呂俊利，仲崇強(qiáng)，趙考重，徐少華

（1.山東省建筑結(jié)構(gòu)鑒定加固與改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

四邊簡支現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋火災(zāi)試驗(yàn)研究

呂俊利1，2，仲崇強(qiáng)2，趙考重1，2，徐少華2

（1.山東省建筑結(jié)構(gòu)鑒定加固與改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋適用于大跨度、大空間的建筑物，且承載力大，已在工程中大量推廣使用。但是現(xiàn)階段對于現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋火災(zāi)行為的研究較少，其中對火災(zāi)中樓蓋的溫度場分布和破壞形式的研究顯得尤為重要。文章對四邊簡支足尺現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋在使用荷載和火災(zāi)耦合作用下進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，并對試驗(yàn)板的破壞特征形式、溫度場分布和平面內(nèi)外變形進(jìn)行分析。結(jié)果表明：試驗(yàn)板溫度場存在較大的溫度梯度，肋梁底面混凝土與頂面混凝土最大溫差可達(dá)550℃，空腔處板底混凝土與板頂混凝土最大溫差約為660℃，導(dǎo)致溫度應(yīng)力產(chǎn)生，使板的上部受拉，出現(xiàn)垂直于板邊的裂縫；空腔在火災(zāi)中能夠減少熱量傳遞降低樓板上表面和肋梁側(cè)面溫度；試驗(yàn)板跨中最大豎向位移為72.5 mm，平面內(nèi)最大水平位移為10 mm；在整個試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)板未出現(xiàn)被燒穿的現(xiàn)象，同時變形恢復(fù)比可達(dá)70%，具有很好的抗火性能。

現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋；火災(zāi)試驗(yàn)；破壞形態(tài)；變形；溫度場

0 引言

建筑火災(zāi)發(fā)生時，鋼筋混凝土樓板在有效阻隔火災(zāi)向上蔓延的同時，承受著荷載與溫度的耦合作用，是受火災(zāi)影響最為嚴(yán)重的構(gòu)件之一。目前，對現(xiàn)澆混凝土普通樓板、預(yù)應(yīng)力混凝土樓板、組合樓板的抗火性能已有較多的研究［1-14］。袁愛民等對4塊無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板進(jìn)行了火災(zāi)行為試驗(yàn)研究，結(jié)果表明保護(hù)層厚度越大其耐火極限越長，但預(yù)應(yīng)力度對構(gòu)件的耐火極限影響不大［5］。王勇等對足尺鋼框架結(jié)構(gòu)中樓板火災(zāi)行為的試驗(yàn)研究，指出受火板格板頂裂縫模式主要取決于其邊界條件，非受火格板裂縫特征取決于受火格板的位置及數(shù)量［6］。朱崇績等進(jìn)行2個足尺鋼筋混凝土平板無梁樓蓋試件的抗火試驗(yàn)，指出平板無梁樓蓋的板頂裂縫最終形成對角呈雙曲線形的破壞形式，與傳統(tǒng)的塑性鉸線理論的柱附近局部屈服線模式一致［9］。徐少華等指出現(xiàn)澆混凝土空心樓板具有較好的抗火性能［15］。但目前對現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋的火災(zāi)行為研究較少。

現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋兼有現(xiàn)澆混凝土樓蓋和預(yù)制空心樓蓋的優(yōu)點(diǎn)，在大跨度、重荷載的建筑物中已廣泛使用。因此文章利用水平火災(zāi)試驗(yàn)爐對四邊簡支足尺現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋在使用荷載和火災(zāi)耦合作用下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對火災(zāi)全過程中樓板的破壞特征、溫度場特征、平面內(nèi)外變形進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 試件設(shè)計

試驗(yàn)在山東建筑大學(xué)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)水平試驗(yàn)爐上完成，試驗(yàn)爐平面內(nèi)部尺寸為4960 mm×9470 mm。樓蓋空腔采用塑料模盒形成，模盒可以排列組合，因此可以形成不同尺寸的空腔。根據(jù)爐體尺寸，最后確定試驗(yàn)樓蓋的平面尺寸為6680 mm×4640 mm（如圖1（a）所示）。試驗(yàn)樓蓋由邊梁、肋梁及空腔共同組成，每4塊模盒作為一個空腔單元，單元尺寸為900mm×900mm，厚度為150mm，單元與單元之間由寬度為120 mm的肋梁分格隔開。樓蓋厚度為300 mm，模盒安裝于距樓蓋底面70 mm和頂面80 mm的位置處，設(shè)計混凝土的強(qiáng)度等級為C30，樓蓋采用8＠200雙層雙向配筋，保護(hù)層厚度為20 mm，肋梁和邊梁截面配筋如圖1（b）、（c）所示。

圖1 試件詳圖／mm

1.2 邊界條件設(shè)計

試驗(yàn)板四邊簡支于火災(zāi)試驗(yàn)爐之上，采用板下墊鋼球的方式來模擬邊界條件，在每個鋼球的上下兩端各放置厚度為10 mm的鋼板，以防止試件局部應(yīng)力過大。為了避免在試驗(yàn)過程中由于試件產(chǎn)生的較大變形導(dǎo)致試件向一側(cè)滑動，在試驗(yàn)板兩臨邊（南側(cè)與西側(cè)）的跨中分別放置了一個與鋼球相同高度的滾軸和固定支座。邊界條件模擬完成以后，使用硅酸鋁纖維氈將鋼球間空隙封堵嚴(yán)密。

1.3 位移測點(diǎn)布置

采用差動式位移傳感器對樓蓋在火災(zāi)全過程中的變形進(jìn)行不間斷測量，數(shù)據(jù)通過Agilent34980A惠普數(shù)據(jù)采集儀自動采集并保存。在樓蓋的中心線及1／4線處布置17個位移測點(diǎn)，其中15個為平面外測點(diǎn)，2個為平面內(nèi)測點(diǎn)（4#、7#），位移測點(diǎn)平面布置如圖2（a）所示。

1.4 溫度測點(diǎn)布置

為探究試驗(yàn)板溫度場的變化規(guī)律和分布狀態(tài)，在板內(nèi)共布置了13個溫度測點(diǎn)（如圖2（b）所示）。其中1～7號測點(diǎn)布置于肋梁截面處，8～13號測點(diǎn)布置于空腔位置處。肋梁截面處共布置10個測點(diǎn)，其中A～H為混凝土測溫點(diǎn)，K、L為鋼筋測溫點(diǎn)?？涨晃恢媒孛嫣幑膊贾?個測點(diǎn)，D為空腔中心處空氣測溫點(diǎn)，其余為混凝土測溫點(diǎn)。肋梁及空腔截面測點(diǎn)布置如圖2（c）所示。

圖2 位移及溫度測點(diǎn)布置圖／mm

1.5 加載方案

火災(zāi)試驗(yàn)之前，利用砂袋對樓板施加2 kN／m2均布荷載，并在試驗(yàn)中維持荷載不變以模擬空心樓蓋正常的工作狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)板破壞特征分析

試驗(yàn)升溫階段共持續(xù)212 min，爐溫最高可達(dá)1115℃，板跨中豎向位移最大可達(dá)72.5 mm，主要試驗(yàn)現(xiàn)象如下：升溫12 min時，試驗(yàn)板板角開始出現(xiàn)上撓；升溫22 min時，試驗(yàn)板邊梁出現(xiàn)垂直裂縫，裂縫從板底開始向上發(fā)展，未形成貫通裂縫；升溫23 min時，試驗(yàn)板邊梁底部有水析出；升溫27 min時，試驗(yàn)板邊梁出現(xiàn)多條發(fā)展于板底的垂直裂縫。升溫35 min時，試驗(yàn)板角部呈現(xiàn)懸空狀態(tài)，后來多處支座脫離工作狀態(tài)；升溫54 min時，試驗(yàn)板跨中肋梁頂面熱電偶測點(diǎn)處開始出現(xiàn)水跡；升溫55 min時，試驗(yàn)板跨中處開始出現(xiàn)大量水蒸氣，同時板底處有大量水珠出現(xiàn)；升溫74 min時，板頂東側(cè)跨中1／2處出現(xiàn)自東向西的編號為1的裂縫，且裂縫不斷發(fā)展，寬度不斷增大；升溫77 min時，出現(xiàn)編號為2的裂縫；升溫82 min時，板底局部混凝土脫落，板底鋼筋露出，板面出現(xiàn)較多明顯裂縫；升溫92 min時，3號裂縫開始在板面上出現(xiàn)；升溫94 min時，4號裂縫出現(xiàn)于板面；升溫107 min時，隨著試驗(yàn)板溫度升高，板頂?shù)乃空舭l(fā)逐漸減??；升溫212 min時，停止燃燒，試驗(yàn)板板跨中豎向位移達(dá)到最大值，樓蓋未出現(xiàn)被燒穿現(xiàn)象。圖3（a）、（b）為試驗(yàn)后試驗(yàn)板受損照片，板頂裂縫分布如圖3（c）所示。

圖3 板受損狀況圖／mm

圖3中，板頂面出現(xiàn)了垂直于板邊的裂縫，邊梁上出現(xiàn)了較多的斜裂縫和垂直裂縫。這是由于現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋在火災(zāi)作用下，板內(nèi)溫度場存在明顯的溫度梯度，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，板的上部受拉，出現(xiàn)了垂直于板邊的裂縫。同時，受高溫作用后，板底混凝土損傷退出工作，鋼筋力學(xué)性能下降，空心樓蓋的傳力方式發(fā)生改變，由四邊支承的空心樓板轉(zhuǎn)化為“密肋樓蓋”。由于四周邊梁的相互約束使邊梁內(nèi)產(chǎn)生扭矩，邊梁上產(chǎn)生斜裂縫。

2.2 溫度場分析

2.2.1 肋梁截面混凝土溫度場

沿肋梁截面高度方向布置了8個熱電偶，編號為 A、B、C、D、E、F、G、H的熱電偶距離板底的高度分別為 20、40、60、110、160、240、260、280 mm。由試驗(yàn)結(jié)果知，肋梁的溫度場變化規(guī)律基本一致。肋梁L2測點(diǎn)溫度—時間曲線如圖4（a）所示。

由圖4（a）得知，肋梁底部受火面處與肋梁頂部存在較大的溫度梯度，溫差最高可達(dá)550℃；距試驗(yàn)板受火面20 mm的測點(diǎn)A處混凝土升溫速率最快，最高可達(dá)10℃／min，隨燃燒時間的增長各測點(diǎn)混凝土升溫速率逐漸降低。測點(diǎn)A處的肋梁底部混凝土溫度低于爐溫約260℃。肋梁截面處的各相鄰測點(diǎn)的溫差與測點(diǎn)距離板底受火面的高度成反比，測點(diǎn)距離受火面越遠(yuǎn)，溫差越小。除測點(diǎn)A外，其余測點(diǎn)在混凝土溫度上升到100℃時，由于水蒸氣的產(chǎn)生帶走一部分熱量，曲線都出現(xiàn)一個溫度平臺停火后，各測點(diǎn)溫度在一段時間內(nèi)仍然保持上升趨勢，測點(diǎn)最高溫度在?；鸷螳@得。相較于三面受火梁，由于肋梁兩側(cè)空腔底板未被燒穿，因此肋梁為單面受火，且其側(cè)面只受到空腔中氣體的熱對流作用，導(dǎo)致肋梁的溫度場中存在較大的溫度梯度現(xiàn)象。

2.2.2 空腔截面混凝土溫度場

沿空腔截面高度布置7個測點(diǎn)，編號為A、B、C的3個測點(diǎn)距離板底高度分別為20、40、60 mm，編號為D的測點(diǎn)在空腔之內(nèi)，用來測量樓蓋空腔內(nèi)溫度，編號為E、F、G的3點(diǎn)在空腔上部的混凝土中，距離板底高度分別為245、270、295 mm。由試驗(yàn)結(jié)果知，沿空腔截面高度方向混凝土溫度場變化規(guī)律基本一致?？涨唤孛鏈囟取獣r間曲線如圖4（b）所示。

圖4（b）中空腔上部混凝土溫度大致相同，各測點(diǎn)的溫差遠(yuǎn)小于板底混凝土各測點(diǎn)溫差。距離板底最近的A測點(diǎn)從點(diǎn)火開始溫度上升最快，混凝土溫度最高時可達(dá)800℃。由于混凝土的熱惰性及空腔較好的隔熱性能導(dǎo)致板頂面與板底溫差較大，在燃燒階段，板頂溫度最高約為100℃，板底溫度最高可約達(dá)800℃?？涨粌?nèi)溫度最高約達(dá)176℃。

2.2.3 肋梁內(nèi)鋼筋的溫度

不同位置處肋梁內(nèi)鋼筋的溫度由7組熱電偶測點(diǎn)測得，每組測點(diǎn)包含2個測點(diǎn)，編號為I、K的溫度測點(diǎn)分別布置在距離肋梁底面高度20、280 mm位置處，其中L3-I與L5-I數(shù)據(jù)有誤需舍去。肋梁鋼筋的溫度變化如圖4（c）～（f）所示。

圖4 混凝土與鋼筋溫度曲線圖

試驗(yàn)爐點(diǎn)火后，肋梁底部鋼筋溫度開始緩慢上升，由于底部鋼筋與試驗(yàn)爐內(nèi)的高溫氣體距離較近（20 mm），受爐溫的影響較大。在爐溫低于600℃時，底部鋼筋溫度始終低于100℃，爐溫超過600℃時，底部鋼筋溫度迅速上升，最高溫度可達(dá)620℃。而爐溫低于800℃時，頂部鋼筋溫度基本維持在10℃，與實(shí)驗(yàn)室溫度基本保持一致，爐溫超過800℃時，頂部鋼筋溫度才迅速上升。其主要原因?yàn)樯郎厍€爐溫模擬真實(shí)火災(zāi)的轟燃現(xiàn)象，爐溫由室溫上升至600℃所需時間很短，鋼筋始終被混凝土包裹且混凝土的熱惰性使得溫度向鋼筋的傳遞較慢，因此鋼筋溫度滯后于爐溫一段時間。

2.3 試驗(yàn)板平面內(nèi)外變形分析

2.3.1 平面內(nèi)的變形

4#位移傳感器的所采集到的時間—位移曲線如圖5（a）所示，位移為負(fù)時表示向外膨脹，位移為正是表示向內(nèi)收縮。試驗(yàn)開始后板受熱產(chǎn)生膨脹變形，至?；鹎八轿灰拼笾鲁示€性發(fā)展，由于試驗(yàn)板的南北方向跨度大于東西方向跨度，南北膨脹量略大于東西膨脹量，膨脹量最大可達(dá)到10 mm。停火之后，試驗(yàn)板開始收縮恢復(fù)，2個方向在前期呈線性發(fā)展，7號測點(diǎn)在?；? h后基本停止收縮變形，而4號測點(diǎn)在停止數(shù)據(jù)采集時基本恢復(fù)至試驗(yàn)開始前狀態(tài)。

2.3.2 豎向撓曲變形

1／4板跨處爐溫—位移曲線與板中心點(diǎn)爐溫—位移曲線分別如圖5（b）、（c）所示，位移為正時表示向下的豎向位移。板跨度1／4處的位移從試驗(yàn)開始至?；疬@段時間內(nèi)持續(xù)增長，且與時間基本呈線性關(guān)系，表明試件的剛度沒有因高溫而發(fā)生突變。整個試驗(yàn)過程板跨中處豎向位移的發(fā)展可分為4個階段。第一階段爐溫低于600℃時，試件的撓度變形很??；第二階段爐溫超過600℃時，試驗(yàn)板撓度位移速率顯著增大，爐溫達(dá)到極值時變形達(dá)到最大，最大位移達(dá)72.5 mm；第三階段停止燃燒后，爐溫從1115℃下降至600℃的時間段內(nèi)，出現(xiàn)顯著的位移平臺，試驗(yàn)板撓度基本不變；第四階段當(dāng)溫度降到400℃時，試驗(yàn)板的豎向位移速率突增，且呈線性發(fā)展至試驗(yàn)結(jié)束，到數(shù)據(jù)采集停止時，中心點(diǎn)處殘余變形為20.75 mm，恢復(fù)比達(dá)71.38%，說明受火后試件仍殘余較大的剛度。

圖5 試件變形曲線圖

3 結(jié)論

在使用荷載與溫度耦合作用下，對四邊簡支足尺現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對試驗(yàn)板的破壞特征、溫度場特征、平面內(nèi)外變形進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

（1）現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋在火災(zāi)作用下，板內(nèi)溫度場存在明顯的溫度梯度，肋梁底面混凝土與頂面混凝土最大溫差可達(dá)550℃，空腔處板底混凝土與板頂混凝土最大溫差650℃左右，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致板的上部受拉，出現(xiàn)了垂直于板邊的裂縫。

（2）受高溫作用后，板底混凝土損傷退出工作，鋼筋力學(xué)性能下降，空心樓蓋的傳力方式由四邊支承的空心樓板轉(zhuǎn)化為“密肋樓蓋”，由于四周邊梁的相互約束使邊梁內(nèi)產(chǎn)生扭矩，邊梁上產(chǎn)生斜裂縫。

（3）空腔在火災(zāi)中能夠減少熱量傳遞降低樓板上表面和肋梁側(cè)面溫度，因此，在長時間高溫作用下試件未被燒穿。試驗(yàn)板跨中最大豎向位移72.5 mm，平面內(nèi)最大水平位移10 mm，同時試件的變形恢復(fù)比可達(dá)70%，受火后試件仍剩余較大剛度，說明現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋具有較好的抗火性能。

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Stady on test of fireresistance of simplysupported on four sides of cast-in-place concrete hollow floor

Lv Junli1，2，Zhong Chongqiang2，Zhao Kaozhong1，2，et al.
（1.Shandong Provincial Key Labratory of Appraisal and Retrofitting in Building Structures，Jinan 250101，China；2.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The cast-in-situ concrete hollow floor with large span，heavy load，large space，flat plate beam technology，has been applied to a number ofmajor projects.The present stage for the research on fire behavior of cast-in-situ concrete hollow floor is still less，and it is particularly important in the fire temperature field distribution and the form of destruction.In this paper，four edges simply support full-scale in-situ concrete hollow floor in fire under the coupling action of load and fire is presented，and test slab’s temperature field distribution，in-plane and out of plane deformation and destruction are analyzed.The results show that there is an obvious temperature gradient inside the test floor，the maximum temperature difference of the rib beam and cavity can reach 550℃and 660℃，causing the temperature stress，making the upper partof the plate to be pulled and appearing perpendicular cracks to the edge of the plate.Cavities can block the partial heat transfer in fire and reduce the temperature on the upper surface of the floor and the side of the rib beams.Themaximum vertical displacementof the test plate is72.5 mm，and themaximum horizontal displacement is10 mm.Throughout the test，the floor has notbeen burned through and the deformation recovery ratio is up to 70%，showing better fire resistance ability.

cast-in-situ concrete hollow floor；test of fire；failure mode，deformation；temperaturedistribution

TU375

A

1673-7644（2017）05-0421-05

10.12077／sdjz.2017.05.003

2017-08-18

國家自然科學(xué)基金項目（51308328）；山東建筑大學(xué)博士基金項目（XNBS1302）

呂俊利（1978-），男，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗火等方面的研究.E-mail：ljl1978＠163.com［*

］

（學(xué)科責(zé)編：趙成龍）