新夾心樓板耐火性能及火災修復后抗彎性能試驗研究

崔龍丹 常衛華 趙志剛 于小豐? 董馬帥

（1北京市燕通建筑構件有限公司，北京 102202；2中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

本文介紹的夾心板是一種新型結構保溫一體化板。該板材的構造形式如圖1所示，兩邊是將鍍鋅鋼絲焊接成50x50mm的鋼絲網片，兩鋼絲網片中間插入一定厚度的聚苯乙烯（EPS）保溫層，并用冷拔斜插鋼絲將其固定，最后澆筑細石混凝土層，形成一個受力良好的剛性整體[1]。

圖1 夾心板構造

涂杰、任娟等[1]引進美國鋼絲網架夾心板并應用到實際工程中。卓萍等[2]通過介紹德國、英國、ISO國際標準化組織關于復合夾心板的大尺度燃燒性能試驗方法，綜合考察其防火性能，更能代表實際應用情況。Douglas Tomlinson等[3]建立了有限元分析模型來預測夾心板受彎性能，并確定各種剪切連接件參數對建筑部分復合預制混凝土保溫板性能的影響。王雪等[4]研究了ENG-3D墻板火災加固后的抗震性能，得出該墻板可作為剪力墻使用的結論。張聰等[5]提出了一種新型建筑隔墻結構-復合雙面鋼絲網架膨脹珍珠巖EPS板，并對其進行了極限抗彎承載力試驗。

為了進一步研究夾心樓板的耐火性能及火災加固后的受彎性能，中國建筑科學研究院對該板進行系列相關試驗，探究該板的耐火和保溫隔熱性能，以及在修復后其作為受彎構件在荷載作用下的正截面受力變形性能及破壞特征。

1 試驗材料及構件設計

1.1 試驗材料

普通混凝土：在制作構件時，預留3塊150x150x150mm的立方體試塊，測得的實際強度為32.5MPa，火災后修復使用的混凝土實際強度為29.2MPa；鋼絲網片：直徑為3mm的HRB400 冷拔鋼絲；節點鋼筋：直徑為8mm的HRB400冷拔鋼筋；斜插絲：HRB335帶肋搭接鋼筋；芯體：密度為22kg/m3的聚苯乙烯（EPS）保溫層。見圖2。

圖2 試件構造形式

1.2 構件設計

制作構件尺寸3000mm（寬）x4200mm（長）x200mm（厚），其中夾心保溫層厚100mm，鋼絲網片中鋼絲間距為50mm，兩側的鋼筋網片相距150mm，由斜插絲相連，斜插絲呈“八”字，節點附加筋的搭接長度為600mm，兩側混凝土層50mm。

按照規范JGJT 273-2012《鋼絲網架混凝土復合板結構技術規程》對試件的承載力進行計算：

其中，混凝土受壓區高度的驗算按以下公式：

火災后修復方案按照GB 50367-2013《混凝土結構加固設計方案》進行。加固前，要剔除由于火災碳化脆酥的混凝土層，在填等強度的新混凝土時，要將干凈的構件表面進行拋毛，使新舊混凝土更好結合，新混凝土層使鋼筋有一個保護層，厚度20mm。火災產生的裂縫，要用膠漿回填。

2 試驗方法

2.1 火災試驗

試驗在水平構件耐火試驗爐中進行。為了獲得測試件的溫度變化，在試件上布置測溫點，分別為2#7、2#9、2#10、2#11、2#12；為了獲得測構件的撓度變化，在試件中心位置處布置撓度計d1，位置如圖3，測試點放置在背火面。在整個試驗過程中，負荷2kN/m2保持不變，如圖4。試件的頂面為背火面，底面為向火面。通過試驗獲得火災高溫作用下夾心樓板的變形全過程及破壞模式，實測截面特征點溫度、撓度變形以及耐火極限等熱學和力學參數，分析各參數對夾心樓板抗火性能和耐火極限的影響。

圖3 測溫點布置

圖4 試驗開始時試件狀態

2.2 抗彎試驗

根據GB 50010-2010要求，在忽略自重的情況下，兩個荷載集中點位之間的截面不受剪力作用，只受彎矩作用。試驗中使用簡支支撐、線加載的方式。

為了消除剪力對試件正截面受彎性能的影響，試驗采用兩點加載方式，在試件的兩個加載點之間形成1m長的純彎段，用以檢測夾心樓板在加載過程中跨中撓度、裂縫寬度以及混凝土應變等。選用壓力試驗機進行試驗，試件兩端簡支，加載凈跨3200mm，在距離支座兩端1100mm的位置同時施加荷載，彎曲試驗的加載系統如圖5所示。P1、P2位置為荷載加載位置；在加載點下端間距500mm的位移以及在支座上部分別布置一個位移計，如圖6所示，A、B、C、D、E位置即為位移計所在位置，應變片所布位置如圖7所示。試驗采用荷載控制加載方法，荷載兩點集中同步逐級施加，由零開始直至板正截面破壞，逐級增加2kN進行試驗數據采集及試件觀察。試驗過程按照GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》進行。

圖5 彎曲試驗加載系統

圖6 試件底部位移計布置位置

3 試驗結果分析

3.1 火災試驗數據與現象分析

在試驗過程中，每隔10分鐘記錄一次測溫點的溫度，背火面測溫點及撓度試驗數據見表1，表中記錄的溫度值是減去室內初始溫度的值，初始值為26℃。

表1 試驗現象

試驗結束，將試驗數據整理擬合，得出隨時間變化各測試點的溫度、平均值、撓度變化的軌跡，如表2所示。

表2 背火面測溫點及撓度值

由圖表可以發現，試驗開始時，溫度向外傳遞緩慢，在試驗進行到50min時，試件背面溫度升高速度加快。

由圖9可見，在樓板跨中處撓度明顯。試驗過程中無法觀察樓板向火面情況，提升試件后如圖10所示，向火面處混凝土已有脫落，且在試件左下角處有鋼筋露出，為結構受火時的正常現象。試驗結束后進行數據分析，試件耐火性能主要體現在構件的承載能力、完整性和隔熱性上。根據GB/T 9978.1-2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分：通用要求》：1）在91min試驗結束時，試件極限彎曲變形量D=109.3mm，小于L2/400d=190.5mm，在不考慮極限變形速率時，D小于L/30=133.3mm，即在2kN/m2的作用下，其承載力大于等于91min，滿足規范要求；2）試驗開始至結束，夾心體未被點燃，背火面未起火，其完整性滿足試驗要求；3）試驗結束時，背火面單點溫度遠小于規范值180℃，平均溫度值遠小于規范要求值140℃，其隔熱性滿足規范要求。

圖8 溫度、撓度軌跡

圖9 試驗91min時背火面

圖10 試驗后試件向火面

3.2 抗彎試驗結果分析

試驗過程中，荷載逐級增加，每級2kN，在外加荷載增大至14kN時，試件發出聲響，跨中出現第一條裂縫，隨荷載的不斷增加，裂縫延伸，試件的受壓區有效高度逐漸減小，撓度增大，如表3所示。裂縫達到規范要求的L0/200時，板跨中撓度為16mm，裂縫的計算按照GB 50010-2010的公式進行：

表3 荷載與跨中撓度變化

式中符號含義同規范。

荷載跨中撓度曲線如圖11所示，12kN前在彈性階段，跨中撓度隨荷載增加呈線性變化；12kN后出現拐點，此時帶裂縫工作，自出現裂縫至下部通長鋼筋屈服前，撓度隨荷載增長呈非線性變化。試驗結束，試件出現3條貫穿裂縫和2條延伸裂縫，且裂縫對稱分布，該試件的破壞形式為適筋破壞，如圖12所示。

圖11 跨中荷載-撓度曲線

圖12 試樣底部主裂紋分布

對荷載應變曲線觀察，與普通混凝土板相同，夾心樓板在加載過程中也有明顯的彈性階段、帶裂縫工作階段以及極限破壞階段。

圖13 荷載應變曲線

4 結論

1）耐火性試驗研究表明，直到試驗結束，夾心樓板都有著良好的承載力、完整性和隔熱性，基本性能滿足GB/T 9978.1-2008的要求。2）用同等混凝土對火災后的樓板進行修復，并對該樓板進行抗彎試驗，在構件板中彎折破壞時，其最大承載力為30kN，根據板的破環形式，新舊混凝土未脫離，表明該板的混凝土與鋼絲網片起到了良好的結合作用。3）火災修復后的夾心樓板依然可以繼續承載，且承載力滿足GB 50010-2010的規定。