陳 楠龔詩(shī)雨蔣志楨柏 偉金曉清,

（1.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院，重慶 400044；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

0 引言

當(dāng)前，鋼筋桁架樓承板以其獨(dú)有優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用于高層建筑等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。作為自承式組合樓板，當(dāng)應(yīng)用于承重構(gòu)件時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，很容易遭受結(jié)構(gòu)破壞甚至整體倒塌?；炷岭m導(dǎo)熱性能較差，但在高溫下易發(fā)生爆裂；而鋼材在500℃時(shí)，屈服強(qiáng)度大大衰退。由中國(guó)消防公布數(shù)據(jù)顯示，2021年高層建筑火災(zāi)呈上升趨勢(shì)，全年共接報(bào)火災(zāi)4057起，死亡人數(shù)168人，較上年增長(zhǎng)22.6%，其中住宅火災(zāi)更是高達(dá)3438起[1]。因此，鋼筋桁架樓承板耐火性能，乃至組合梁的抗火性能，對(duì)于維持建筑整體的安全性能、保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全而言，至關(guān)重要。

當(dāng)前，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的研究，主要集中在鋼管混凝土柱等構(gòu)件上，對(duì)于鋼筋桁架樓承板，主要集中于力學(xué)性能、施工工藝等方面的優(yōu)化，而對(duì)其耐火性能的研究較少。高溫耐火性能涉及的因素眾多，如保護(hù)層厚度、跨度、桁架間距、鋼筋耐火性能等，從宏觀結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，到微觀的鋼材晶體結(jié)構(gòu)，均需加以考慮。現(xiàn)行鋼筋桁架樓承板設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)諸如混凝土、底模等均有較詳細(xì)的指導(dǎo)。但缺乏耐火性能方面內(nèi)容。且已有設(shè)計(jì)方法過(guò)于單一，僅對(duì)高溫效應(yīng)采取簡(jiǎn)單的折算替代，相關(guān)耐火驗(yàn)算尚未形成針對(duì)鋼筋桁架樓承板的專(zhuān)門(mén)規(guī)范。本文從力學(xué)計(jì)算分析方法、結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)等方面，對(duì)鋼筋桁架樓承板耐火性能設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面介紹，并對(duì)耐火性能的整體設(shè)計(jì)提出建議。

1 鋼筋桁架樓承板基本構(gòu)造

現(xiàn)行鋼筋桁架樓承板，主要包含不可拆底模和可拆卸底模兩種構(gòu)造。在鋼筋桁架中，上弦鋼筋與兩根下弦鋼筋，經(jīng)由腹桿鋼筋焊接相連；而下弦鋼筋與底模采用焊接、螺絲等方式連接，如圖1所示。施工工藝中，樓承板鋼筋桁架通常由預(yù)制廠制作完成，現(xiàn)場(chǎng)利用栓釘保證樓承板與鋼梁的穩(wěn)定銜接，并最終整體澆筑混凝土。相比傳統(tǒng)單一混凝土構(gòu)件或純鋼構(gòu)件，鋼筋-混凝土組合構(gòu)件集成了兩者的優(yōu)勢(shì)，具備自重輕、強(qiáng)度高、施工進(jìn)度快、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和服役性能兩大優(yōu)勢(shì)。

圖1 鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)示意圖

2 力學(xué)性能研究

鋼筋桁架樓承板綜合了混凝土、鋼筋的力學(xué)性能，制作工藝簡(jiǎn)潔，現(xiàn)場(chǎng)吊裝方便，能大大縮短工期。其火災(zāi)下的高溫力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)，樓承板的耐火性能、力學(xué)性能更是生命保障的安全線。常規(guī)設(shè)計(jì)中，更多注重多種載荷組合（如彎曲、剪切等）下樓承板的力學(xué)性能。而在高溫狀態(tài)下，由于鋼筋、混凝土溫度膨脹系數(shù)不同，加之兩者溫度傳導(dǎo)性能差異較大，在溫升初始階段，兩者因膨脹程度不同而產(chǎn)生相對(duì)剪切滑移。由此可見(jiàn)，鋼筋桁架樓承板熱力耦合效應(yīng)不是簡(jiǎn)單的疊加作用，需要定量定性分析，研究其具體作用機(jī)理，從而為樓承板的耐火設(shè)計(jì)提供有力指導(dǎo)。

2.1 鋼筋桁架樓承板力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)

相比于普通現(xiàn)澆樓承板，鋼筋桁架樓承板在力學(xué)上有更優(yōu)的性能。劉軼等[2]通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，有無(wú)鋼筋桁架結(jié)構(gòu)對(duì)樓承板的整體極限承載能力的影響并不大，但是鋼筋桁架可以提高其抗裂性和結(jié)構(gòu)剛度，適當(dāng)調(diào)整桁架高度以提高樓承板整體厚度也可以控制其變形；趙磊等[3]通過(guò)有限元仿真分析試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鋼筋桁架樓承板的剛度受桁架結(jié)構(gòu)中的上下弦軸心矩、底板厚度、桁架高度、鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度等因素影響，其中桁架高度和上弦直徑?jīng)Q定了樓承板的抗彎剛度，而腹桿直徑則決定了抗剪剛度。

劉龍[4]發(fā)現(xiàn)普通現(xiàn)澆樓承板在初始有模板的施工階段不產(chǎn)生變形，但是混凝土凝固，拆除模板過(guò)后，整體結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樽灾囟霈F(xiàn)下沉的拉應(yīng)力，嚴(yán)重的情況下就會(huì)出現(xiàn)裂紋，直至開(kāi)裂，無(wú)法使用，鋼筋桁架樓承板則能避免這樣的問(wèn)題，呈現(xiàn)出更好的力學(xué)性能；竇立軍等[5]研究發(fā)現(xiàn)樓承板相比于普通現(xiàn)澆板而言，有效提高了現(xiàn)澆的混凝土部分與桁架結(jié)構(gòu)的黏結(jié)作用，使其整體性能得到提高，并增強(qiáng)抗剪切能力，使得樓承板在大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用更為廣泛。

鋼筋桁架樓承板可以結(jié)合一系列高性能的材料來(lái)彌補(bǔ)普通樓承板存在的不足，提高樓承板的整體力學(xué)性能和穩(wěn)定性。由于板中桁架結(jié)構(gòu)的存在，實(shí)際工程中施工效率會(huì)提高，底板會(huì)減少工程中底模和支撐的使用，進(jìn)而節(jié)省更多的材料和施工步驟。

2.2 新型鋼筋桁架樓承板

鋼筋桁架樓承板是一種被廣泛應(yīng)用的承力構(gòu)件，它是用鋼筋作為其上下弦和腹桿，采用電阻電焊的方法連接成為桁架結(jié)構(gòu)，再與底板焊接構(gòu)成。但由于鋼筋桁架樓承板的底板容易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致構(gòu)件經(jīng)常開(kāi)裂，無(wú)法正常使用，因此，為提高底板的開(kāi)裂彎矩，一定要減緩裂紋發(fā)展。楊秀英等[6]提出一種新型雙向鋼筋桁架樓承板，該種新型樓承板在原有的普通桁架結(jié)構(gòu)中橫向安裝了附加的鋼筋支架，讓整體桁架呈現(xiàn)交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在提高底板高載荷下抗裂性能的同時(shí)，使底板與混凝土更好地共同工作，對(duì)混凝土溫度變化及收縮導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定的情況有很好的控制作用。

在混凝土硬化的過(guò)程中，鋼筋桁架樓承板整體強(qiáng)度會(huì)隨著混凝土發(fā)生較大的變化，這個(gè)過(guò)程極易產(chǎn)生裂紋，尤其是大跨度樓承板。為了解決這一問(wèn)題，王金波提出為板塊設(shè)置支撐的方法，這樣就能有效抑制硬化過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生。即使如此，跨度較大的樓承板也不宜用于邊板帶，否則樓承板會(huì)出現(xiàn)變形過(guò)大的問(wèn)題。

周濤[7]提出一種自承式鋼筋桁架組合樓層板，該種樓層板從受力模式來(lái)看，結(jié)構(gòu)雙向剛度一致，腹桿的改善使得樓層板有更好更均衡的受力性能和抗震性能。由于樓層板整體鋼筋結(jié)構(gòu)是在工廠完成，相比于普通樓承板的現(xiàn)場(chǎng)綁扎，其鋼筋的間距和高度等都能有很好的統(tǒng)一性，質(zhì)量有很好的保證，這也使得施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝過(guò)程更加方便環(huán)保。

孫磊[8]從樓承板理論公式出發(fā)，從撓度、裂縫、極限承載能力、破壞形態(tài)等角度對(duì)鋼筋桁架樓承板進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出各影響參數(shù)的改變對(duì)其承載能力的影響規(guī)律，并與現(xiàn)澆樓板對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋼筋桁架樓承板能將鋼筋、鋼板、混凝土很好地協(xié)同在一起。其屈服載荷和極限載荷、剛度也都要大于現(xiàn)澆板。

國(guó)內(nèi)有課題組[9-10]考慮材料的高溫力學(xué)性能，對(duì)鋼筋桁架樓承板抗剪性能開(kāi)展試驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注鋼筋桁架樓承板鋼組合梁栓釘剪切滑移后的熱力學(xué)性能，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，提出了鋼筋桁架樓承板中栓釘高溫下抗剪承載力及載荷-滑移線關(guān)系的計(jì)算方法。結(jié)果表明，對(duì)栓釘采取完全抗剪設(shè)計(jì)，栓釘?shù)募羟谢啤⑾破鹞灰频葘?duì)鋼筋桁架樓承板高溫下的耐火性能影響可控。

3 影響鋼筋桁架樓承板耐火性能的因素

3.1 底模對(duì)耐火性能的影響

傳統(tǒng)鋼筋桁架樓承板底模，常采用鍍鋅壓型鋼板，經(jīng)設(shè)備壓制成型。不可拆卸底模樓承板中，底模與鋼筋桁架下弦筋常采用電焊進(jìn)行連接。而可拆卸式中，除上述鍍鋅壓型鋼板，還可采用竹膠板等，經(jīng)彎鉤連接件與鋼筋桁架固定，待現(xiàn)澆混凝土體完成后，可利用卸鉤專(zhuān)用套管或?qū)Ｓ冒馐钟枰圆鸪?/p>

對(duì)于不可拆底模樓承板而言，由于底模無(wú)法拆卸，無(wú)法滿足無(wú)吊頂裝飾等具體需求。同時(shí)，需進(jìn)行二次裝修，造成人工、物料等浪費(fèi)的現(xiàn)象。而在耐火性能方面，問(wèn)題更是突出。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，底模單面受火導(dǎo)致溫度攀升并隨之發(fā)生熱熔，而由于腹桿與底板相連，高溫?zé)崃繉⒂傻装褰?jīng)腹桿低端向下弦鋼筋、上弦鋼筋傳導(dǎo)，隨著與直接受火面距離的增加，鋼筋桁架溫度隨之降低，但腹桿低端仍處于高溫?zé)崛鄣牟焕麪顟B(tài)。

可拆卸底模雖避免了鋼板的熱熔及熱傳導(dǎo)，但制作工藝相對(duì)復(fù)雜，流水線生產(chǎn)操作性不強(qiáng)。而拆模工作又將帶來(lái)人料機(jī)費(fèi)用的增加，且表面具有拆卸孔，必須二次裝修抹面，以避免鋼筋外漏銹蝕及火災(zāi)影響。在可拆卸底模的創(chuàng)新探索方面，可考慮使用木模板代替鋼板。但鋼筋桁架與底模連接過(guò)于復(fù)雜，因材料本身的各向異性、非均質(zhì)性等特點(diǎn)，在加工成型中存在模板破壞失效的風(fēng)險(xiǎn)。而考慮采用水泥底板作底模的方法，兼具了可拆卸、不可拆卸的雙重特點(diǎn)，水泥板經(jīng)現(xiàn)澆工序后直接轉(zhuǎn)換成樓承板的底板，但桁架結(jié)構(gòu)連接復(fù)雜，且現(xiàn)澆混凝土與底?；炷了冶绕ヅ涑潭扔謱⒂绊懡Y(jié)構(gòu)的整體性。

3.2 跨度對(duì)耐火性能的影響

由結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可知：跨度越大，跨中彎矩越大，所產(chǎn)生的跨中撓度自然越大。而在熱力耦合的影響下，大跨度鋼筋桁架樓承板不利于耐火。因此在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，采用小跨度有助于耐火性能的提升。但隨著城市建設(shè)、城際發(fā)展的需要，鋼筋桁架樓承板、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)正朝著大跨度方向飛速發(fā)展，因此，如何解決實(shí)際需求與結(jié)構(gòu)本身耐火性能的矛盾關(guān)系，是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.3 其他影響

防火涂層能有效隔絕構(gòu)件表面與火源，對(duì)于樓承板底模、樓承板跨中部位等采取涂抹防火涂層的方式，在一定程度上能提升耐火能力，延長(zhǎng)耐火時(shí)間。混凝土保護(hù)層能有效加大鋼筋與受火面的距離，降低鋼筋的溫升變化，但根據(jù)相關(guān)研究[11]，增大混凝土保護(hù)層厚度對(duì)耐火性能提升作用有限。

4 結(jié)束語(yǔ)

常用的耐火設(shè)計(jì)中，一般將溫度效應(yīng)等效為外力載荷進(jìn)行折算，再與常規(guī)作用力進(jìn)行疊加，雖使得計(jì)算大大簡(jiǎn)化，但與實(shí)際工況不符，無(wú)法充分體現(xiàn)高溫極端環(huán)境下鋼筋-混凝土的熱力耦合效應(yīng)。而在結(jié)構(gòu)滿足常溫常規(guī)設(shè)計(jì)前提下，采取耐火能力驗(yàn)算的方法雖更先進(jìn)，但相關(guān)研究主要集中于鋼結(jié)構(gòu)。對(duì)于鋼筋桁架樓承板的耐火能力驗(yàn)算，目前并未形成統(tǒng)一的規(guī)范和指導(dǎo)計(jì)算，大多采用數(shù)值仿真進(jìn)行個(gè)案的粗糙模擬求解。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可采用新型架構(gòu)、特殊材料的樓承板，如發(fā)展新型雙向鋼筋桁架樓承板、采用新型耐火材料等作底模等。因此，基于宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，在常溫常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開(kāi)展熱力耦合效應(yīng)下鋼筋、混凝土力學(xué)性能及高溫下鋼筋-混凝土相互作用的研究，并形成系統(tǒng)而有效的計(jì)算分析指導(dǎo)方法，能有效推動(dòng)鋼筋桁架樓承板耐火性能設(shè)計(jì)的發(fā)展，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供必要的保障。