壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究現狀與展望

劉昊琨，李延濤，劉 毅，宗金輝(. 河北工業大學 土木工程學院，天津 30040；. 淮海工業集團有限公司 資產管理部，山西 長治 0460)

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壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究現狀與展望

劉昊琨1，李延濤1，劉 毅2，宗金輝1
(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 淮海工業集團有限公司 資產管理部，山西 長治 046012)

摘要：壓型鋼板-混凝土組合樓板具有剛度大、自重輕、韌性好、施工便捷和后期使用維護方便等優點，因此被廣泛運用于高層結構中．由于高層結構層數多，火災下逃生困難，因此高層結構的耐火性能直接關系到廣大人民群眾的生命財產安全．對壓型鋼板-混凝土組合樓板耐火性能的研究是當前鋼混組合結構研究的重點，國內外許多學者都對此做了大量的研究工作，包括試驗研究、理論研究和工程設計方法的研究．這些研究成果對現階段組合結構的防火設計發揮著重要的指導作用．本文對已有的部分研究成果和工程實際應用進行了歸納總結，指出了現有研究的不足，并對今后的研究方向和發展趨勢進行了展望．

關 鍵 詞：壓型鋼板-混凝土組合樓板；抗火性能；試驗研究；理論分析；工程設計

隨著中國經濟的迅猛發展，人口和建筑群日益密集，尤其是越來越多的高層和超高層建筑拔地而起．由于樓層高度的增加，導致建筑火災的隱患增大，對人的生命財產安全構成嚴重的威脅．2001年9 月11日，美國紐約世貿大廈雙子塔遭到恐怖分子的襲擊，在大火中，兩棟高樓迅速倒塌，被夷為平地，這次事件傷亡3,465人，造成直接經濟損失255億美元，間接經濟損失則高達2,000億美元；2004 年10月17日，委內瑞拉首都一棟56層221,m高的雙子塔發生大火，火災持續18,h，造成數億美元的直接經濟損失；2003年11月3日，湖南衡陽一大型商場發生特大火災，導致3,000多m2的建筑整體倒塌，20名消防官兵遇難；2009年2月9日，由于違規燃放煙花爆竹，導致在建的央視新大樓北配樓發生特別重大火災事故，造成1名消防員遇難，6名消防員和2名施工人員受傷，經調查，建筑物過火、過煙總面積達21,333,m2，造成直接經濟損失16,383萬元[1]．

壓型鋼板-混凝土組合樓板因具有自重輕、剛度大、承載力高、塑性和韌性好、施工過程簡單和后期維修使用方便等優點，而被廣泛運用于超高層結構和大跨度結構中．因此，研究壓型鋼板-混凝土組合樓板的抗火性能，建立組合樓板的抗火設計理論，尋找最優的組合樓板防火保護方法，最大限度地提高其耐火極限，對結構抗火性能的研究有著非常重大的意義．為此，筆者對國內外壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究現狀進行了分析總結，對國內已有的抗火設計規范進行討論，指出組合樓板抗火性能今后的研究方向和發展前景．

1 國內外組合樓板抗火性能研究

壓型鋼板-混凝土組合樓板是由壓型鋼板和混凝土組合而成．根據壓型鋼板在組合樓板中的作用，可以將樓板分為組合樓板和非組合樓板：非組合樓板中，壓型鋼板僅起到模板的作用，不參與受力，其底部不需要做防火處理；組合樓板的壓型鋼板既參與受力，又被當作模板，其底部須做防火處理．在高溫作用下，組合樓板的截面存在溫度梯度，材料的性能發生退化，相鄰未受熱的構件對受熱構件產生約束，導致火災下樓板反應極其復雜．因此，許多學者對組合樓板的火災進行試驗研究，并在此基礎上進行了數值模擬，研究范圍包括試驗研究、理論研究和設計方法研究．

1.1 試驗研究

1.1.1 國外研究現狀

國外對壓型鋼板-混凝土組合樓板的抗火性能研究開展得較早，目前已經形成了一套較為成熟的組合結構抗火設計方法．荷蘭學者Brekelamans等對不同約束條件下的鋼-混組合樓板進行了一系列的抗火試驗研究，分析了簡支邊界條件[2]、連續板邊界條件[3]和固支邊界條件[4]下組合樓板在高溫下的力學反應和耐火極限；Foster和Bailey等[5]對15塊鋼筋混凝土樓板進行了常溫下的加載試驗，繪制出荷載大小與樓板變形的關系曲線，對樓板破壞時所出現的薄膜效應進行了研究，并通過觀察記錄樓板裂縫的出現與發展情況，分析了常溫下樓板薄膜效應的形成機理和影響因素，包括樓板的長寬比、鋼筋種類和直徑、混凝土等級等等．

Jan Bedná?等[6]對鋼纖維混凝土組合樓板的受力性能進行了試驗研究，通過試驗繪制出不同溫度下樓板的力和撓度的關系曲線．研究表明：鋼纖維混凝土組合樓板具有很好的延性，在溫度達到500,℃時，延性達到最高，此時能夠形成一定的薄膜效應；并在一定程度上提高了樓板的承載力；壓型鋼板的凹槽能夠顯著提高樓板的抗剪承載力，使其避免發生剪切而破壞．

S.Guo對6塊有固定端約束的壓型鋼板-組合樓板進行了火災升溫和降溫試驗研究，在不同荷載和升降溫作用下，記錄隨著時間和溫度的變化，樓板的撓度變化和樓板支座處支反力的變化情況[7]．試驗結果表明：不同受火工況對組合樓板的力學性能影響很大，支反力在從升溫到降溫的過程中，會出現劇烈變化，并伴隨有內力重分布；降溫時撓度的恢復值受荷載的影響較小，而受受火工況的影響較大；相同受火工況條件下，受荷載較小的樓板，在降溫過程中會向上拱起．這是因為在升溫時鋼板受熱膨脹，又因受到混凝土的約束產生塑性壓應變，在降溫時鋼板收縮，當收縮到比混凝土板長度小時，樓板便會產生向上拱起的現象．

1.1.2 國內研究現狀

國內開展相關領域的研究相對較晚，且主要集中在同濟大學、公安部天津消防研究所、中國科學技術大學、四川大學等高校和學術研究機構．

蔣守超和李國強對8塊不同溫度狀態下的樓板進行加載破壞，分別測定其相應的黏結強度，并且根據相應的數據記錄，擬合出了溫度與黏結強度的曲線，給出了黏結強度在不同溫度下的計算公式；試驗表明，隨著溫度的升高，壓型鋼板與混凝土之間的黏結強度下降，但下降曲線趨于平緩，因此在組合樓板火災行為的分析中，黏結滑移性能對整個試驗的影響可忽略不計[8]；對4塊鋼桁架組合樓蓋進行了恒載升溫耐火試驗研究，結果表明，壓型鋼板的厚度對組合樓蓋的抗火性能影響不大，而鋼梁的抗火性能對組合樓蓋的抗火性能影響十分顯著；由于鋼梁的作用，組合樓板的縱向抗剪強度在火災中對承載力不起控制作用，火災下，樓板的縱向抗剪能力的喪失也不能作為判斷組合樓蓋達到抗火極限承載力的標準[9]．

韓金生和董毓利對3個簡支組合樓板試件進行耐火性能分析，研究了不同樓板跨度和不同抗剪連接條件下對樓板耐火極限的影響，試驗結果表明，簡支組合樓板的抗火性能較差，主要影響簡支組合樓板耐火極限的因素是板的跨度，減小跨度能夠提高板的耐火極限，而抗剪連接方式對組合樓板耐火極限的影響很小，只是在板的撓度變形已經比較大，接近坍塌的時候，抗剪連接件才起到一定的作用，并在一定程度上提高了板的耐火極限[10]；對4塊三跨連續板進行了火災試驗分析，結果表明，連續樓板由于配置了支座負筋而提高了其耐火性能，但在升溫和降溫過程中，會產生劇烈的內力重分布，支反力變化迅速，其中受火工況和構造條件對其內力重分布影響較大[11]．

陳一鷗對5塊無受力筋的壓型鋼板-組合樓板進行了火災試驗研究，記錄了不同厚度組合樓板在不同的加熱時間下，爐溫和背溫的溫度值以及跨中的撓度，結果表明，壓型鋼板代替樓板的下部受力筋，且壓型鋼板上有許多凸起，增加了鋼板與混凝土的結合能力，壓型鋼板的升溫會很快傳到混凝土內部去，使得壓型鋼板與混凝土共同升溫．由于混凝土的水分在高溫下蒸發，帶走了一部分熱量，從而延緩了溫度的升高，起到了防火作用[12]．

由此得出國內外的試驗研究成果主要有以下幾點：

(1)隨著溫度的升高，鋼板與混凝土之間的黏結強度下降；當溫度升高到一定值時，黏結強度趨于穩定．高溫下，由于鋼材的膨脹，以及其良好的延性，組合樓板內部會產生薄膜效應，對樓板的承載力有一定的提高．

(2)樓板的約束條件對其高溫下的受力性能影響顯著；固定端樓板的抗火性能優于簡支樓板的；小跨度樓板的耐火極限大于大跨度樓板的；混凝土與壓型鋼板的抗剪連接方式對高溫下組合樓板的極限承載力影響較小．

(3)對于有鋼梁的組合樓板，鋼梁的抗火性能對樓板的耐火極限起著決定性作用，鋼梁需要有足夠的承載能力，且要做好防火保護．當鋼梁失去承載力時，也就宣告了樓板的破壞．

1.2 理論研究

理論研究主要包括溫度場研究和熱-結構耦合研究．學者們主要從材料熱工參數、構件熱力學性能、結構在高溫下的內力與變形等方面，通過編制有限元程序來對溫度場以及高溫下的結構場進行模擬．

1.2.1 溫度場研究

溫度場的計算理論已經比較成熟．對于組合樓板的溫度場研究，一般采用有限元法，通過運用ANSYS、ABAQUS等大型有限元軟件進行模擬分析；或者運用有限差分法、有限元和有限差分相結合的方法進行編程計算，也有學者運用解析法或者半經驗方法進行分析．

李國強等[13]和徐朝暉等[14]提出了三種火災下組合樓板的傳熱模型，即熱對流、熱傳導和熱輻射．這三種傳熱模型囊括了所有樓板升溫時的熱量傳遞過程．許多有限元程序的編制和數值分析方法都是基于這三種傳熱模型而建立的．

在升溫過程中，材料性能的變化是一個復雜的過程．比如在高溫下，混凝土中水分的蒸發會帶走部分的熱量，一定程度上阻止了溫度的升高；混凝土中不同組分在高溫下的化學反應，也會對熱容產生較大影響，這些因素對溫度場的分布影響很大．在進行熱分析和結構分析時，只有正確描繪出材料性能的變化情況，選擇合理的熱工參數，才能準確分析溫度的分布情況和受力情況．Lie[15]、Lie 和Chabot[16]在計算截面溫度場時考慮了混凝土中水蒸氣的影響，較準確地模擬出火災下截面溫度場的分布情況，且與試驗吻合較好．

1.2.2 熱-結構耦合研究

毛小勇等[17]用有限元軟件ABAQUS，選取合理的熱工參數和材料的熱力學模型，定義正確的邊界條件，建立了鋼混凝土組合樓板在標準升溫曲線下的有限元分析模型；用熱工參數確定的熱分析步求解出火災下構件的溫度場，然后將溫度場導入力學模型中，再設置不同溫度下的材料屬性，進行相應的力學計算．

蔣守超等[18-19]利用有限元編程，分別對簡支板和兩跨連續板進行火災荷載模擬．在分析過程中，通過改變荷載大小、組合板厚度、壓型板厚度以及負彎矩鋼筋的大小等影響因素，來判斷其對組合樓板耐火性能的影響．分析結果表明，壓型鋼板的厚度對組合樓板的耐火極限影響很小；其耐火時間隨著荷載的增大而減小，隨著組合樓板厚度的增大而增加；同時還提出了將不考慮壓型鋼板作用的素混凝土板內力指標作為組合樓板耐火時間的影響因子，擬合出了組合板與內力指標參數的關系式．

徐蕾等[20]應用有限元和有限差分法相結合的方法，對鋼混凝土組合樓板進行了溫度場模擬和參數化分析．結果表明：組合板的耐火性能優于無保護層的鋼結構的；耐火極限隨著板厚和混凝土強度的增加而提高，隨著含鋼率和鋼材強度的增加而降低.

S.Guo[7]運用ABAQUS對壓型鋼板-組合樓板進行了溫度場模擬和參數化分析．選取隨溫度變化的材料熱工參數和力學指標，模擬結果與試驗吻合較好；并進一步分析了升溫和降溫過程中，溫度場分布的變化趨勢．在參數化分析中的研究表明，鋼板的厚度對樓板在火災下的力學性能有顯著的影響，而混凝土等級和網格尺寸對其影響不大．

概括國內外的理論研究成果主要有：①提出熱對流、熱傳導、熱輻射等三種傳熱方式，建立三種方式下的傳熱微分方程；從單元熱平衡的角度出發，描述熱量在固體材料內部以及固體與空氣之間的傳遞過程，為樓板的溫度場分析奠定基礎；②編制出計算樓板溫度場的有限元程序，并運行計算；其計算結果與試驗結果相吻合，驗證了程序的正確性與可行性；③運用有限元模擬進行高溫下樓板的熱力耦合分析．通過改變樓板的參數，可以分析樓板的尺寸、材料強度、邊界條件等因素對樓板耐火性能的影響，解決許多試驗中無法驗證的問題．

1.3 工程設計方法

1.3.1 基于小撓度破壞準則的設計方法

此種方法在進行樓板抗火分析時，只考慮組合樓板的承載能力和抗變形能力，不考慮其絕熱功能，即把組合樓板作為單純的結構構件處理．當構件喪失承載能力或變形過大(撓度超過跨度的1/20)時，即認為構件達到抗火極限狀態，此時的受火時間即為構件的耐火時間[21]．

1.3.2 考慮薄膜效應的設計方法

組合樓板的薄膜效應是指在火災發生時，雖然部分支撐樓板的鋼梁和壓型鋼板失去了承載力，樓板在火災下產生了很大的變形，但樓板依靠混凝土內部的鋼筋網形成的薄膜作用還可以繼續承受荷載，而不至于樓板馬上坍塌[22]．考慮薄膜效應后，樓板在火災下的承載力比基于小撓度破壞準則的抗火設計方法得出的承載力高出許多．因此，鋼結構建筑中，正確考慮樓板的薄膜效應，充分發揮樓板的承載力潛能，對提高樓板耐火極限、節約構件防火成本，有著非常重要的意義．

GBJ16—1987《建筑設計防火規范》[23]規定：一級建筑物樓板耐火極限1.5,h，二級建筑1,h，三級建筑0.5,h．由于考慮薄膜效應后，樓板在受火破壞前，隨著受火時間的延長，樓板極限承載力逐漸提高．所以三種等級的建筑物可統一按照1.5,h耐火極限進行設計．現階段所采取的樓板薄膜效應的設計方法是基于屈服線理論的設計方法，即根據屈服線理論，求出樓板在常溫下的承載力和承載力提高系數，兩者相乘即為考慮薄膜效應的承載力[24]．

2 存在的問題

對于壓型鋼板-混凝土組合樓板的耐火性研究，國內外學者已經做了大量的研究工作，包括試驗研究和理論研究，取得了一定的科研成果，并已廣泛運用于建筑工程的防火設計中．但對組合樓板耐火性等進行深層次研究較少，主要存在以下問題：

(1)現階段對于壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究僅僅局限于樓板的研究，而缺少對于樓板在整體結構中的研究．火災中，由于樓板是與梁、柱一起整體受力的，這種結構體系的受力與單個構件在試驗中的受力情況是有偏差的．

(2)對于壓型鋼板-混凝土組合樓板的抗火試驗研究，其受火情況大部分是按照標準升溫曲線進行試驗，在用有限元軟件進行模擬時，也是采用標準升溫曲線對溫度場進行模擬；而火災是小概率的極端事件，并且室內火災的升溫過程具有很大的隨機性，受周圍環境的影響較多，采取統一的標準升溫曲線進行分析，必然會與實際結構在火災中的反應有一定的差異．

(3)對于高溫下材料的力學性能、熱工參數及本構關系，仍有待于進一步研究．由于試驗方法和試驗設備的限制，學者們對于火災下材料性能的研究仍然不夠深入，對于熱力共同作用下的材料性能、火災中材料的損傷機理研究得更少；材料在升溫過程中所發生的一些物理化學變化，都會對結構的溫度場分布和受力性能產生影響，而這些影響在軟件模擬中，還無法準確地描述．由于材料性能參數的選取不準確，導致理論研究結果與試驗研究結果存在一定差異．

(4)對于火災后組合結構的承載能力評估和加固措施的研究仍不完善．火災過后，鋼和混凝土的材料性能進一步下降，結構變形增大，承載力大幅降低；而由于現有科研條件和經濟條件的限制，國內外學者對于火災后組合樓板的結構和材料性能的研究還不夠深入，還無法對火災后的結構提出合理的改進和加固措施．

(5)目前耐火試驗的成本昂貴，有時試驗還無法準確描述真正的結構體系受火情況．對于試驗無法解決的問題，通常是運用熱分析理論和結構分析理論，建立以計算為主的設計方法．但此種方法不具有針對性，僅僅依據耐火規范，運用力學原理進行分析計算．雖然此種方法已較為成熟，但仍然存在不經濟、不合理、成本高等缺點．

3 研究方向與建議

(1)對于組合樓板的耐火性能分析，應當從對單個組合樓板的受力分析過渡到以整體結構為基礎的受力分析，研究組合樓板、梁和柱的整體受力性能；研究在火災下，考慮實際約束條件下結構整體的變形、內力重分布以及支反力變化情況，使得分析結果更加接近實際情況．

(2)對升溫曲線的選取，應當對火災升溫段的持續時間和所能達到的最高溫度進行統計，基于兩者的統計規律，建立其與房間面積、開口因子以及火荷載密度等變量之間的關系．對于不同的建筑物、不同的結構形式和使用功能，采用不同的升溫曲線進行耐火分析，這對于節約結構防火成本、提高結構耐火極限有著重要的意義．

(3)從材料的力學性能、熱工參數著手，充分考慮不同材料在高溫下的物理與化學變化，以及這些變化對溫度場分布和結構受力情況的影響，建立更精確的高溫下材料力學模型和熱工參數變化模型．只有選取合適的材料參數，才能準確模擬樓板的溫度場分布和結構的力學性能．

(4)需要全面認識基于火災全過程的結構體系的性能變化，合理確定火災作用后，結構構件的殘余應力和殘余變形的大小，通過試驗和數值模擬，提出較為準確的力學性能指標的計算公式，這對于火災作用后結構的損傷評估和加固工作，有著重要的指導作用．

(5)要由基于耐火試驗和計算為主的抗火設計方法向性能化結構抗火設計方法轉變．性能化結構抗火設計是對結構抗火需求進行改進，根據不同的結構形式，以人員安全和火災下經濟損失最小為設計目標，直接對結構抗火需求做出準確判斷，最大程度模擬出結構的實際抗火能力，在抗火設計中做到因地制宜，既經濟又合理，是一種先進的抗火設計方法．

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能源與機械

環境與市政

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

通訊作者：宗金輝（1974—），男，副教授，博士，從事地下結構工程和結構抗火的研究．E-mail：walkeryong@126.com

作者簡介：劉昊琨（1990—），男，河北保定人，河北工業大學碩士生．

收稿日期：2015-03-20；

修訂日期：2015-04-27

中圖分類號：TU398.9

文獻標志碼：A

文章編號：2095-719X(2016)01-0022-05