鋼筋桁架樓承板熱力學性能研究現狀

陳 楠龔詩雨蔣志楨柏 偉金曉清,

（1.重慶大學航空航天學院，重慶 400044；2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

0 引言

當前，鋼筋桁架樓承板以其獨有優勢已被廣泛應用于高層建筑等復雜結構中。作為自承式組合樓板，當應用于承重構件時，一旦發生火災，很容易遭受結構破壞甚至整體倒塌?；炷岭m導熱性能較差，但在高溫下易發生爆裂；而鋼材在500℃時，屈服強度大大衰退。由中國消防公布數據顯示，2021年高層建筑火災呈上升趨勢，全年共接報火災4057起，死亡人數168人，較上年增長22.6%，其中住宅火災更是高達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，對于維持建筑整體的安全性能、保護人民群眾的生命財產安全而言，至關重要。

當前，對于鋼筋混凝土結構耐火性能的研究，主要集中在鋼管混凝土柱等構件上，對于鋼筋桁架樓承板，主要集中于力學性能、施工工藝等方面的優化，而對其耐火性能的研究較少。高溫耐火性能涉及的因素眾多，如保護層厚度、跨度、桁架間距、鋼筋耐火性能等，從宏觀結構的整體力學性能，到微觀的鋼材晶體結構，均需加以考慮?，F行鋼筋桁架樓承板設計手冊，對諸如混凝土、底模等均有較詳細的指導。但缺乏耐火性能方面內容。且已有設計方法過于單一，僅對高溫效應采取簡單的折算替代，相關耐火驗算尚未形成針對鋼筋桁架樓承板的專門規范。本文從力學計算分析方法、結構部件設計等方面，對鋼筋桁架樓承板耐火性能設計研究現狀進行全面介紹，并對耐火性能的整體設計提出建議。

1 鋼筋桁架樓承板基本構造

現行鋼筋桁架樓承板，主要包含不可拆底模和可拆卸底模兩種構造。在鋼筋桁架中，上弦鋼筋與兩根下弦鋼筋，經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制廠制作完成，現場利用栓釘保證樓承板與鋼梁的穩定銜接，并最終整體澆筑混凝土。相比傳統單一混凝土構件或純鋼構件，鋼筋-混凝土組合構件集成了兩者的優勢，具備自重輕、強度高、施工進度快、性能優良等特點，兼顧經濟效應和服役性能兩大優勢。

圖1 鋼筋桁架樓承板結構示意圖

2 力學性能研究

鋼筋桁架樓承板綜合了混凝土、鋼筋的力學性能，制作工藝簡潔，現場吊裝方便，能大大縮短工期。其火災下的高溫力學性能是結構安全的重要指標，樓承板的耐火性能、力學性能更是生命保障的安全線。常規設計中，更多注重多種載荷組合（如彎曲、剪切等）下樓承板的力學性能。而在高溫狀態下，由于鋼筋、混凝土溫度膨脹系數不同，加之兩者溫度傳導性能差異較大，在溫升初始階段，兩者因膨脹程度不同而產生相對剪切滑移。由此可見，鋼筋桁架樓承板熱力耦合效應不是簡單的疊加作用，需要定量定性分析，研究其具體作用機理，從而為樓承板的耐火設計提供有力指導。

2.1 鋼筋桁架樓承板力學性能優勢

相比于普通現澆樓承板，鋼筋桁架樓承板在力學上有更優的性能。劉軼等[2]通過試驗分析發現，有無鋼筋桁架結構對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構剛度，適當調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]通過有限元仿真分析試驗研究，發現鋼筋桁架樓承板的剛度受桁架結構中的上下弦軸心矩、底板厚度、桁架高度、鋼筋直徑和混凝土強度等因素影響，其中桁架高度和上弦直徑決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]發現普通現澆樓承板在初始有模板的施工階段不產生變形，但是混凝土凝固，拆除模板過后，整體結構會因為自重而出現下沉的拉應力，嚴重的情況下就會出現裂紋，直至開裂，無法使用，鋼筋桁架樓承板則能避免這樣的問題，呈現出更好的力學性能；竇立軍等[5]研究發現樓承板相比于普通現澆板而言，有效提高了現澆的混凝土部分與桁架結構的黏結作用，使其整體性能得到提高，并增強抗剪切能力，使得樓承板在大跨度結構中的應用更為廣泛。

鋼筋桁架樓承板可以結合一系列高性能的材料來彌補普通樓承板存在的不足，提高樓承板的整體力學性能和穩定性。由于板中桁架結構的存在，實際工程中施工效率會提高，底板會減少工程中底模和支撐的使用，進而節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用的承力構件，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構，再與底板焊接構成。但由于鋼筋桁架樓承板的底板容易出現裂紋，導致構件經常開裂，無法正常使用，因此，為提高底板的開裂彎矩，一定要減緩裂紋發展。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構中橫向安裝了附加的鋼筋支架，讓整體桁架呈現交叉網格結構，在提高底板高載荷下抗裂性能的同時，使底板與混凝土更好地共同工作，對混凝土溫度變化及收縮導致的結構性能不穩定的情況有很好的控制作用。

在混凝土硬化的過程中，鋼筋桁架樓承板整體強度會隨著混凝土發生較大的變化，這個過程極易產生裂紋，尤其是大跨度樓承板。為了解決這一問題，王金波提出為板塊設置支撐的方法，這樣就能有效抑制硬化過程中的裂紋產生。即使如此，跨度較大的樓承板也不宜用于邊板帶，否則樓承板會出現變形過大的問題。

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看，結構雙向剛度一致，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構是在工廠完成，相比于普通樓承板的現場綁扎，其鋼筋的間距和高度等都能有很好的統一性，質量有很好的保證，這也使得施工現場的安裝過程更加方便環保。

孫磊[8]從樓承板理論公式出發，從撓度、裂縫、極限承載能力、破壞形態等角度對鋼筋桁架樓承板進行了試驗驗證，通過分析試驗數據，得出各影響參數的改變對其承載能力的影響規律，并與現澆樓板對比，發現鋼筋桁架樓承板能將鋼筋、鋼板、混凝土很好地協同在一起。其屈服載荷和極限載荷、剛度也都要大于現澆板。

國內有課題組[9-10]考慮材料的高溫力學性能，對鋼筋桁架樓承板抗剪性能開展試驗研究，重點關注鋼筋桁架樓承板鋼組合梁栓釘剪切滑移后的熱力學性能，通過試驗對比，提出了鋼筋桁架樓承板中栓釘高溫下抗剪承載力及載荷-滑移線關系的計算方法。結果表明，對栓釘采取完全抗剪設計，栓釘的剪切滑移、掀起位移等對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 底模對耐火性能的影響

傳統鋼筋桁架樓承板底模，常采用鍍鋅壓型鋼板，經設備壓制成型。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，經彎鉤連接件與鋼筋桁架固定，待現澆混凝土體完成后，可利用卸鉤專用套管或專用扳手予以拆除。

對于不可拆底模樓承板而言，由于底模無法拆卸，無法滿足無吊頂裝飾等具體需求。同時，需進行二次裝修，造成人工、物料等浪費的現象。而在耐火性能方面，問題更是突出。在火災發生時，底模單面受火導致溫度攀升并隨之發生熱熔，而由于腹桿與底板相連，高溫熱量將由底板經腹桿低端向下弦鋼筋、上弦鋼筋傳導，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熱熔的不利狀態。

可拆卸底模雖避免了鋼板的熱熔及熱傳導，但制作工藝相對復雜，流水線生產操作性不強。而拆模工作又將帶來人料機費用的增加，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影響。在可拆卸底模的創新探索方面，可考慮使用木模板代替鋼板。但鋼筋桁架與底模連接過于復雜，因材料本身的各向異性、非均質性等特點，在加工成型中存在模板破壞失效的風險。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，水泥板經現澆工序后直接轉換成樓承板的底板，但桁架結構連接復雜，且現澆混凝土與底?；炷了冶绕ヅ涑潭扔謱⒂绊懡Y構的整體性。

3.2 跨度對耐火性能的影響

由結構力學基礎知識可知：跨度越大，跨中彎矩越大，所產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。因此在滿足強度、剛度和穩定性的前提下，采用小跨度有助于耐火性能的提升。但隨著城市建設、城際發展的需要，鋼筋桁架樓承板、鋼-混凝土組合結構正朝著大跨度方向飛速發展，因此，如何解決實際需求與結構本身耐火性能的矛盾關系，是當前亟需解決的關鍵技術問題。

3.3 其他影響

防火涂層能有效隔絕構件表面與火源，對于樓承板底模、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，延長耐火時間?；炷帘Ｗo層能有效加大鋼筋與受火面的距離，降低鋼筋的溫升變化，但根據相關研究[11]，增大混凝土保護層厚度對耐火性能提升作用有限。

4 結束語

常用的耐火設計中，一般將溫度效應等效為外力載荷進行折算，再與常規作用力進行疊加，雖使得計算大大簡化，但與實際工況不符，無法充分體現高溫極端環境下鋼筋-混凝土的熱力耦合效應。而在結構滿足常溫常規設計前提下，采取耐火能力驗算的方法雖更先進，但相關研究主要集中于鋼結構。對于鋼筋桁架樓承板的耐火能力驗算，目前并未形成統一的規范和指導計算，大多采用數值仿真進行個案的粗糙模擬求解。而在結構設計方面，可采用新型架構、特殊材料的樓承板，如發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，基于宏觀結構力學性能，在常溫常規設計基礎上，開展熱力耦合效應下鋼筋、混凝土力學性能及高溫下鋼筋-混凝土相互作用的研究，并形成系統而有效的計算分析指導方法，能有效推動鋼筋桁架樓承板耐火性能設計的發展，為國民經濟、人民生命財產安全提供必要的保障。