陈 楠龚诗雨蒋志桢柏 伟金晓清,

（1.重庆大学航空航天学院，重庆 400044；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400030）

0 引言

当前，钢筋桁架楼承板以其独有优势已被广泛应用于高层建筑等复杂结构中。作为自承式组合楼板，当应用于承重构件时，一旦发生火灾，很容易遭受结构破坏甚至整体倒塌。混凝土虽导热性能较差，但在高温下易发生爆裂；而钢材在500℃时，屈服强度大大衰退。由中国消防公布数据显示，2021年高层建筑火灾呈上升趋势，全年共接报火灾4057起，死亡人数168人，较上年增长22.6%，其中住宅火灾更是高达3438起[1]。因此，钢筋桁架楼承板耐火性能，乃至组合梁的抗火性能，对于维持建筑整体的安全性能、保护人民群众的生命财产安全而言，至关重要。

当前，对于钢筋混凝土结构耐火性能的研究，主要集中在钢管混凝土柱等构件上，对于钢筋桁架楼承板，主要集中于力学性能、施工工艺等方面的优化，而对其耐火性能的研究较少。高温耐火性能涉及的因素众多，如保护层厚度、跨度、桁架间距、钢筋耐火性能等，从宏观结构的整体力学性能，到微观的钢材晶体结构，均需加以考虑。现行钢筋桁架楼承板设计手册，对诸如混凝土、底模等均有较详细的指导。但缺乏耐火性能方面内容。且已有设计方法过于单一，仅对高温效应采取简单的折算替代，相关耐火验算尚未形成针对钢筋桁架楼承板的专门规范。本文从力学计算分析方法、结构部件设计等方面，对钢筋桁架楼承板耐火性能设计研究现状进行全面介绍，并对耐火性能的整体设计提出建议。

1 钢筋桁架楼承板基本构造

现行钢筋桁架楼承板，主要包含不可拆底模和可拆卸底模两种构造。在钢筋桁架中，上弦钢筋与两根下弦钢筋，经由腹杆钢筋焊接相连；而下弦钢筋与底模采用焊接、螺丝等方式连接，如图1所示。施工工艺中，楼承板钢筋桁架通常由预制厂制作完成，现场利用栓钉保证楼承板与钢梁的稳定衔接，并最终整体浇筑混凝土。相比传统单一混凝土构件或纯钢构件，钢筋-混凝土组合构件集成了两者的优势，具备自重轻、强度高、施工进度快、性能优良等特点，兼顾经济效应和服役性能两大优势。

图1 钢筋桁架楼承板结构示意图

2 力学性能研究

钢筋桁架楼承板综合了混凝土、钢筋的力学性能，制作工艺简洁，现场吊装方便，能大大缩短工期。其火灾下的高温力学性能是结构安全的重要指标，楼承板的耐火性能、力学性能更是生命保障的安全线。常规设计中，更多注重多种载荷组合（如弯曲、剪切等）下楼承板的力学性能。而在高温状态下，由于钢筋、混凝土温度膨胀系数不同，加之两者温度传导性能差异较大，在温升初始阶段，两者因膨胀程度不同而产生相对剪切滑移。由此可见，钢筋桁架楼承板热力耦合效应不是简单的叠加作用，需要定量定性分析，研究其具体作用机理，从而为楼承板的耐火设计提供有力指导。

2.1 钢筋桁架楼承板力学性能优势

相比于普通现浇楼承板，钢筋桁架楼承板在力学上有更优的性能。刘轶等[2]通过试验分析发现，有无钢筋桁架结构对楼承板的整体极限承载能力的影响并不大，但是钢筋桁架可以提高其抗裂性和结构刚度，适当调整桁架高度以提高楼承板整体厚度也可以控制其变形；赵磊等[3]通过有限元仿真分析试验研究，发现钢筋桁架楼承板的刚度受桁架结构中的上下弦轴心矩、底板厚度、桁架高度、钢筋直径和混凝土强度等因素影响，其中桁架高度和上弦直径决定了楼承板的抗弯刚度，而腹杆直径则决定了抗剪刚度。

刘龙[4]发现普通现浇楼承板在初始有模板的施工阶段不产生变形，但是混凝土凝固，拆除模板过后，整体结构会因为自重而出现下沉的拉应力，严重的情况下就会出现裂纹，直至开裂，无法使用，钢筋桁架楼承板则能避免这样的问题，呈现出更好的力学性能；窦立军等[5]研究发现楼承板相比于普通现浇板而言，有效提高了现浇的混凝土部分与桁架结构的黏结作用，使其整体性能得到提高，并增强抗剪切能力，使得楼承板在大跨度结构中的应用更为广泛。

钢筋桁架楼承板可以结合一系列高性能的材料来弥补普通楼承板存在的不足，提高楼承板的整体力学性能和稳定性。由于板中桁架结构的存在，实际工程中施工效率会提高，底板会减少工程中底模和支撑的使用，进而节省更多的材料和施工步骤。

2.2 新型钢筋桁架楼承板

钢筋桁架楼承板是一种被广泛应用的承力构件，它是用钢筋作为其上下弦和腹杆，采用电阻电焊的方法连接成为桁架结构，再与底板焊接构成。但由于钢筋桁架楼承板的底板容易出现裂纹，导致构件经常开裂，无法正常使用，因此，为提高底板的开裂弯矩，一定要减缓裂纹发展。杨秀英等[6]提出一种新型双向钢筋桁架楼承板，该种新型楼承板在原有的普通桁架结构中横向安装了附加的钢筋支架，让整体桁架呈现交叉网格结构，在提高底板高载荷下抗裂性能的同时，使底板与混凝土更好地共同工作，对混凝土温度变化及收缩导致的结构性能不稳定的情况有很好的控制作用。

在混凝土硬化的过程中，钢筋桁架楼承板整体强度会随着混凝土发生较大的变化，这个过程极易产生裂纹，尤其是大跨度楼承板。为了解决这一问题，王金波提出为板块设置支撑的方法，这样就能有效抑制硬化过程中的裂纹产生。即使如此，跨度较大的楼承板也不宜用于边板带，否则楼承板会出现变形过大的问题。

周涛[7]提出一种自承式钢筋桁架组合楼层板，该种楼层板从受力模式来看，结构双向刚度一致，腹杆的改善使得楼层板有更好更均衡的受力性能和抗震性能。由于楼层板整体钢筋结构是在工厂完成，相比于普通楼承板的现场绑扎，其钢筋的间距和高度等都能有很好的统一性，质量有很好的保证，这也使得施工现场的安装过程更加方便环保。

孙磊[8]从楼承板理论公式出发，从挠度、裂缝、极限承载能力、破坏形态等角度对钢筋桁架楼承板进行了试验验证，通过分析试验数据，得出各影响参数的改变对其承载能力的影响规律，并与现浇楼板对比，发现钢筋桁架楼承板能将钢筋、钢板、混凝土很好地协同在一起。其屈服载荷和极限载荷、刚度也都要大于现浇板。

国内有课题组[9-10]考虑材料的高温力学性能，对钢筋桁架楼承板抗剪性能开展试验研究，重点关注钢筋桁架楼承板钢组合梁栓钉剪切滑移后的热力学性能，通过试验对比，提出了钢筋桁架楼承板中栓钉高温下抗剪承载力及载荷-滑移线关系的计算方法。结果表明，对栓钉采取完全抗剪设计，栓钉的剪切滑移、掀起位移等对钢筋桁架楼承板高温下的耐火性能影响可控。

3 影响钢筋桁架楼承板耐火性能的因素

3.1 底模对耐火性能的影响

传统钢筋桁架楼承板底模，常采用镀锌压型钢板，经设备压制成型。不可拆卸底模楼承板中，底模与钢筋桁架下弦筋常采用电焊进行连接。而可拆卸式中，除上述镀锌压型钢板，还可采用竹胶板等，经弯钩连接件与钢筋桁架固定，待现浇混凝土体完成后，可利用卸钩专用套管或专用扳手予以拆除。

对于不可拆底模楼承板而言，由于底模无法拆卸，无法满足无吊顶装饰等具体需求。同时，需进行二次装修，造成人工、物料等浪费的现象。而在耐火性能方面，问题更是突出。在火灾发生时，底模单面受火导致温度攀升并随之发生热熔，而由于腹杆与底板相连，高温热量将由底板经腹杆低端向下弦钢筋、上弦钢筋传导，随着与直接受火面距离的增加，钢筋桁架温度随之降低，但腹杆低端仍处于高温热熔的不利状态。

可拆卸底模虽避免了钢板的热熔及热传导，但制作工艺相对复杂，流水线生产操作性不强。而拆模工作又将带来人料机费用的增加，且表面具有拆卸孔，必须二次装修抹面，以避免钢筋外漏锈蚀及火灾影响。在可拆卸底模的创新探索方面，可考虑使用木模板代替钢板。但钢筋桁架与底模连接过于复杂，因材料本身的各向异性、非均质性等特点，在加工成型中存在模板破坏失效的风险。而考虑采用水泥底板作底模的方法，兼具了可拆卸、不可拆卸的双重特点，水泥板经现浇工序后直接转换成楼承板的底板，但桁架结构连接复杂，且现浇混凝土与底模混凝土水灰比匹配程度又将影响结构的整体性。

3.2 跨度对耐火性能的影响

由结构力学基础知识可知：跨度越大，跨中弯矩越大，所产生的跨中挠度自然越大。而在热力耦合的影响下，大跨度钢筋桁架楼承板不利于耐火。因此在满足强度、刚度和稳定性的前提下，采用小跨度有助于耐火性能的提升。但随着城市建设、城际发展的需要，钢筋桁架楼承板、钢-混凝土组合结构正朝着大跨度方向飞速发展，因此，如何解决实际需求与结构本身耐火性能的矛盾关系，是当前亟需解决的关键技术问题。

3.3 其他影响

防火涂层能有效隔绝构件表面与火源，对于楼承板底模、楼承板跨中部位等采取涂抹防火涂层的方式，在一定程度上能提升耐火能力，延长耐火时间。混凝土保护层能有效加大钢筋与受火面的距离，降低钢筋的温升变化，但根据相关研究[11]，增大混凝土保护层厚度对耐火性能提升作用有限。

4 结束语

常用的耐火设计中，一般将温度效应等效为外力载荷进行折算，再与常规作用力进行叠加，虽使得计算大大简化，但与实际工况不符，无法充分体现高温极端环境下钢筋-混凝土的热力耦合效应。而在结构满足常温常规设计前提下，采取耐火能力验算的方法虽更先进，但相关研究主要集中于钢结构。对于钢筋桁架楼承板的耐火能力验算，目前并未形成统一的规范和指导计算，大多采用数值仿真进行个案的粗糙模拟求解。而在结构设计方面，可采用新型架构、特殊材料的楼承板，如发展新型双向钢筋桁架楼承板、采用新型耐火材料等作底模等。因此，基于宏观结构力学性能，在常温常规设计基础上，开展热力耦合效应下钢筋、混凝土力学性能及高温下钢筋-混凝土相互作用的研究，并形成系统而有效的计算分析指导方法，能有效推动钢筋桁架楼承板耐火性能设计的发展，为国民经济、人民生命财产安全提供必要的保障。