钢筋桁架楼承板耐火与力学性能研究与应用进展

龚诗雨 陈 楠 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

21世纪以来，我国经济、科学技术、基础设备均得到了飞速发展，城市化进程不断加快，越来越多的城市开始向大都市转变，高楼建筑不断增多，这使得人们对于建筑施工的便捷性、周期性以及经济性等方面的要求不断提高。为了更好地达到人们的预期，更加符合现代建筑的新型材料以及更加符合现代施工手段的工艺不断涌现。其中，钢筋桁架楼承板在城市化进程中不断改良升级，经过不断改进，第三代钢筋桁架楼承板逐渐成了当前最主流的建筑方式，其融合了第一代和第二代钢筋桁架楼承板的部分优势，并在原来的基础之上，进一步地改良完善，使得施工周期进一步缩短，施工质量有了不小的提升。并且和前面两代钢筋桁架楼承板相比，第三代钢筋桁架楼承板在耐火和力学性能上也有了很大的增强，但是随着时代的不断进步，以及城市现代化进程的不断加快，越来越多的高级高楼建筑对于钢筋桁架楼承板的耐火和力学性能的要求不断提高，所以十分有必要对其耐火和力学性能的发展和应用进行研究。

1 钢筋桁架楼承板的应用发展

钢筋桁架楼承板在其发展过程中主要涌现出了三代产品。第一代产品主要解决了开口板与钢筋结构之间的配对问题，使得建筑施工更加便捷，但是第一代钢筋桁架楼承板的经济性不高，不适宜大规模投入使用。基于此，设计师开发出了第二代钢筋桁架楼承板，其设计了特殊的压痕结构，增大了与混凝土之间的相互黏力，减少了钢筋的使用量，但是相应的结构使得该种钢筋桁架楼承板的耐火和抗震力学性能较差，可能会带来安全隐患。最终，设计师总结了前两代的各种性能设计出了第三代钢筋桁架楼承板（见图1），其主要由底模、支座竖向钢筋、支座水平钢筋、下弦钢筋、上弦钢筋以及腹杆钢筋组成。

图1 钢筋桁架楼承板

1.1 钢筋桁架楼承板的应用优点

第三代钢筋桁架楼承板不但综合了前两代的大部分优点，而且在其各方面性能上都有了较大的提升，进一步对其结构和施工方式进行了探索改良和完善，这使得钢筋桁架楼承板具有众多应用上的优点：①受力方式和分配更加合理，其抗震、抗弯抗剪能力都有了较大的提升；②施工成本较低，经济效益比较高，降低了维修成本；③耐火性能较好，能够抵御一定的火灾；④安装施工比较便捷，可以多层面展开施工；⑤与预制构建装配自由度高，可搭配性强。这些优点使得钢筋桁架楼承板的应用得到了更广泛的普及，越来越多的高楼地标建筑开始运用该结构和技术。

1.2 钢筋桁架楼承板的应用缺点

虽然第三代钢筋桁架楼承板拥有很多优点，但也存在一定的局限性：①由于冬季较寒冷，钢筋桁架楼承板的施工难度较大，主要原因是钢筋桁架楼承板多运用镀锌底膜钢板，热量耗散得比较快，不利于混凝土后期强度的增长；②钢筋桁架楼承板的结构特点明显，在施工过程中需要严格控制人数和时间，以防破坏支撑体系；③钢筋桁架楼承板想要进入到某一特定楼层时，需要通过吊装方式进行，但是由于其结构特点，操作难度比较大。

2 钢筋桁架楼承板结构力学性能分析

Wang等［1］指出，由于钢筋桁架楼承板取代了现浇楼板施工过程中的预应力钢筋，保证了楼板的施工刚度，因而钢筋桁架楼承板更适合作为建筑楼板的永久钢骨架。陈安英等［2］发现，在钢筋桁架楼承板底部植入压型钢板对组合楼板抗弯承载力和抗弯刚度具有显著提高作用，且楼承板的剪跨比对楼板的破坏形式和抗弯承载力产生重要影响。

杨超群［3］详细对比了钢筋桁架楼承板、钢筋混凝土楼板以及开口型压型钢板混凝土组合楼板的受力特点、施工工艺和经济效益，指出钢筋桁架楼承板在受力、抗震性、稳定性、施工成本等方面具有突出优势。王金波等［4］分析了钢筋桁架楼承板施工过程中混凝土强度和硬化对楼承板刚度、受力性能的影响，并提出了改善楼承板受力性能的有效措施。

近年来，借助有限元软件进行数值模拟，将钢筋桁架楼承板公式计算值与有限元模拟值进行对比分析，也取得了长足的进展。Wang等［5］基于数值模拟和试验提出了一种用于分析再生骨料对钢筋桁架楼承板长期挠度影响的设计方法，发现数值模拟结果与试验数据较吻合，表明该方法适用于钢筋桁架楼承板的常规设计。邓莎莎［6］通过试验和MSC.MARC有限元程序，研究了楼承板施工和使用过程中的受力和变形特点，提出了三种用于力学分析的内力和刚度简化计算方法。李宗志等［7］利用有限元软件研究了钢筋桁架模板中上弦钢筋直径和横向钢筋的加入对楼承板跨中挠度的影响。

3 钢筋桁架楼承板结构耐热性能分析

近年来，社会经济的高速发展使得城市建筑的规模越来越大，高层建筑火灾时有发生。钢筋桁架楼承板作为一种新型建筑楼板形式，广泛应用于各类建筑的承重构件中，因而其耐火、耐热性能关系到建筑物的正常使用及整体安全，是建筑结构设计中的重点考虑因素。

当前，我国高层建筑的设计主要参考《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）、《钢结构设计规范》（GB 50017—2017）、《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249—2017）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045—95）等现有涉及钢筋桁架楼承板的设计防火规范。钢筋桁架楼承板作为一种新型建筑楼板形式，基于高温下材料固有的力学性能，通过仿真计算模拟出钢筋桁架楼承板在不同参数下的耐火性能，为设计和实际施工中板参数的选取以及钢筋桁架楼承板耐火性能的深入研究提供数据参考和工程依据。

通常认为高温下栓钉的剪切滑移直接影响钢筋桁架楼承板钢组合梁的抗火性能，陈玲珠等［8］通过试验分析了高温下钢筋桁架楼承板钢组合梁中栓钉在考虑滑移情况下的受剪承载力，提出了栓钉在高温下受剪承载力和荷载—滑移曲线的方法。研究发现，栓钉的剪断破坏是钢筋桁架楼承板中栓钉在常温和高温下最主要的失效形式，且采用全抗剪设计时的栓钉保证了钢筋桁架楼承板钢组合梁良好的抗火性。

王卫永等［9］利用火灾试验炉对采用完全抗剪设计的栓钉在钢筋桁架楼承板钢组合梁中的整体耐火性能进行了验证，并指出当钢梁下翼缘温度高于600℃时，梁端相对滑移和掀起位移远大于完全抗剪连接设计的组合梁。刘军等［10］系统地对比了开口、闭口型楼承板与钢筋桁架楼承板的建筑效果、结构受力特点、耐火和防腐性能，发现钢筋桁架楼承板在建筑空间效果、受力特点、耐火和防腐性能方面具有显著优势。郝帧［11］通过控制变量法，研究了跨度、保护层厚度、有无钢筋桁架等因素对钢筋桁架楼承板耐火性能的影响，发现楼承板跨度和钢筋桁架是决定楼板耐火性能的关键参数，而保护层厚度对楼承板耐火性能则无明显作用。

4 总结与展望

目前，我国钢筋桁架楼承板结构在力学性能以及耐火性能的研究还有很多需要提高的地方，这需要研究者从各个角度思考和完善。笔者通过阅读国内外关于钢筋桁架楼承板结构的相关研究文献，总结出具有优秀力学性能和耐火性能的钢筋桁架楼承板结构应具备以下特征。

①合格的钢筋桁架楼承板结构，应该根据实际建筑的结构和情况，结合相关力学耐火性能等级，选择更加合适的连接方式和施工方法。

②在钢筋桁架楼承板结构设计时应充分考虑相关的实用场景，保证其具有合格的刚度、一定的强度、足够的承载力、充分的延性以及整体的稳定性，在概念设计时将力学性能的提升考虑进去。

③对于耐火性能优秀的钢筋桁架楼承板结构，其耐火能力和承载能力应该满足强节点重跨度的设计思路，同时还应该在后期的施工中选择合理的耐火类涂层和喷漆进行施工，使其满足耐火等级要求。

④在钢筋桁架楼承板结构满足以上特点后，应充分考虑热力耦合影响，优化热力耦合多场效应下的最佳结构，使其力学与耐火性能达到最佳状态。

随着经济的发展，机械设备性能的提高，房屋建设的现代化、绿色化、安全化，相信未来对钢筋桁架楼承板结构力学与耐火性能的研究一定会真正地做到源于实践、用于实践，不断提升。