鋼筋桁架樓承板耐火與力學性能研究與應用進展

龔詩雨 陳 楠 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

21世紀以來，我國經(jīng)濟、科學技術、基礎設備均得到了飛速發(fā)展，城市化進程不斷加快，越來越多的城市開始向大都市轉變，高樓建筑不斷增多，這使得人們對于建筑施工的便捷性、周期性以及經(jīng)濟性等方面的要求不斷提高。為了更好地達到人們的預期，更加符合現(xiàn)代建筑的新型材料以及更加符合現(xiàn)代施工手段的工藝不斷涌現(xiàn)。其中，鋼筋桁架樓承板在城市化進程中不斷改良升級，經(jīng)過不斷改進，第三代鋼筋桁架樓承板逐漸成了當前最主流的建筑方式，其融合了第一代和第二代鋼筋桁架樓承板的部分優(yōu)勢，并在原來的基礎之上，進一步地改良完善，使得施工周期進一步縮短，施工質(zhì)量有了不小的提升。并且和前面兩代鋼筋桁架樓承板相比，第三代鋼筋桁架樓承板在耐火和力學性能上也有了很大的增強，但是隨著時代的不斷進步，以及城市現(xiàn)代化進程的不斷加快，越來越多的高級高樓建筑對于鋼筋桁架樓承板的耐火和力學性能的要求不斷提高，所以十分有必要對其耐火和力學性能的發(fā)展和應用進行研究。

1 鋼筋桁架樓承板的應用發(fā)展

鋼筋桁架樓承板在其發(fā)展過程中主要涌現(xiàn)出了三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品主要解決了開口板與鋼筋結構之間的配對問題，使得建筑施工更加便捷，但是第一代鋼筋桁架樓承板的經(jīng)濟性不高，不適宜大規(guī)模投入使用?；诖?，設計師開發(fā)出了第二代鋼筋桁架樓承板，其設計了特殊的壓痕結構，增大了與混凝土之間的相互黏力，減少了鋼筋的使用量，但是相應的結構使得該種鋼筋桁架樓承板的耐火和抗震力學性能較差，可能會帶來安全隱患。最終，設計師總結了前兩代的各種性能設計出了第三代鋼筋桁架樓承板（見圖1），其主要由底模、支座豎向鋼筋、支座水平鋼筋、下弦鋼筋、上弦鋼筋以及腹桿鋼筋組成。

圖1 鋼筋桁架樓承板

1.1 鋼筋桁架樓承板的應用優(yōu)點

第三代鋼筋桁架樓承板不但綜合了前兩代的大部分優(yōu)點，而且在其各方面性能上都有了較大的提升，進一步對其結構和施工方式進行了探索改良和完善，這使得鋼筋桁架樓承板具有眾多應用上的優(yōu)點：①受力方式和分配更加合理，其抗震、抗彎抗剪能力都有了較大的提升；②施工成本較低，經(jīng)濟效益比較高，降低了維修成本；③耐火性能較好，能夠抵御一定的火災；④安裝施工比較便捷，可以多層面展開施工；⑤與預制構建裝配自由度高，可搭配性強。這些優(yōu)點使得鋼筋桁架樓承板的應用得到了更廣泛的普及，越來越多的高樓地標建筑開始運用該結構和技術。

1.2 鋼筋桁架樓承板的應用缺點

雖然第三代鋼筋桁架樓承板擁有很多優(yōu)點，但也存在一定的局限性：①由于冬季較寒冷，鋼筋桁架樓承板的施工難度較大，主要原因是鋼筋桁架樓承板多運用鍍鋅底膜鋼板，熱量耗散得比較快，不利于混凝土后期強度的增長；②鋼筋桁架樓承板的結構特點明顯，在施工過程中需要嚴格控制人數(shù)和時間，以防破壞支撐體系；③鋼筋桁架樓承板想要進入到某一特定樓層時，需要通過吊裝方式進行，但是由于其結構特點，操作難度比較大。

2 鋼筋桁架樓承板結構力學性能分析

Wang等［1］指出，由于鋼筋桁架樓承板取代了現(xiàn)澆樓板施工過程中的預應力鋼筋，保證了樓板的施工剛度，因而鋼筋桁架樓承板更適合作為建筑樓板的永久鋼骨架。陳安英等［2］發(fā)現(xiàn)，在鋼筋桁架樓承板底部植入壓型鋼板對組合樓板抗彎承載力和抗彎剛度具有顯著提高作用，且樓承板的剪跨比對樓板的破壞形式和抗彎承載力產(chǎn)生重要影響。

楊超群［3］詳細對比了鋼筋桁架樓承板、鋼筋混凝土樓板以及開口型壓型鋼板混凝土組合樓板的受力特點、施工工藝和經(jīng)濟效益，指出鋼筋桁架樓承板在受力、抗震性、穩(wěn)定性、施工成本等方面具有突出優(yōu)勢。王金波等［4］分析了鋼筋桁架樓承板施工過程中混凝土強度和硬化對樓承板剛度、受力性能的影響，并提出了改善樓承板受力性能的有效措施。

近年來，借助有限元軟件進行數(shù)值模擬，將鋼筋桁架樓承板公式計算值與有限元模擬值進行對比分析，也取得了長足的進展。Wang等［5］基于數(shù)值模擬和試驗提出了一種用于分析再生骨料對鋼筋桁架樓承板長期撓度影響的設計方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結果與試驗數(shù)據(jù)較吻合，表明該方法適用于鋼筋桁架樓承板的常規(guī)設計。鄧莎莎［6］通過試驗和MSC.MARC有限元程序，研究了樓承板施工和使用過程中的受力和變形特點，提出了三種用于力學分析的內(nèi)力和剛度簡化計算方法。李宗志等［7］利用有限元軟件研究了鋼筋桁架模板中上弦鋼筋直徑和橫向鋼筋的加入對樓承板跨中撓度的影響。

3 鋼筋桁架樓承板結構耐熱性能分析

近年來，社會經(jīng)濟的高速發(fā)展使得城市建筑的規(guī)模越來越大，高層建筑火災時有發(fā)生。鋼筋桁架樓承板作為一種新型建筑樓板形式，廣泛應用于各類建筑的承重構件中，因而其耐火、耐熱性能關系到建筑物的正常使用及整體安全，是建筑結構設計中的重點考慮因素。

當前，我國高層建筑的設計主要參考《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）、《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2017）、《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》（GB 51249—2017）、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB 50045—95）等現(xiàn)有涉及鋼筋桁架樓承板的設計防火規(guī)范。鋼筋桁架樓承板作為一種新型建筑樓板形式，基于高溫下材料固有的力學性能，通過仿真計算模擬出鋼筋桁架樓承板在不同參數(shù)下的耐火性能，為設計和實際施工中板參數(shù)的選取以及鋼筋桁架樓承板耐火性能的深入研究提供數(shù)據(jù)參考和工程依據(jù)。

通常認為高溫下栓釘?shù)募羟谢浦苯佑绊戜摻铊旒軜浅邪邃摻M合梁的抗火性能，陳玲珠等［8］通過試驗分析了高溫下鋼筋桁架樓承板鋼組合梁中栓釘在考慮滑移情況下的受剪承載力，提出了栓釘在高溫下受剪承載力和荷載—滑移曲線的方法。研究發(fā)現(xiàn)，栓釘?shù)募魯嗥茐氖卿摻铊旒軜浅邪逯兴ㄡ斣诔睾透邷叵伦钪饕氖问?，且采用全抗剪設計時的栓釘保證了鋼筋桁架樓承板鋼組合梁良好的抗火性。

王衛(wèi)永等［9］利用火災試驗爐對采用完全抗剪設計的栓釘在鋼筋桁架樓承板鋼組合梁中的整體耐火性能進行了驗證，并指出當鋼梁下翼緣溫度高于600℃時，梁端相對滑移和掀起位移遠大于完全抗剪連接設計的組合梁。劉軍等［10］系統(tǒng)地對比了開口、閉口型樓承板與鋼筋桁架樓承板的建筑效果、結構受力特點、耐火和防腐性能，發(fā)現(xiàn)鋼筋桁架樓承板在建筑空間效果、受力特點、耐火和防腐性能方面具有顯著優(yōu)勢。郝幀［11］通過控制變量法，研究了跨度、保護層厚度、有無鋼筋桁架等因素對鋼筋桁架樓承板耐火性能的影響，發(fā)現(xiàn)樓承板跨度和鋼筋桁架是決定樓板耐火性能的關鍵參數(shù)，而保護層厚度對樓承板耐火性能則無明顯作用。

4 總結與展望

目前，我國鋼筋桁架樓承板結構在力學性能以及耐火性能的研究還有很多需要提高的地方，這需要研究者從各個角度思考和完善。筆者通過閱讀國內(nèi)外關于鋼筋桁架樓承板結構的相關研究文獻，總結出具有優(yōu)秀力學性能和耐火性能的鋼筋桁架樓承板結構應具備以下特征。

①合格的鋼筋桁架樓承板結構，應該根據(jù)實際建筑的結構和情況，結合相關力學耐火性能等級，選擇更加合適的連接方式和施工方法。

②在鋼筋桁架樓承板結構設計時應充分考慮相關的實用場景，保證其具有合格的剛度、一定的強度、足夠的承載力、充分的延性以及整體的穩(wěn)定性，在概念設計時將力學性能的提升考慮進去。

③對于耐火性能優(yōu)秀的鋼筋桁架樓承板結構，其耐火能力和承載能力應該滿足強節(jié)點重跨度的設計思路，同時還應該在后期的施工中選擇合理的耐火類涂層和噴漆進行施工，使其滿足耐火等級要求。

④在鋼筋桁架樓承板結構滿足以上特點后，應充分考慮熱力耦合影響，優(yōu)化熱力耦合多場效應下的最佳結構，使其力學與耐火性能達到最佳狀態(tài)。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，機械設備性能的提高，房屋建設的現(xiàn)代化、綠色化、安全化，相信未來對鋼筋桁架樓承板結構力學與耐火性能的研究一定會真正地做到源于實踐、用于實踐，不斷提升。