高層建筑樓板混凝土構(gòu)件的防火耐熱性能研究

原偉，蔡子為，龐瑞

（1.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610106）

0 引言

高層建筑發(fā)生火災(zāi)，已經(jīng)成為威脅居民安全和社會發(fā)展的重要災(zāi)害之一。高層建筑發(fā)生火災(zāi)具有火勢蔓延較快、疏散困難以及撲救難度大等特點，同時因為高層建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、且人員密度較大，所以一旦發(fā)生火災(zāi)，則很難進行控制和逃離，多起高樓火災(zāi)的救援案例表明，現(xiàn)已有救援手段不能完全適用于高樓建設(shè)的發(fā)展[1]。

現(xiàn)代建筑廣泛采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因為混凝土具有使用壽命長、維修費用低、熱穩(wěn)定性較好、施工多樣性、整體構(gòu)造好、原材料來源廣泛、可塑性良好及工藝簡單等優(yōu)點。同時混凝土是熱惰性材料，可以承受200~1300℃的高溫，不過在火災(zāi)中所產(chǎn)生的高溫仍然會使混凝土的性能出現(xiàn)較大的變化，雖不會喪失所必要的承載功能，但對處于火場內(nèi)的建筑構(gòu)件也會造成不利的影響[2]，且在高溫作用下很難維持所需要的物理力學(xué)性能，導(dǎo)致火災(zāi)過后出現(xiàn)構(gòu)件形變，嚴(yán)重時甚至可能出現(xiàn)坍塌情況[3]。針對上述情況，本文對高層建筑樓板混凝土構(gòu)件的防火耐熱性能進行了測試研究。

1 構(gòu)建建筑火災(zāi)模型

1.1 網(wǎng)格模型

對建筑樓板進行二維平面建模，得到具體有非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、常物性以及無內(nèi)熱源模型的網(wǎng)格圖像。如圖1所示[4]：

圖1 模型網(wǎng)格圖像

1.2 能量方程

具體有非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[5]、常物性以及無內(nèi)熱源的能量方程為：

T——溫度，℃；

t——時間，s；

x——材料的厚度，mm。

2 邊界條件

物體導(dǎo)熱的邊界條件可以歸納成下列3種：

（1）規(guī)定邊界溫度值Tw：即t>0時，Tw=f1（t）；

（3）規(guī)定邊界的物體和附近流體表面的周圍流體溫度Tf，即t>0時，Tf=hTw。

3 實驗仿真測試結(jié)果分析

3.1 實驗環(huán)境

為了驗證高層建筑樓板構(gòu)件的防火耐熱性能，對其進行測試。實驗制作8塊預(yù)制混凝土樓板，4塊為預(yù)應(yīng)力試件，編號Z-1~Z-4；4塊為非預(yù)應(yīng)力試件，編號為ZM-1~ZM-4。具體試件參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)制混凝土樓板試件的參數(shù)

實驗采用臥式燃燒爐，利用ISO 834的升溫曲線實現(xiàn)升溫可視化，在測試前改造燃燒爐爐膛尺寸，使其平面尺寸為3.5 m×3.0 m，保持樓板的受火段長度為3.0 m，依據(jù)測試條件以及樓板的設(shè)計，將測試分成2個爐，每個爐4塊樓板，第1爐的試件編號為Z-1、Z-2、ZM-1、ZM-2，第2爐的試件編號為Z-3、Z-4、ZM-3、ZM-4，將其隨機放置爐內(nèi)。

在試件底部進行單面受火，端部放在臥式燃燒爐的燃燒壁上，在樓板的面上放置砝碼塊，以此均勻施加荷載，且在整體受火測試過程內(nèi)保持不變，頂面與側(cè)面都是背火面，先在各試件以及砝碼上安裝鋼絲繩固定，一旦試件變形高于耐火極限，則通過鋼絲繩把砝碼以及試件吊住，減小荷載。

在進行測試前，連續(xù)試件的左、右懸挑端要設(shè)置預(yù)緊鋼絲繩，便于約束懸挑端出現(xiàn)上翹，其為受火跨提供一定程度負(fù)彎矩。而鋼絲繩上端用于固定試件，下端用于固定粗鋼筋。

3.2 測試結(jié)果和分析

3.2.1 測試現(xiàn)象

第1爐與第2爐的受火升溫時間分別是120、140 min，第1爐的受火測試，撓度發(fā)展較快，在受火15 min后，每個試件的頂部都能夠看到顯著變形，在受火20~24 min時，相鄰的試件間縫隙，首先會出現(xiàn)少量白色的蒸汽，接著背火面會陸續(xù)析水，產(chǎn)生水漬。隨著受火時間的延長，水漬的面積不斷擴大，同時生成大量蒸汽，使燃燒爐上方白色的蒸汽越來越濃，而試件豎向撓度顯著，兩端存在顯著翹起，并且跨中撓度的變化率不斷增大。在受火40 min以后，背火面水漬就開始消失，且白色的煙霧也逐漸減少。在受火61 min時，多次聽到燃燒爐中出現(xiàn)明顯大小不同噼啪聲，是因為迎火面的混凝土出現(xiàn)局部爆裂所導(dǎo)致的，在受火85 min時，試件Z-1的跨中撓度達(dá)到250 mm，而跨中撓度變化率為11 mm/min，已經(jīng)超過跨中撓度的變化率耐火極限。試件Z-2、ZM-1分別在96、93 min時，達(dá)到跨中撓度變化率的控制耐火極限。在受火120 min時，ZM-2跨中撓度達(dá)到200.6 mm，撓度變化率為10.6 mm/min，該試件已經(jīng)接近防火耐熱的極限變形值。

第2爐的試件的受火測試撓度發(fā)展比較緩慢。在受火34 min時，試件兩端的支座周圍背火面都出現(xiàn)受拉裂縫，而隨著受火時間的延長，裂縫位置逐漸向受火跨一端發(fā)展，裂縫寬度總體上隨著受火時間的延長變大，在受火140 min時，第2爐的試件測試終止，而水蒸氣的蒸發(fā)以及混凝土的爆裂情況都和第1爐的試件相似。

在?；鸾K止測試后，試件自然冷卻至室溫，拆除測試裝置，對試件的受火測試情況進行觀察。從顏色能夠看出，混凝土的板側(cè)迎火面呈現(xiàn)灰白色，而背火面呈現(xiàn)灰色，且灰白色高度隨著受火時間的延長而增大。

帶有粉刷層的4個構(gòu)件Z-2、Z-4、ZM-2、ZM-4全部出現(xiàn)不同程度脫落情況；在相同受火條件以及混凝土強度等級下，4個預(yù)應(yīng)力試件Z-1~Z-4都出現(xiàn)不同程度混凝土爆裂的情況，所以，可以認(rèn)為，預(yù)應(yīng)力是影響樓板爆裂重要的原因，樓板施加預(yù)應(yīng)力會極大程度地提高混凝土的壓應(yīng)力水平，不過會致使迎火面的混凝土產(chǎn)生爆裂。

各組樓板試件的爆裂面積、粉刷層脫落面積以及爆裂最大深度如表2所示。

表2 樓板試件的混凝土和粉刷層脫落狀況

全部試件的受火面都布滿因高溫所致的龜裂裂縫。而板底以及板側(cè)都有顯著的橫向裂縫，該裂縫垂直穿過疊合層向著板頂發(fā)展，產(chǎn)生多條直接從板底貫穿至試件頂部橫向的裂縫，最寬的裂縫達(dá)到15 mm。其中連續(xù)試件支座周圍的背火面間隔都出現(xiàn)了若干條橫向受拉的裂縫，因為此區(qū)域存在負(fù)彎矩的鋼筋，所以背火面的受拉區(qū)域縫隙寬度與縫隙的分布都與常溫的測試相似，每個試件最大的裂縫寬度為0.3~0.6 mm。和常溫測試不同，在受火測試以后，各試件板側(cè)的表面都能夠看到沿疊合面縱向水平縫隙，而縫隙位置在2~3 cm的深度以后，試件的內(nèi)部疊合面都沒有看到顯著水平裂縫。

由此可以證明，水平的裂縫只是表層縫隙，在火災(zāi)中混凝土和預(yù)制底板都在協(xié)同受力。所有試件遭到破壞都是因為跨中區(qū)域的橫向受拉縫隙所導(dǎo)致的彎曲損壞，損壞時各試件跨中的撓度較大，延性較好。

3.2.2 樓板構(gòu)件的負(fù)彎矩

連續(xù)的樓板懸挑端實際測量負(fù)彎矩主要包括2種：主梁端部受壓生成的負(fù)彎矩和約束試件懸挑端上翹生成的負(fù)彎矩。每個試件左、右懸挑段起始負(fù)彎矩約為20 kN·m，負(fù)彎矩M代表實際測試鋼絲繩下拉的荷載N與荷載的作用點到支座距離a之積。連續(xù)試件的懸挑端實際測試負(fù)彎矩-時間曲線如圖2所示。

圖2 連續(xù)樓板試件懸挑端負(fù)彎矩-時間曲線

由圖2可以看出：

（1）各試件的左、右兩懸端實際測試的負(fù)彎矩-時間曲線都大約經(jīng)過3個階段：第1階段是上升段，在受火初期時，板底比板頂更具有顯著膨脹趨勢，原因在于板頂面沒有受火，懸挑端存在上翹的趨勢，因為預(yù)緊鋼絲繩約束的作用，致使懸挑端的負(fù)彎矩漸漸增大；第2階段是水平段，隨著受火時間的持續(xù)延長，每個試件懸挑端的負(fù)彎矩都陸續(xù)到達(dá)最大值，且一段時間幾乎維持不變，而主梁端部受壓生成的負(fù)彎矩與約束懸挑端上翹生成的負(fù)彎矩之和達(dá)到最大，在懸挑端上翹作用不斷減弱時，致使懸挑端的實際測試負(fù)彎矩逐漸降低。

（2）每個連續(xù)試件最大的實際測試負(fù)彎矩接近，在4.16~4.73 kN·m之間。

3.2.3 樓板構(gòu)件的耐火極限

隨著溫度的升高，鋼筋以及混凝土的力學(xué)性能逐漸退化，各試件的承載能力不斷減弱，且最終損壞，達(dá)到耐火極限，樓板構(gòu)件的耐火極限如表3所示。

表3 樓板構(gòu)件的耐火極限

由表3可以看出：

（1）3種判斷方法獲得樓板的耐火極限接近，將跨中撓度變化率作為樓板達(dá)到耐火極限判斷標(biāo)準(zhǔn)更加合適。

（2）非預(yù)應(yīng)力樓板耐火極限較預(yù)應(yīng)力樓板耐火極限平均延長22 min，有粉刷層樓板耐火極限較無粉刷層樓板耐火極限平均延長19 min，連續(xù)樓板耐火極限較簡支樓板耐火極限平均延長33 min?？梢园l(fā)現(xiàn)，連續(xù)或簡支對耐火極限的影響最大，板底是否有粉刷層以及鋼筋類別的影響較小。

（3）常溫下，相同強度的鋼筋非預(yù)應(yīng)力樓板的耐火極限要大于預(yù)應(yīng)力樓板，預(yù)應(yīng)力樓板產(chǎn)生混凝土爆裂情況，從而進一步縮短了耐火極限。

（4）在相同底板鋼筋以及板面荷載的條件下，試件約束懸挑端上翹，導(dǎo)致試件荷載水平降低，而主梁端部受壓生成的負(fù)彎矩使其耐火極限大幅延長。

4 結(jié)語

（1）將跨中撓度變化率作為樓板達(dá)到耐火極限判斷標(biāo)準(zhǔn)更加合適。

（2）連續(xù)樓板耐火極限較簡支樓板耐火極限平均延長33 min。連續(xù)或簡支對耐火極限的影響最大，板底是否有粉刷層以及鋼筋類別的影響較小。

（3）在相同底板鋼筋以及板面荷載的條件下，試件約束懸挑端上翹，導(dǎo)致試件荷載水平降低，而主梁端部受壓生成的負(fù)彎矩使其耐火極限大幅延長。

（4）預(yù)應(yīng)力樓板產(chǎn)生混凝土爆裂情況，縮短耐火極限，常溫下，相同強度的鋼筋非預(yù)應(yīng)力樓板的耐火極限長于預(yù)應(yīng)力樓板。