温—位移曲线与板中心点炉温—位移曲线分别如图5（b）、（c）所示，位移为正时表示向下的竖向位移。板跨度1／4处的位移从试验开始至停火这段时间内持续增长，且与时间基本呈线性关系，表明试件的刚度没有因高温而发生突变。整个试验过程板跨中处竖向位移的发展可分为4个阶段。第一阶段炉温低于600℃时，试件的挠度变形很小；第二阶段炉温超过600℃时，试验板挠度位移速率显著增大，炉温达到极值时变形达到最大，最大位移达72.5 mm；第三阶段停止燃烧后，炉温从1115℃下降至600℃的时间段内，出现显著的位移平台，试验板挠度基本不变；第四阶段当温度降到400℃时，试验板的竖向位移速率突增，且呈线性发展至试验结束，到数据采集停止时，中心点处残余变形为20.75 mm，恢复比达71.38%，说明受火后试件仍残余较大的刚度。

图5 试件变形曲线图

3 结论

在使用荷载与温度耦合作用下，对四边简支足尺现浇混凝土空心楼盖进行了试验研究，并对试验板的破坏特征、温度场特征、平面内外变形进行分析，结果表明：

（1）现浇混凝土空心楼盖在火灾作用下，板内温度场存在明显的温度梯度，肋梁底面混凝土与顶面混凝土最大温差可达550℃，空腔处板底混凝土与板顶混凝土最大温差650℃左右，从而产生温度应力，导致板的上部受拉，出现了垂直于板边的裂缝。

（2）受高温作用后，板底混凝土损伤退出工作，钢筋力学性能下降，空心楼盖的传力方式由四边支承的空心楼板转化为“密肋楼盖”，由于四周边梁的相互约束使边梁内产生扭矩，边梁上产生斜裂缝。

（3）空腔在火灾中能够减少热量传递降低楼板上表面和肋梁侧面温度，因此，在长时间高温作用下试件未被烧穿。试验板跨中最大竖向位移72.5 mm，平面内最大水平位移10 mm，同时试件的变形恢复比可达70%，受火后试件仍剩余较大刚度，说明现浇混凝土空心楼盖具有较好的抗火性能。

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Stady on test of fireresistance of simplysupported on four sides of cast-in-place concrete hollow floor

Lv Junli1，2，Zhong Chongqiang2，Zhao Kaozhong1，2，et al.
（1.Shandong Provincial Key Labratory of Appraisal and Retrofitting in Building Structures，Jinan 250101，China；2.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The cast-in-situ concrete hollow floor with large span，heavy load，large space，flat plate beam technology，has been applied to a number ofmajor projects.The present stage for the research on fire behavior of cast-in-situ concrete hollow floor is still less，and it is particularly important in the fire temperature field distribution and the form of destruction.In this paper，four edges simply support full-scale in-situ concrete hollow floor in fire under the coupling action of load and fire is presented，and test slab’s temperature field distribution，in-plane and out of plane deformation and destruction are analyzed.The results show that there is an obvious temperature gradient inside the test floor，the maximum temperature difference of the rib beam and cavity can reach 550℃and 660℃，causing the temperature stress，making the upper partof the plate to be pulled and appearing perpendicular cracks to the edge of the plate.Cavities can block the partial heat transfer in fire and reduce the temperature on the upper surface of the floor and the side of the rib beams.Themaximum vertical displacementof the test plate is72.5 mm，and themaximum horizontal displacement is10 mm.Throughout the test，the floor has notbeen burned through and the deformation recovery ratio is up to 70%，showing better fire resistance ability.

cast-in-situ concrete hollow floor；test of fire；failure mode，deformation；temperaturedistribution

TU375

A

1673-7644（2017）05-0421-05

10.12077／sdjz.2017.05.003

2017-08-18

国家自然科学基金项目（51308328）；山东建筑大学博士基金项目（XNBS1302）

吕俊利（1978-），男，副教授，博士，主要从事结构抗火等方面的研究.E-mail：ljl1978＠163.com［*

］

（学科责编：赵成龙）