高层建筑楼板混凝土构件的防火耐热性能研究

原伟，蔡子为，庞瑞

（1.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001；2.中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610106）

0 引言

高层建筑发生火灾，已经成为威胁居民安全和社会发展的重要灾害之一。高层建筑发生火灾具有火势蔓延较快、疏散困难以及扑救难度大等特点，同时因为高层建筑结构较为复杂、且人员密度较大，所以一旦发生火灾，则很难进行控制和逃离，多起高楼火灾的救援案例表明，现已有救援手段不能完全适用于高楼建设的发展[1]。

现代建筑广泛采用钢筋混凝土结构，因为混凝土具有使用寿命长、维修费用低、热稳定性较好、施工多样性、整体构造好、原材料来源广泛、可塑性良好及工艺简单等优点。同时混凝土是热惰性材料，可以承受200~1300℃的高温，不过在火灾中所产生的高温仍然会使混凝土的性能出现较大的变化，虽不会丧失所必要的承载功能，但对处于火场内的建筑构件也会造成不利的影响[2]，且在高温作用下很难维持所需要的物理力学性能，导致火灾过后出现构件形变，严重时甚至可能出现坍塌情况[3]。针对上述情况，本文对高层建筑楼板混凝土构件的防火耐热性能进行了测试研究。

1 构建建筑火灾模型

1.1 网格模型

对建筑楼板进行二维平面建模，得到具体有非稳态导热、常物性以及无内热源模型的网格图像。如图1所示[4]：

图1 模型网格图像

1.2 能量方程

具体有非稳态导热[5]、常物性以及无内热源的能量方程为：

T——温度，℃；

t——时间，s；

x——材料的厚度，mm。

2 边界条件

物体导热的边界条件可以归纳成下列3种：

（1）规定边界温度值Tw：即t>0时，Tw=f1（t）；

（3）规定边界的物体和附近流体表面的周围流体温度Tf，即t>0时，Tf=hTw。

3 实验仿真测试结果分析

3.1 实验环境

为了验证高层建筑楼板构件的防火耐热性能，对其进行测试。实验制作8块预制混凝土楼板，4块为预应力试件，编号Z-1~Z-4；4块为非预应力试件，编号为ZM-1~ZM-4。具体试件参数如表1所示。

表1 预制混凝土楼板试件的参数

实验采用卧式燃烧炉，利用ISO 834的升温曲线实现升温可视化，在测试前改造燃烧炉炉膛尺寸，使其平面尺寸为3.5 m×3.0 m，保持楼板的受火段长度为3.0 m，依据测试条件以及楼板的设计，将测试分成2个炉，每个炉4块楼板，第1炉的试件编号为Z-1、Z-2、ZM-1、ZM-2，第2炉的试件编号为Z-3、Z-4、ZM-3、ZM-4，将其随机放置炉内。

在试件底部进行单面受火，端部放在卧式燃烧炉的燃烧壁上，在楼板的面上放置砝码块，以此均匀施加荷载，且在整体受火测试过程内保持不变，顶面与侧面都是背火面，先在各试件以及砝码上安装钢丝绳固定，一旦试件变形高于耐火极限，则通过钢丝绳把砝码以及试件吊住，减小荷载。

在进行测试前，连续试件的左、右悬挑端要设置预紧钢丝绳，便于约束悬挑端出现上翘，其为受火跨提供一定程度负弯矩。而钢丝绳上端用于固定试件，下端用于固定粗钢筋。

3.2 测试结果和分析

3.2.1 测试现象

第1炉与第2炉的受火升温时间分别是120、140 min，第1炉的受火测试，挠度发展较快，在受火15 min后，每个试件的顶部都能够看到显著变形，在受火20~24 min时，相邻的试件间缝隙，首先会出现少量白色的蒸汽，接着背火面会陆续析水，产生水渍。随着受火时间的延长，水渍的面积不断扩大，同时生成大量蒸汽，使燃烧炉上方白色的蒸汽越来越浓，而试件竖向挠度显著，两端存在显著翘起，并且跨中挠度的变化率不断增大。在受火40 min以后，背火面水渍就开始消失，且白色的烟雾也逐渐减少。在受火61 min时，多次听到燃烧炉中出现明显大小不同噼啪声，是因为迎火面的混凝土出现局部爆裂所导致的，在受火85 min时，试件Z-1的跨中挠度达到250 mm，而跨中挠度变化率为11 mm/min，已经超过跨中挠度的变化率耐火极限。试件Z-2、ZM-1分别在96、93 min时，达到跨中挠度变化率的控制耐火极限。在受火120 min时，ZM-2跨中挠度达到200.6 mm，挠度变化率为10.6 mm/min，该试件已经接近防火耐热的极限变形值。

第2炉的试件的受火测试挠度发展比较缓慢。在受火34 min时，试件两端的支座周围背火面都出现受拉裂缝，而随着受火时间的延长，裂缝位置逐渐向受火跨一端发展，裂缝宽度总体上随着受火时间的延长变大，在受火140 min时，第2炉的试件测试终止，而水蒸气的蒸发以及混凝土的爆裂情况都和第1炉的试件相似。

在停火终止测试后，试件自然冷却至室温，拆除测试装置，对试件的受火测试情况进行观察。从颜色能够看出，混凝土的板侧迎火面呈现灰白色，而背火面呈现灰色，且灰白色高度随着受火时间的延长而增大。

带有粉刷层的4个构件Z-2、Z-4、ZM-2、ZM-4全部出现不同程度脱落情况；在相同受火条件以及混凝土强度等级下，4个预应力试件Z-1~Z-4都出现不同程度混凝土爆裂的情况，所以，可以认为，预应力是影响楼板爆裂重要的原因，楼板施加预应力会极大程度地提高混凝土的压应力水平，不过会致使迎火面的混凝土产生爆裂。

各组楼板试件的爆裂面积、粉刷层脱落面积以及爆裂最大深度如表2所示。

表2 楼板试件的混凝土和粉刷层脱落状况

全部试件的受火面都布满因高温所致的龟裂裂缝。而板底以及板侧都有显著的横向裂缝，该裂缝垂直穿过叠合层向着板顶发展，产生多条直接从板底贯穿至试件顶部横向的裂缝，最宽的裂缝达到15 mm。其中连续试件支座周围的背火面间隔都出现了若干条横向受拉的裂缝，因为此区域存在负弯矩的钢筋，所以背火面的受拉区域缝隙宽度与缝隙的分布都与常温的测试相似，每个试件最大的裂缝宽度为0.3~0.6 mm。和常温测试不同，在受火测试以后，各试件板侧的表面都能够看到沿叠合面纵向水平缝隙，而缝隙位置在2~3 cm的深度以后，试件的内部叠合面都没有看到显著水平裂缝。

由此可以证明，水平的裂缝只是表层缝隙，在火灾中混凝土和预制底板都在协同受力。所有试件遭到破坏都是因为跨中区域的横向受拉缝隙所导致的弯曲损坏，损坏时各试件跨中的挠度较大，延性较好。

3.2.2 楼板构件的负弯矩

连续的楼板悬挑端实际测量负弯矩主要包括2种：主梁端部受压生成的负弯矩和约束试件悬挑端上翘生成的负弯矩。每个试件左、右悬挑段起始负弯矩约为20 kN·m，负弯矩M代表实际测试钢丝绳下拉的荷载N与荷载的作用点到支座距离a之积。连续试件的悬挑端实际测试负弯矩-时间曲线如图2所示。

图2 连续楼板试件悬挑端负弯矩-时间曲线

由图2可以看出：

（1）各试件的左、右两悬端实际测试的负弯矩-时间曲线都大约经过3个阶段：第1阶段是上升段，在受火初期时，板底比板顶更具有显著膨胀趋势，原因在于板顶面没有受火，悬挑端存在上翘的趋势，因为预紧钢丝绳约束的作用，致使悬挑端的负弯矩渐渐增大；第2阶段是水平段，随着受火时间的持续延长，每个试件悬挑端的负弯矩都陆续到达最大值，且一段时间几乎维持不变，而主梁端部受压生成的负弯矩与约束悬挑端上翘生成的负弯矩之和达到最大，在悬挑端上翘作用不断减弱时，致使悬挑端的实际测试负弯矩逐渐降低。

（2）每个连续试件最大的实际测试负弯矩接近，在4.16~4.73 kN·m之间。

3.2.3 楼板构件的耐火极限

随着温度的升高，钢筋以及混凝土的力学性能逐渐退化，各试件的承载能力不断减弱，且最终损坏，达到耐火极限，楼板构件的耐火极限如表3所示。

表3 楼板构件的耐火极限

由表3可以看出：

（1）3种判断方法获得楼板的耐火极限接近，将跨中挠度变化率作为楼板达到耐火极限判断标准更加合适。

（2）非预应力楼板耐火极限较预应力楼板耐火极限平均延长22 min，有粉刷层楼板耐火极限较无粉刷层楼板耐火极限平均延长19 min，连续楼板耐火极限较简支楼板耐火极限平均延长33 min。可以发现，连续或简支对耐火极限的影响最大，板底是否有粉刷层以及钢筋类别的影响较小。

（3）常温下，相同强度的钢筋非预应力楼板的耐火极限要大于预应力楼板，预应力楼板产生混凝土爆裂情况，从而进一步缩短了耐火极限。

（4）在相同底板钢筋以及板面荷载的条件下，试件约束悬挑端上翘，导致试件荷载水平降低，而主梁端部受压生成的负弯矩使其耐火极限大幅延长。

4 结语

（1）将跨中挠度变化率作为楼板达到耐火极限判断标准更加合适。

（2）连续楼板耐火极限较简支楼板耐火极限平均延长33 min。连续或简支对耐火极限的影响最大，板底是否有粉刷层以及钢筋类别的影响较小。

（3）在相同底板钢筋以及板面荷载的条件下，试件约束悬挑端上翘，导致试件荷载水平降低，而主梁端部受压生成的负弯矩使其耐火极限大幅延长。

（4）预应力楼板产生混凝土爆裂情况，缩短耐火极限，常温下，相同强度的钢筋非预应力楼板的耐火极限长于预应力楼板。