8.2 压型钢板组合楼板

8.2.1、8.2.2 压型钢板组合楼板是多、高层建筑钢结构中常用的楼板形式。压型钢板在楼板中可起施工模板作用,同时还可起受力作用。如压型钢板仅起模板作用,此时楼板如同钢筋混凝土楼板,其防火问题一般无需专门考虑。但当压型钢板还同时起受力作用时,由于火灾高温对压型钢板的承载力会有较大影响,则应对这种压型钢板组合楼板进行专门的抗火设计计算。

8.2.3 试验研究发现,压型钢板组合楼板在火灾下,当楼板升温不太高时压型钢板与混凝土楼板的粘结即发生破坏,即压型钢板在火灾下对楼板的承载力实际几乎不起作用。但忽略压型钢板的素混凝土仍有一定的耐火能力。式(8.2.3)给出的耐火时间即为素混凝土板的耐火时间,此时楼板的挠度很小。
    本条的依据参见蒋首超和李国强等的论文:“高温下压型钢板-混凝土粘结强度的试验”(同济大学学报(自然科学版),2003.Vol.31.No.3)、“钢-混凝土组合楼盖抗火性能的试验研究”(建筑结构学报,2004.Vol.25,No.3)、“钢-混凝土组合楼盖抗火性能的数值分析方法”(建筑结构学报,2004.Vol.25,No.3)。

8.2.4 通过对一些钢结构建筑火灾后的调查和足尺试验观察发现,在部分支承楼板的钢梁和压型钢板丧失承载力后,楼板在火灾下虽然会产生很大的变形,但楼板依靠板内钢筋网形成的薄膜作用还可继续承受荷载,楼板未发生坍塌。图5和图6分别为台北东方科技园区火灾和英国Cardington八层足尺钢结构火灾试验中楼板的变形情况。研究表明,楼板在大变形下产生的薄膜效应,使楼板在火灾下的承载力比基于小挠度破坏准则计算的承载力高出许多。因此,可以在钢结构建筑中通过正确考虑薄膜效应的影响,发挥楼板的抗火潜能,降低结构抗火成本。


图5 台北东方科技园区高层钢结构建筑火灾中楼板的大挠度变形


图6 英国Cardington火灾试验中压型钢板楼板的大扰度变形

    钢筋混凝土板内薄膜作用的大小与板的边界条件有很大关系。如图7(a)所示,支承于梁柱格栅上的钢筋混凝土楼板,根据高温下支承梁与混凝土板承载力的比值,在竖向均布荷载作用下可能产生两种破坏模式。如果梁的承载力小于混凝土板的承载力,则在竖向荷载作用下梁内首先形成塑性铰[图7(b)],随着荷载的增加,屈服线将贯穿整个楼板。在这种屈服机制下,混凝土板内不会产生薄膜作用。
    当高温下梁的承载力大于楼板的承载力时,则在竖向均布荷载作用下,楼板首先屈服,而梁内不产生塑性铰。此时楼板的极限承载力将取决于单个板块的性能,其屈服形式如图7(c)所示。若楼板周边上的垂直支承变形一直很小,楼板在变形较大的情况下就会产生薄膜作用。
    因此,楼板产生薄膜效应的一个重要前提条件就是:火灾下楼板周边有垂直支承且支承的变形一直很小。


图7 楼板弯曲破坏的形式

    火灾下楼板在产生薄膜效应之前,按屈服线理论发展,直到混凝土开裂。随着温度进一步升高,在楼板弯矩最大的部位钢筋受拉屈服。当温度继续增高时,混凝土开裂部分增多并逐渐贯通形成屈服线(穿过该线的受拉钢筋已经屈服,故称屈服线)。图8为均匀受荷楼板屈服线的形成过程。此时,根据经典的屈服线理论,在板的屈服线处只考虑弯矩和剪力。
    在温度作用下,板的热膨胀受到约束可产生受压薄膜力。但当板挠度继续增大时,板有向中心移动的趋势,则无论板块边缘是否有水平约束,板块都会产生受拉薄膜力,见图8(d)、(e)。如果板块的边缘上受到完全的水平约束,钢筋就会像受拉的网一样承受所施加的竖向荷载,从而在板内形成薄膜作用。若无水平约束,则板的周边上将形成受压环,从而在板块的中心区域产生受拉薄膜作用。这与自行车车轮的辐条代表受拉薄膜作用和轮框代表受压环相类似。所以,板在图8所示的屈服线平衡模式之后,随着板中间(椭圆部分)挠度的增加,椭圆内的屈服线随着楼板裂缝的不断增加而渐渐消失,到最后由于椭圆范围内大部分混凝土开裂以及高温下混凝土材料性的下降,可以近似认为椭圆范围内的荷载完全由板内钢筋承受,楼板通过受拉钢筋的悬链作用可继续承担很大的荷载,见图8(f)。


图8 均匀受荷楼板薄膜效应形成过程

    由于压型钢板组合楼板一般会在楼板面层配抗裂温度筋,如同时利用抗裂钢筋网作为楼板抗火薄膜效应的受力钢筋网,则可以降低楼板的防火成本。
    为了有效地发挥温度筋的薄膜效应作用,温度筋至楼板顶面的距离不宜小于30mm。
    本条的依据可参见下列文献:
    ①Bailey,C.G.,Lennon, T.and Moore, D.B.,“The behaviour of full-scale steel framed buidings subjected to compartment fires”,the Structural Engineer, Vol.77, No.8,April 1999.p15-21;②Wang, Y.C.,“Tensile membrane action and fire resistance of steel framed buildings”, Proceedings of of the 5th international symposium on fire safety science, Melbourne, Australia, March 1997;③Martin,D.M.and Moore, D.B.,“Introduction and back-ground to the research programe and major fire tests at BRE Cardington”, National Steel Construction Conference, London,13-14May 1997, p37-64;④Bailey,C.G., Moore,D.B(2002),“The Structural Behaviour of Steel Frames with Composite Floor Slabs Subjected to Fire, Part 1:theory”, The Structural Engineer,Vol.78,No.11,p19-27;⑤周昊圣.火灾下钢结构楼板的薄膜作用.同济大学硕士学位论文.2004。