四邊簡支現澆混凝土空心樓蓋火災試驗研究

呂俊利，仲崇強，趙考重，徐少華

（1.山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，山東濟南250101；2.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101）

四邊簡支現澆混凝土空心樓蓋火災試驗研究

呂俊利1，2，仲崇強2，趙考重1，2，徐少華2

（1.山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，山東濟南250101；2.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101）

現澆混凝土空心樓蓋適用于大跨度、大空間的建筑物，且承載力大，已在工程中大量推廣使用。但是現階段對于現澆混凝土空心樓蓋火災行為的研究較少，其中對火災中樓蓋的溫度場分布和破壞形式的研究顯得尤為重要。文章對四邊簡支足尺現澆混凝土空心樓蓋在使用荷載和火災耦合作用下進行火災試驗，并對試驗板的破壞特征形式、溫度場分布和平面內外變形進行分析。結果表明：試驗板溫度場存在較大的溫度梯度，肋梁底面混凝土與頂面混凝土最大溫差可達550℃，空腔處板底混凝土與板頂混凝土最大溫差約為660℃，導致溫度應力產生，使板的上部受拉，出現垂直于板邊的裂縫；空腔在火災中能夠減少熱量傳遞降低樓板上表面和肋梁側面溫度；試驗板跨中最大豎向位移為72.5 mm，平面內最大水平位移為10 mm；在整個試驗過程中，試驗板未出現被燒穿的現象，同時變形恢復比可達70%，具有很好的抗火性能。

現澆混凝土空心樓蓋；火災試驗；破壞形態；變形；溫度場

0 引言

建筑火災發生時，鋼筋混凝土樓板在有效阻隔火災向上蔓延的同時，承受著荷載與溫度的耦合作用，是受火災影響最為嚴重的構件之一。目前，對現澆混凝土普通樓板、預應力混凝土樓板、組合樓板的抗火性能已有較多的研究［1-14］。袁愛民等對4塊無粘結預應力混凝土簡支板進行了火災行為試驗研究，結果表明保護層厚度越大其耐火極限越長，但預應力度對構件的耐火極限影響不大［5］。王勇等對足尺鋼框架結構中樓板火災行為的試驗研究，指出受火板格板頂裂縫模式主要取決于其邊界條件，非受火格板裂縫特征取決于受火格板的位置及數量［6］。朱崇績等進行2個足尺鋼筋混凝土平板無梁樓蓋試件的抗火試驗，指出平板無梁樓蓋的板頂裂縫最終形成對角呈雙曲線形的破壞形式，與傳統的塑性鉸線理論的柱附近局部屈服線模式一致［9］。徐少華等指出現澆混凝土空心樓板具有較好的抗火性能［15］。但目前對現澆混凝土空心樓蓋的火災行為研究較少。

現澆混凝土空心樓蓋兼有現澆混凝土樓蓋和預制空心樓蓋的優點，在大跨度、重荷載的建筑物中已廣泛使用。因此文章利用水平火災試驗爐對四邊簡支足尺現澆混凝土空心樓蓋在使用荷載和火災耦合作用下進行了試驗研究，并對火災全過程中樓板的破壞特征、溫度場特征、平面內外變形進行分析。

1 材料與方法

1.1 試件設計

試驗在山東建筑大學火災實驗水平試驗爐上完成，試驗爐平面內部尺寸為4960 mm×9470 mm。樓蓋空腔采用塑料模盒形成，模盒可以排列組合，因此可以形成不同尺寸的空腔。根據爐體尺寸，最后確定試驗樓蓋的平面尺寸為6680 mm×4640 mm（如圖1（a）所示）。試驗樓蓋由邊梁、肋梁及空腔共同組成，每4塊模盒作為一個空腔單元，單元尺寸為900mm×900mm，厚度為150mm，單元與單元之間由寬度為120 mm的肋梁分格隔開。樓蓋厚度為300 mm，模盒安裝于距樓蓋底面70 mm和頂面80 mm的位置處，設計混凝土的強度等級為C30，樓蓋采用8＠200雙層雙向配筋，保護層厚度為20 mm，肋梁和邊梁截面配筋如圖1（b）、（c）所示。

圖1 試件詳圖／mm

1.2 邊界條件設計

試驗板四邊簡支于火災試驗爐之上，采用板下墊鋼球的方式來模擬邊界條件，在每個鋼球的上下兩端各放置厚度為10 mm的鋼板，以防止試件局部應力過大。為了避免在試驗過程中由于試件產生的較大變形導致試件向一側滑動，在試驗板兩臨邊（南側與西側）的跨中分別放置了一個與鋼球相同高度的滾軸和固定支座。邊界條件模擬完成以后，使用硅酸鋁纖維氈將鋼球間空隙封堵嚴密。

1.3 位移測點布置

采用差動式位移傳感器對樓蓋在火災全過程中的變形進行不間斷測量，數據通過Agilent34980A惠普數據采集儀自動采集并保存。在樓蓋的中心線及1／4線處布置17個位移測點，其中15個為平面外測點，2個為平面內測點（4#、7#），位移測點平面布置如圖2（a）所示。

1.4 溫度測點布置

為探究試驗板溫度場的變化規律和分布狀態，在板內共布置了13個溫度測點（如圖2（b）所示）。其中1～7號測點布置于肋梁截面處，8～13號測點布置于空腔位置處。肋梁截面處共布置10個測點，其中A～H為混凝土測溫點，K、L為鋼筋測溫點。空腔位置截面處共布置7個測點，D為空腔中心處空氣測溫點，其余為混凝土測溫點。肋梁及空腔截面測點布置如圖2（c）所示。

圖2 位移及溫度測點布置圖／mm

1.5 加載方案

火災試驗之前，利用砂袋對樓板施加2 kN／m2均布荷載，并在試驗中維持荷載不變以模擬空心樓蓋正常的工作狀態。

2 結果與分析

2.1 試驗板破壞特征分析

試驗升溫階段共持續212 min，爐溫最高可達1115℃，板跨中豎向位移最大可達72.5 mm，主要試驗現象如下：升溫12 min時，試驗板板角開始出現上撓；升溫22 min時，試驗板邊梁出現垂直裂縫，裂縫從板底開始向上發展，未形成貫通裂縫；升溫23 min時，試驗板邊梁底部有水析出；升溫27 min時，試驗板邊梁出現多條發展于板底的垂直裂縫。升溫35 min時，試驗板角部呈現懸空狀態，后來多處支座脫離工作狀態；升溫54 min時，試驗板跨中肋梁頂面熱電偶測點處開始出現水跡；升溫55 min時，試驗板跨中處開始出現大量水蒸氣，同時板底處有大量水珠出現；升溫74 min時，板頂東側跨中1／2處出現自東向西的編號為1的裂縫，且裂縫不斷發展，寬度不斷增大；升溫77 min時，出現編號為2的裂縫；升溫82 min時，板底局部混凝土脫落，板底鋼筋露出，板面出現較多明顯裂縫；升溫92 min時，3號裂縫開始在板面上出現；升溫94 min時，4號裂縫出現于板面；升溫107 min時，隨著試驗板溫度升高，板頂的水量蒸發逐漸減小；升溫212 min時，停止燃燒，試驗板板跨中豎向位移達到最大值，樓蓋未出現被燒穿現象。圖3（a）、（b）為試驗后試驗板受損照片，板頂裂縫分布如圖3（c）所示。

圖3 板受損狀況圖／mm

圖3中，板頂面出現了垂直于板邊的裂縫，邊梁上出現了較多的斜裂縫和垂直裂縫。這是由于現澆混凝土空心樓蓋在火災作用下，板內溫度場存在明顯的溫度梯度，從而產生溫度應力，板的上部受拉，出現了垂直于板邊的裂縫。同時，受高溫作用后，板底混凝土損傷退出工作，鋼筋力學性能下降，空心樓蓋的傳力方式發生改變，由四邊支承的空心樓板轉化為“密肋樓蓋”。由于四周邊梁的相互約束使邊梁內產生扭矩，邊梁上產生斜裂縫。

2.2 溫度場分析

2.2.1 肋梁截面混凝土溫度場

沿肋梁截面高度方向布置了8個熱電偶，編號為 A、B、C、D、E、F、G、H的熱電偶距離板底的高度分別為 20、40、60、110、160、240、260、280 mm。由試驗結果知，肋梁的溫度場變化規律基本一致。肋梁L2測點溫度—時間曲線如圖4（a）所示。

由圖4（a）得知，肋梁底部受火面處與肋梁頂部存在較大的溫度梯度，溫差最高可達550℃；距試驗板受火面20 mm的測點A處混凝土升溫速率最快，最高可達10℃／min，隨燃燒時間的增長各測點混凝土升溫速率逐漸降低。測點A處的肋梁底部混凝土溫度低于爐溫約260℃。肋梁截面處的各相鄰測點的溫差與測點距離板底受火面的高度成反比，測點距離受火面越遠，溫差越小。除測點A外，其余測點在混凝土溫度上升到100℃時，由于水蒸氣的產生帶走一部分熱量，曲線都出現一個溫度平臺停火后，各測點溫度在一段時間內仍然保持上升趨勢，測點最高溫度在停火后獲得。相較于三面受火梁，由于肋梁兩側空腔底板未被燒穿，因此肋梁為單面受火，且其側面只受到空腔中氣體的熱對流作用，導致肋梁的溫度場中存在較大的溫度梯度現象。

2.2.2 空腔截面混凝土溫度場

沿空腔截面高度布置7個測點，編號為A、B、C的3個測點距離板底高度分別為20、40、60 mm，編號為D的測點在空腔之內，用來測量樓蓋空腔內溫度，編號為E、F、G的3點在空腔上部的混凝土中，距離板底高度分別為245、270、295 mm。由試驗結果知，沿空腔截面高度方向混凝土溫度場變化規律基本一致。空腔截面溫度—時間曲線如圖4（b）所示。

圖4（b）中空腔上部混凝土溫度大致相同，各測點的溫差遠小于板底混凝土各測點溫差。距離板底最近的A測點從點火開始溫度上升最快，混凝土溫度最高時可達800℃。由于混凝土的熱惰性及空腔較好的隔熱性能導致板頂面與板底溫差較大，在燃燒階段，板頂溫度最高約為100℃，板底溫度最高可約達800℃。空腔內溫度最高約達176℃。

2.2.3 肋梁內鋼筋的溫度

不同位置處肋梁內鋼筋的溫度由7組熱電偶測點測得，每組測點包含2個測點，編號為I、K的溫度測點分別布置在距離肋梁底面高度20、280 mm位置處，其中L3-I與L5-I數據有誤需舍去。肋梁鋼筋的溫度變化如圖4（c）～（f）所示。

圖4 混凝土與鋼筋溫度曲線圖

試驗爐點火后，肋梁底部鋼筋溫度開始緩慢上升，由于底部鋼筋與試驗爐內的高溫氣體距離較近（20 mm），受爐溫的影響較大。在爐溫低于600℃時，底部鋼筋溫度始終低于100℃，爐溫超過600℃時，底部鋼筋溫度迅速上升，最高溫度可達620℃。而爐溫低于800℃時，頂部鋼筋溫度基本維持在10℃，與實驗室溫度基本保持一致，爐溫超過800℃時，頂部鋼筋溫度才迅速上升。其主要原因為升溫曲線爐溫模擬真實火災的轟燃現象，爐溫由室溫上升至600℃所需時間很短，鋼筋始終被混凝土包裹且混凝土的熱惰性使得溫度向鋼筋的傳遞較慢，因此鋼筋溫度滯后于爐溫一段時間。

2.3 試驗板平面內外變形分析

2.3.1 平面內的變形

4#位移傳感器的所采集到的時間—位移曲線如圖5（a）所示，位移為負時表示向外膨脹，位移為正是表示向內收縮。試驗開始后板受熱產生膨脹變形，至停火前水平位移大致呈線性發展，由于試驗板的南北方向跨度大于東西方向跨度，南北膨脹量略大于東西膨脹量，膨脹量最大可達到10 mm。停火之后，試驗板開始收縮恢復，2個方向在前期呈線性發展，7號測點在停火2 h后基本停止收縮變形，而4號測點在停止數據采集時基本恢復至試驗開始前狀態。

2.3.2 豎向撓曲變形

1／4板跨處爐溫—位移曲線與板中心點爐溫—位移曲線分別如圖5（b）、（c）所示，位移為正時表示向下的豎向位移。板跨度1／4處的位移從試驗開始至停火這段時間內持續增長，且與時間基本呈線性關系，表明試件的剛度沒有因高溫而發生突變。整個試驗過程板跨中處豎向位移的發展可分為4個階段。第一階段爐溫低于600℃時，試件的撓度變形很小；第二階段爐溫超過600℃時，試驗板撓度位移速率顯著增大，爐溫達到極值時變形達到最大，最大位移達72.5 mm；第三階段停止燃燒后，爐溫從1115℃下降至600℃的時間段內，出現顯著的位移平臺，試驗板撓度基本不變；第四階段當溫度降到400℃時，試驗板的豎向位移速率突增，且呈線性發展至試驗結束，到數據采集停止時，中心點處殘余變形為20.75 mm，恢復比達71.38%，說明受火后試件仍殘余較大的剛度。

圖5 試件變形曲線圖

3 結論

在使用荷載與溫度耦合作用下，對四邊簡支足尺現澆混凝土空心樓蓋進行了試驗研究，并對試驗板的破壞特征、溫度場特征、平面內外變形進行分析，結果表明：

（1）現澆混凝土空心樓蓋在火災作用下，板內溫度場存在明顯的溫度梯度，肋梁底面混凝土與頂面混凝土最大溫差可達550℃，空腔處板底混凝土與板頂混凝土最大溫差650℃左右，從而產生溫度應力，導致板的上部受拉，出現了垂直于板邊的裂縫。

（2）受高溫作用后，板底混凝土損傷退出工作，鋼筋力學性能下降，空心樓蓋的傳力方式由四邊支承的空心樓板轉化為“密肋樓蓋”，由于四周邊梁的相互約束使邊梁內產生扭矩，邊梁上產生斜裂縫。

（3）空腔在火災中能夠減少熱量傳遞降低樓板上表面和肋梁側面溫度，因此，在長時間高溫作用下試件未被燒穿。試驗板跨中最大豎向位移72.5 mm，平面內最大水平位移10 mm，同時試件的變形恢復比可達70%，受火后試件仍剩余較大剛度，說明現澆混凝土空心樓蓋具有較好的抗火性能。

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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

國家自然科學基金項目（51308328）；山東建筑大學博士基金項目（XNBS1302）

呂俊利（1978-），男，副教授，博士，主要從事結構抗火等方面的研究.E-mail：ljl1978＠163.com［*

］

（學科責編：趙成龍）