高層建筑樓板混凝土構件的防火耐熱性能研究

原偉，蔡子為，龐瑞

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

0 引言

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

現代建筑廣泛采用鋼筋混凝土結構，因為混凝土具有使用壽命長、維修費用低、熱穩定性較好、施工多樣性、整體構造好、原材料來源廣泛、可塑性良好及工藝簡單等優點。同時混凝土是熱惰性材料，可以承受200~1300℃的高溫，不過在火災中所產生的高溫仍然會使混凝土的性能出現較大的變化，雖不會喪失所必要的承載功能，但對處于火場內的建筑構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性能，導致火災過后出現構件形變，嚴重時甚至可能出現坍塌情況[3]。針對上述情況，本文對高層建筑樓板混凝土構件的防火耐熱性能進行了測試研究。

1 構建建筑火災模型

1.1 網格模型

對建筑樓板進行二維平面建模，得到具體有非穩態導熱、常物性以及無內熱源模型的網格圖像。如圖1所示[4]：

圖1 模型網格圖像

1.2 能量方程

具體有非穩態導熱[5]、常物性以及無內熱源的能量方程為：

T——溫度，℃；

t——時間，s；

x——材料的厚度，mm。

2 邊界條件

物體導熱的邊界條件可以歸納成下列3種：

（1）規定邊界溫度值Tw：即t>0時，Tw=f1（t）；

（3）規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 實驗仿真測試結果分析

3.1 實驗環境

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

表1 預制混凝土樓板試件的參數

實驗采用臥式燃燒爐，利用ISO 834的升溫曲線實現升溫可視化，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，依據測試條件以及樓板的設計，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。

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保持不變，頂面與側面都是背火面，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，連續試件的左、右懸挑端要設置預緊鋼絲繩，便于約束懸挑端出現上翹，其為受火跨提供一定程度負彎矩。而鋼絲繩上端用于固定試件，下端用于固定粗鋼筋。

3.2 測試結果和分析

3.2.1 測試現象

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，首先會出現少量白色的蒸汽，接著背火面會陸續析水，產生水漬。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明顯大小不同噼啪聲，是因為迎火面的混凝土出現局部爆裂所導致的，在受火85 min時，試件Z-1的跨中撓度達到250 mm，而跨中撓度變化率為11 mm/min，已經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跨中撓度達到200.6 mm，撓度變化率為10.6 mm/min，該試件已經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，而水蒸氣的蒸發以及混凝土的爆裂情況都和第1爐的試件相似。

在停火終止測試后，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，混凝土的板側迎火面呈現灰白色，而背火面呈現灰色，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個構件Z-2、Z-4、ZM-2、ZM-4全部出現不同程度脫落情況；在相同受火條件以及混凝土強度等級下，4個預應力試件Z-1~Z-4都出現不同程度混凝土爆裂的情況，所以，可以認為，預應力是影響樓板爆裂重要的原因，樓板施加預應力會極大程度地提高混凝土的壓應力水平，不過會致使迎火面的混凝土產生爆裂。

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。而板底以及板側都有顯著的橫向裂縫，該裂縫垂直穿過疊合層向著板頂發展，產生多條直接從板底貫穿至試件頂部橫向的裂縫，最寬的裂縫達到15 mm。其中連續試件支座周圍的背火面間隔都出現了若干條橫向受拉的裂縫，因為此區域存在負彎矩的鋼筋，所以背火面的受拉區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，在火災中混凝土和預制底板都在協同受力。所有試件遭到破壞都是因為跨中區域的橫向受拉縫隙所導致的彎曲損壞，損壞時各試件跨中的撓度較大，延性較好。

3.2.2 樓板構件的負彎矩

連續的樓板懸挑端實際測量負彎矩主要包括2種：主梁端部受壓生成的負彎矩和約束試件懸挑端上翹生成的負彎矩。每個試件左、右懸挑段起始負彎矩約為20 kN·m，負彎矩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。連續試件的懸挑端實際測試負彎矩-時間曲線如圖2所示。

圖2 連續樓板試件懸挑端負彎矩-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彎矩-時間曲線都大約經過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，因為預緊鋼絲繩約束的作用，致使懸挑端的負彎矩漸漸增大；第2階段是水平段，隨著受火時間的持續延長，每個試件懸挑端的負彎矩都陸續到達最大值，且一段時間幾乎維持不變，而主梁端部受壓生成的負彎矩與約束懸挑端上翹生成的負彎矩之和達到最大，在懸挑端上翹作用不斷減弱時，致使懸挑端的實際測試負彎矩逐漸降低。

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

3.2.3 樓板構件的耐火極限

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

表3 樓板構件的耐火極限

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到耐火極限判斷標準更加合適。

（2）非預應力樓板耐火極限較預應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，連續樓板耐火極限較簡支樓板耐火極限平均延長33 min?？梢园l現，連續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應力樓板的耐火極限要大于預應力樓板，預應力樓板產生混凝土爆裂情況，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，導致試件荷載水平降低，而主梁端部受壓生成的負彎矩使其耐火極限大幅延長。

4 結語

（1）將跨中撓度變化率作為樓板達到耐火極限判斷標準更加合適。

（2）連續樓板耐火極限較簡支樓板耐火極限平均延長33 min。連續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，導致試件荷載水平降低，而主梁端部受壓生成的負彎矩使其耐火極限大幅延長。

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