壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究現(xiàn)狀與展望

劉昊琨，李延濤，劉 毅，宗金輝(. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 30040；. 淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司 資產(chǎn)管理部，山西 長(zhǎng)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(xiàn)狀與展望

劉昊琨1，李延濤1，劉 毅2，宗金輝1
(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司 資產(chǎn)管理部，山西 長(zhǎng)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(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用于高層結(jié)構(gòu)中．由于高層結(jié)構(gòu)層數(shù)多，火災(zāi)下逃生困難，因此高層結(jié)構(gòu)的耐火性能直接關(guān)系到廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全．對(duì)壓型鋼板-混凝土組合樓板耐火性能的研究是當(dāng)前鋼混組合結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)此做了大量的研究工作，包括試驗(yàn)研究、理論研究和工程設(shè)計(jì)方法的研究．這些研究成果對(duì)現(xiàn)階段組合結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要的指導(dǎo)作用．本文對(duì)已有的部分研究成果和工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出了現(xiàn)有研究的不足，并對(duì)今后的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望．

關(guān) 鍵 詞：壓型鋼板-混凝土組合樓板；抗火性能；試驗(yàn)研究；理論分析；工程設(shè)計(jì)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)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(dǎo)致建筑火災(zāi)的隱患增大，對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅．2001年9 月11日，美國紐約世貿(mào)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(jīng)濟(jì)損失255億美元，間接經(jīng)濟(jì)損失則高達(dá)2,000億美元；2004 年10月17日，委內(nèi)瑞拉首都一棟56層221,m高的雙子塔發(fā)生大火，火災(zāi)持續(xù)18,h，造成數(shù)億美元的直接經(jīng)濟(jì)損失；2003年11月3日，湖南衡陽一大型商場(chǎng)發(fā)生特大火災(zāi)，導(dǎo)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(guī)燃放煙花爆竹，導(dǎo)致在建的央視新大樓北配樓發(fā)生特別重大火災(zāi)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(jīng)調(diào)查，建筑物過火、過煙總面積達(dá)21,333,m2，造成直接經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)單和后期維修使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛運(yùn)用于超高層結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)理論，尋找最優(yōu)的組合樓板防火保護(hù)方法，最大限度地提高其耐火極限，對(duì)結(jié)構(gòu)抗火性能的研究有著非常重大的意義．為此，筆者對(duì)國內(nèi)外壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，對(duì)國內(nèi)已有的抗火設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行討論，指出組合樓板抗火性能今后的研究方向和發(fā)展前景．

1 國內(nèi)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(jù)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(dāng)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(fā)生退化，相鄰未受熱的構(gòu)件對(duì)受熱構(gòu)件產(chǎn)生約束，導(dǎo)致火災(zāi)下樓板反應(yīng)極其復(fù)雜．因此，許多學(xué)者對(duì)組合樓板的火災(zāi)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究范圍包括試驗(yàn)研究、理論研究和設(shè)計(jì)方法研究．

1.1 試驗(yàn)研究

1.1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對(duì)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(jīng)形成了一套較為成熟的組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法．荷蘭學(xué)者Brekelamans等對(duì)不同約束條件下的鋼-混組合樓板進(jìn)行了一系列的抗火試驗(yàn)研究，分析了簡(jiǎn)支邊界條件[2]、連續(xù)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(xué)反應(yīng)和耐火極限；Foster和Bailey等[5]對(duì)15塊鋼筋混凝土樓板進(jìn)行了常溫下的加載試驗(yàn)，繪制出荷載大小與樓板變形的關(guān)系曲線，對(duì)樓板破壞時(shí)所出現(xiàn)的薄膜效應(yīng)進(jìn)行了研究，并通過觀察記錄樓板裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展情況，分析了常溫下樓板薄膜效應(yīng)的形成機(jī)理和影響因素，包括樓板的長(zhǎng)寬比、鋼筋種類和直徑、混凝土等級(jí)等等．

Jan Bedná?等[6]對(duì)鋼纖維混凝土組合樓板的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)繪制出不同溫度下樓板的力和撓度的關(guān)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(dá)到500,℃時(shí)，延性達(dá)到最高，此時(shí)能夠形成一定的薄膜效應(yīng)；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(fā)生剪切而破壞．

S.Guo對(duì)6塊有固定端約束的壓型鋼板-組合樓板進(jìn)行了火災(zāi)升溫和降溫試驗(yàn)研究，在不同荷載和升降溫作用下，記錄隨著時(shí)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(yàn)結(jié)果表明：不同受火工況對(duì)組合樓板的力學(xué)性能影響很大，支反力在從升溫到降溫的過程中，會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，并伴隨有內(nèi)力重分布；降溫時(shí)撓度的恢復(fù)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(huì)向上拱起．這是因?yàn)樵谏郎貢r(shí)鋼板受熱膨脹，又因受到混凝土的約束產(chǎn)生塑性壓應(yīng)變，在降溫時(shí)鋼板收縮，當(dāng)收縮到比混凝土板長(zhǎng)度小時(shí)，樓板便會(huì)產(chǎn)生向上拱起的現(xiàn)象．

1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究相對(duì)較晚，且主要集中在同濟(jì)大學(xué)、公安部天津消防研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、四川大學(xué)等高校和學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)．

蔣守超和李國強(qiáng)對(duì)8塊不同溫度狀態(tài)下的樓板進(jìn)行加載破壞，分別測(cè)定其相應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度，并且根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，擬合出了溫度與黏結(jié)強(qiáng)度的曲線，給出了黏結(jié)強(qiáng)度在不同溫度下的計(jì)算公式；試驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，壓型鋼板與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度下降，但下降曲線趨于平緩，因此在組合樓板火災(zāi)行為的分析中，黏結(jié)滑移性能對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的影響可忽略不計(jì)[8]；對(duì)4塊鋼桁架組合樓蓋進(jìn)行了恒載升溫耐火試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，壓型鋼板的厚度對(duì)組合樓蓋的抗火性能影響不大，而鋼梁的抗火性能對(duì)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(qiáng)度在火災(zāi)中對(duì)承載力不起控制作用，火災(zāi)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(dá)到抗火極限承載力的標(biāo)準(zhǔn)[9]．

韓金生和董毓利對(duì)3個(gè)簡(jiǎn)支組合樓板試件進(jìn)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(duì)樓板耐火極限的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，簡(jiǎn)支組合樓板的抗火性能較差，主要影響簡(jiǎn)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(duì)組合樓板耐火極限的影響很小，只是在板的撓度變形已經(jīng)比較大，接近坍塌的時(shí)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(duì)4塊三跨連續(xù)板進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，連續(xù)樓板由于配置了支座負(fù)筋而提高了其耐火性能，但在升溫和降溫過程中，會(huì)產(chǎn)生劇烈的內(nèi)力重分布，支反力變化迅速，其中受火工況和構(gòu)造條件對(duì)其內(nèi)力重分布影響較大[11]．

陳一鷗對(duì)5塊無受力筋的壓型鋼板-組合樓板進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)研究，記錄了不同厚度組合樓板在不同的加熱時(shí)間下，爐溫和背溫的溫度值以及跨中的撓度，結(jié)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(jié)合能力，壓型鋼板的升溫會(huì)很快傳到混凝土內(nèi)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(fā)，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(nèi)外的試驗(yàn)研究成果主要有以下幾點(diǎn)：

(1)隨著溫度的升高，鋼板與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度下降；當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定．高溫下，由于鋼材的膨脹，以及其良好的延性，組合樓板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生薄膜效應(yīng)，對(duì)樓板的承載力有一定的提高．

(2)樓板的約束條件對(duì)其高溫下的受力性能影響顯著；固定端樓板的抗火性能優(yōu)于簡(jiǎn)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(duì)高溫下組合樓板的極限承載力影響較?。?/p>

(3)對(duì)于有鋼梁的組合樓板，鋼梁的抗火性能對(duì)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(hù)．當(dāng)鋼梁失去承載力時(shí)，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(chǎng)研究和熱-結(jié)構(gòu)耦合研究．學(xué)者們主要從材料熱工參數(shù)、構(gòu)件熱力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)在高溫下的內(nèi)力與變形等方面，通過編制有限元程序來對(duì)溫度場(chǎng)以及高溫下的結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行模擬．

1.2.1 溫度場(chǎng)研究

溫度場(chǎng)的計(jì)算理論已經(jīng)比較成熟．對(duì)于組合樓板的溫度場(chǎng)研究，一般采用有限元法，通過運(yùn)用ANSYS、ABAQUS等大型有限元軟件進(jìn)行模擬分析；或者運(yùn)用有限差分法、有限元和有限差分相結(jié)合的方法進(jìn)行編程計(jì)算，也有學(xué)者運(yùn)用解析法或者半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行分析．

李國強(qiáng)等[13]和徐朝暉等[14]提出了三種火災(zāi)下組合樓板的傳熱模型，即熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射．這三種傳熱模型囊括了所有樓板升溫時(shí)的熱量傳遞過程．許多有限元程序的編制和數(shù)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(gè)復(fù)雜的過程．比如在高溫下，混凝土中水分的蒸發(fā)會(huì)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(xué)反應(yīng)，也會(huì)對(duì)熱容產(chǎn)生較大影響，這些因素對(duì)溫度場(chǎng)的分布影響很大．在進(jìn)行熱分析和結(jié)構(gòu)分析時(shí)，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(shù)，才能準(zhǔn)確分析溫度的分布情況和受力情況．Lie[15]、Lie 和Chabot[16]在計(jì)算截面溫度場(chǎng)時(shí)考慮了混凝土中水蒸氣的影響，較準(zhǔn)確地模擬出火災(zāi)下截面溫度場(chǎng)的分布情況，且與試驗(yàn)吻合較好．

1.2.2 熱-結(jié)構(gòu)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(shù)和材料的熱力學(xué)模型，定義正確的邊界條件，建立了鋼混凝土組合樓板在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的有限元分析模型；用熱工參數(shù)確定的熱分析步求解出火災(zāi)下構(gòu)件的溫度場(chǎng)，然后將溫度場(chǎng)導(dǎo)入力學(xué)模型中，再設(shè)置不同溫度下的材料屬性，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算．

蔣守超等[18-19]利用有限元編程，分別對(duì)簡(jiǎn)支板和兩跨連續(xù)板進(jìn)行火災(zāi)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(fù)彎矩鋼筋的大小等影響因素，來判斷其對(duì)組合樓板耐火性能的影響．分析結(jié)果表明，壓型鋼板的厚度對(duì)組合樓板的耐火極限影響很?。黄淠突饡r(shí)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(shí)還提出了將不考慮壓型鋼板作用的素混凝土板內(nèi)力指標(biāo)作為組合樓板耐火時(shí)間的影響因子，擬合出了組合板與內(nèi)力指標(biāo)參數(shù)的關(guān)系式．

徐蕾等[20]應(yīng)用有限元和有限差分法相結(jié)合的方法，對(duì)鋼混凝土組合樓板進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬和參數(shù)化分析．結(jié)果表明：組合板的耐火性能優(yōu)于無保護(hù)層的鋼結(jié)構(gòu)的；耐火極限隨著板厚和混凝土強(qiáng)度的增加而提高，隨著含鋼率和鋼材強(qiáng)度的增加而降低.

S.Guo[7]運(yùn)用ABAQUS對(duì)壓型鋼板-組合樓板進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬和參數(shù)化分析．選取隨溫度變化的材料熱工參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好；并進(jìn)一步分析了升溫和降溫過程中，溫度場(chǎng)分布的變化趨勢(shì)．在參數(shù)化分析中的研究表明，鋼板的厚度對(duì)樓板在火災(zāi)下的力學(xué)性能有顯著的影響，而混凝土等級(jí)和網(wǎng)格尺寸對(duì)其影響不大．

概括國內(nèi)外的理論研究成果主要有：①提出熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、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(fā)，描述熱量在固體材料內(nèi)部以及固體與空氣之間的傳遞過程，為樓板的溫度場(chǎng)分析奠定基礎(chǔ)；②編制出計(jì)算樓板溫度場(chǎng)的有限元程序，并運(yùn)行計(jì)算；其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了程序的正確性與可行性；③運(yùn)用有限元模擬進(jìn)行高溫下樓板的熱力耦合分析．通過改變樓板的參數(shù)，可以分析樓板的尺寸、材料強(qiáng)度、邊界條件等因素對(duì)樓板耐火性能的影響，解決許多試驗(yàn)中無法驗(yàn)證的問題．

1.3 工程設(shè)計(jì)方法

1.3.1 基于小撓度破壞準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)方法

此種方法在進(jìn)行樓板抗火分析時(shí)，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(jié)構(gòu)構(gòu)件處理．當(dāng)構(gòu)件喪失承載能力或變形過大(撓度超過跨度的1/20)時(shí)，即認(rèn)為構(gòu)件達(dá)到抗火極限狀態(tài)，此時(shí)的受火時(shí)間即為構(gòu)件的耐火時(shí)間[21]．

1.3.2 考慮薄膜效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法

組合樓板的薄膜效應(yīng)是指在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，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(zāi)下產(chǎn)生了很大的變形，但樓板依靠混凝土內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)形成的薄膜作用還可以繼續(xù)承受荷載，而不至于樓板馬上坍塌[22]．考慮薄膜效應(yīng)后，樓板在火災(zāi)下的承載力比基于小撓度破壞準(zhǔn)則的抗火設(shè)計(jì)方法得出的承載力高出許多．因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑中，正確考慮樓板的薄膜效應(yīng)，充分發(fā)揮樓板的承載力潛能，對(duì)提高樓板耐火極限、節(jié)約構(gòu)件防火成本，有著非常重要的意義．

GBJ16—1987《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[23]規(guī)定：一級(jí)建筑物樓板耐火極限1.5,h，二級(jí)建筑1,h，三級(jí)建筑0.5,h．由于考慮薄膜效應(yīng)后，樓板在受火破壞前，隨著受火時(shí)間的延長(zhǎng)，樓板極限承載力逐漸提高．所以三種等級(jí)的建筑物可統(tǒng)一按照1.5,h耐火極限進(jìn)行設(shè)計(jì)．現(xiàn)階段所采取的樓板薄膜效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法是基于屈服線理論的設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)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(shù)，兩者相乘即為考慮薄膜效應(yīng)的承載力[24]．

2 存在的問題

對(duì)于壓型鋼板-混凝土組合樓板的耐火性研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作，包括試驗(yàn)研究和理論研究，取得了一定的科研成果，并已廣泛運(yùn)用于建筑工程的防火設(shè)計(jì)中．但對(duì)組合樓板耐火性等進(jìn)行深層次研究較少，主要存在以下問題：

(1)現(xiàn)階段對(duì)于壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能的研究?jī)H僅局限于樓板的研究，而缺少對(duì)于樓板在整體結(jié)構(gòu)中的研究．火災(zāi)中，由于樓板是與梁、柱一起整體受力的，這種結(jié)構(gòu)體系的受力與單個(gè)構(gòu)件在試驗(yàn)中的受力情況是有偏差的．

(2)對(duì)于壓型鋼板-混凝土組合樓板的抗火試驗(yàn)研究，其受火情況大部分是按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行試驗(yàn)，在用有限元軟件進(jìn)行模擬時(shí)，也是采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬；而火災(zāi)是小概率的極端事件，并且室內(nèi)火災(zāi)的升溫過程具有很大的隨機(jī)性，受周圍環(huán)境的影響較多，采取統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行分析，必然會(huì)與實(shí)際結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的反應(yīng)有一定的差異．

(3)對(duì)于高溫下材料的力學(xué)性能、熱工參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系，仍有待于進(jìn)一步研究．由于試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備的限制，學(xué)者們對(duì)于火災(zāi)下材料性能的研究仍然不夠深入，對(duì)于熱力共同作用下的材料性能、火災(zāi)中材料的損傷機(jī)理研究得更少；材料在升溫過程中所發(fā)生的一些物理化學(xué)變化，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布和受力性能產(chǎn)生影響，而這些影響在軟件模擬中，還無法準(zhǔn)確地描述．由于材料性能參數(shù)的選取不準(zhǔn)確，導(dǎo)致理論研究結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果存在一定差異．

(4)對(duì)于火災(zāi)后組合結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)估和加固措施的研究仍不完善．火災(zāi)過后，鋼和混凝土的材料性能進(jìn)一步下降，結(jié)構(gòu)變形增大，承載力大幅降低；而由于現(xiàn)有科研條件和經(jīng)濟(jì)條件的限制，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于火災(zāi)后組合樓板的結(jié)構(gòu)和材料性能的研究還不夠深入，還無法對(duì)火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)提出合理的改進(jìn)和加固措施．

(5)目前耐火試驗(yàn)的成本昂貴，有時(shí)試驗(yàn)還無法準(zhǔn)確描述真正的結(jié)構(gòu)體系受火情況．對(duì)于試驗(yàn)無法解決的問題，通常是運(yùn)用熱分析理論和結(jié)構(gòu)分析理論，建立以計(jì)算為主的設(shè)計(jì)方法．但此種方法不具有針對(duì)性，僅僅依據(jù)耐火規(guī)范，運(yùn)用力學(xué)原理進(jìn)行分析計(jì)算．雖然此種方法已較為成熟，但仍然存在不經(jīng)濟(jì)、不合理、成本高等缺點(diǎn)．

3 研究方向與建議

(1)對(duì)于組合樓板的耐火性能分析，應(yīng)當(dāng)從對(duì)單個(gè)組合樓板的受力分析過渡到以整體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)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(zāi)下，考慮實(shí)際約束條件下結(jié)構(gòu)整體的變形、內(nèi)力重分布以及支反力變化情況，使得分析結(jié)果更加接近實(shí)際情況．

(2)對(duì)升溫曲線的選取，應(yīng)當(dāng)對(duì)火災(zāi)升溫段的持續(xù)時(shí)間和所能達(dá)到的最高溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基于兩者的統(tǒng)計(jì)規(guī)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(guān)系．對(duì)于不同的建筑物、不同的結(jié)構(gòu)形式和使用功能，采用不同的升溫曲線進(jìn)行耐火分析，這對(duì)于節(jié)約結(jié)構(gòu)防火成本、提高結(jié)構(gòu)耐火極限有著重要的意義．

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

(4)需要全面認(rèn)識(shí)基于火災(zāi)全過程的結(jié)構(gòu)體系的性能變化，合理確定火災(zāi)作用后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘余應(yīng)力和殘余變形的大小，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，提出較為準(zhǔn)確的力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算公式，這對(duì)于火災(zāi)作用后結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估和加固工作，有著重要的指導(dǎo)作用．

(5)要由基于耐火試驗(yàn)和計(jì)算為主的抗火設(shè)計(jì)方法向性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變．性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)是對(duì)結(jié)構(gòu)抗火需求進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，以人員安全和火災(zāi)下經(jīng)濟(jì)損失最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，直接對(duì)結(jié)構(gòu)抗火需求做出準(zhǔn)確判斷，最大程度模擬出結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗火能力，在抗火設(shè)計(jì)中做到因地制宜，既經(jīng)濟(jì)又合理，是一種先進(jìn)的抗火設(shè)計(jì)方法．

參考文獻(xiàn)：

［1］ 于志武，丁發(fā)興．鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能組合與應(yīng)用[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31(6)：96-109．

［2］ BREKELAMANS JW PM，HAAR PW V D，TWILT，et al. The mechanical behavior of simply supported fire-exposed composite steel/concrete slabs[R]. Eindhoven：Eindhoven University of Technology，1990.

［3］ BREKELAMANS JW PM，HAAR PW V D，TWILT，et al. The mechanical behavior of continuous fire-exposed composite steel/concrete slabs[R]. Eindhoven：Eindhoven University of Technology，1990.

［4］ BREKELAMANS JW PM，HAAR PW V D，TWILT，et al. The mechanical behavior of fire-exposed composite steel/concrete slabs[R]. Eindhoven：Eindhoven University of Technology，1990.

［5］ FOSTER S J，BAILEY C G，BURGESS I W，et al. Experimental behaviour of concrete floor slabs at large displacements[J]. Engineering Structures，2004，26：1,231-1,247.

［6］ JAN B，WALDN F，JAN V，et al. Experiments on membrane action of composite floors with steel fibre reinforced concrete slab exposed to fire[J]. Fire Safety Journal，2013，59：111-121.

［7］ GUO S. Experimental and numerical study on restrained composite slab during heating and cooling[J]. Journal of Constructional Steel Research，2012，69：95-105.

［8］ 蔣守超，李國強(qiáng). 高溫下壓型鋼板-混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31(3)：273-276. ［9］ 蔣守超，李國強(qiáng)，周宏宇，等. 鋼-混凝土組合樓蓋抗火性能的試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(3)：45-50.

［10］ 韓金生，董毓利. 簡(jiǎn)支組合樓板的火災(zāi)試驗(yàn)研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2007，24(2)：70-73.

［11］ 韓金生，董毓利. 壓型鋼板-混凝土組合樓板火災(zāi)行為試驗(yàn)分析[J]. 工業(yè)建筑，2006，36(3)：87-90．

［12］ 陳一鷗. 壓型鋼板組合樓板耐火性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1998，19(5)：22-26.

［13］ 李國強(qiáng)，殷穎智，蔣守超. 火災(zāi)下組合樓板的溫度場(chǎng)分析[J]. 工業(yè)建筑，1999，29(12)：47-49.

［14］ 徐朝暉，陸洲導(dǎo)，王李果. 壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能非線性分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(5)：73-77.

［15］ LIE T T，F(xiàn)ire resistance of circular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J]. Journal of Structural Engineering，1994. 120(5)：1 489-1 509．

［16］ LIE T T，CHABOT M. A method to predict the fire resistance of circular concrete filled hollow steel columns[J]. Journal of Fire Protection Engineering，1990，2(4)：111-126.

［17］ 毛小勇，張耀春，韓林海. 標(biāo)準(zhǔn)升溫下鋼-混凝土組合樓板的抗火性能[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(2)：55-60.

［18］ 蔣守超，李國強(qiáng)，周昊圣. 鋼-混凝土組合樓板實(shí)用抗火設(shè)計(jì)方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006(8)：87-89. ［19］ 蔣守超，李國強(qiáng)，婁國彪，等. 鋼-混凝土組合樓蓋抗火性能數(shù)值分析方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(3)，38-44．

［20］ 徐 蕾，包延紅，王文達(dá). 鋼-混凝土連續(xù)組合樓板抗火性能的數(shù)值模擬[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22(2)：76-83.

［21］ 李國強(qiáng). 鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：159.

［22］ BAILEY C G，LENNON T，MOORE D B. The behavior of full-scale steel framed buildings subjected to compartment fires[J]. The Structural Engineer，1999，77(8)：15-21．

［23］ 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范：GBJ16—1987[S].

［24］ 沈聚敏． 鋼筋混凝土有限元與板殼極限分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1991：146-148．

能源與機(jī)械

環(huán)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(jié)構(gòu)工程和結(jié)構(gòu)抗火的研究．E-mail：walkeryong@126.com

作者簡(jiǎn)介：劉昊琨（1990—），男，河北保定人，河北工業(yè)大學(xué)碩士生．

收稿日期：2015-03-20；

修訂日期：2015-04-27

中圖分類號(hào)：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-719X(2016)01-0022-05