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闭口式压型钢板组合楼板耐火试验

发布时间:2019/11/18 点击量:
在规范标准升温条件下,对闭口式压型钢板组合楼板进行了耐火试验。通过试验结果及理论研究分析总结了影响压型钢板组合楼板耐火性能的因素及工程施工要点。由于火灾状况下,影响组合楼板耐火性能的参数多且复杂,现阶段没有足够的试验及理论支撑,故建议按照规范要求,必须保证一定的混凝土板厚,并且合理选择压型钢板板型,注重工程施工质量。
 
压型钢板组合楼板是钢结构楼板体系不可缺少的配套技术,它具有承载力高、塑性和抗震性能好、自重轻、经济效益显著和施工简便而迅速等突出优点,自20世纪80年代开始,受到各有关方面的重视,不断得到推广和应用,已被较广泛地应用于工业厂房和高层或超高层等建筑中。
 
对基本性能方面和设计方面的研究,多年来我国有不少单位从事了较深入细致的研究工作,取得了丰硕的成果。深入地研究压型钢板组合楼板的耐火性能及耐火设计方法具有重要的理论价值和实用意义,国内外研究者已对压型钢板组合楼板的耐火性能进行过研究,但主要以试验研究为主。
 
压型钢板组合楼板可分为两类:
 
①压型钢板仅供施工浇筑混凝土做模板用。它除满足施工荷载外,对板型无特殊要求,施工完成后,全部使用荷载均由混凝土承受,此时压型钢板即失去作用,这种楼板称为非组合板。非组合楼板中的压型钢板只需进行施工阶段的强度和变形计算,混凝土达到设计强度后,压型钢板即完成作为模板的任务。
 
②压型钢板除作为施工模板用之外,在使用阶段还兼做混凝土楼板的受力钢筋,即压型钢板与混凝土共同工作,这种楼板称为组合楼板。这种组合楼板中的压型钢板表面必须设置抗剪齿槽或采用其他措施来抵抗叠合面之间的纵向剪力或垂直掀起力,它除对板型有特殊要求以外,对耐久性和防火性也有要求。
 
青岛市连云港路66号国际航运中心采用第2类,即压型钢板组合楼板。型号采用YXB65-185-555(B),钢板厚度有0.75、0.91mm及1.20mm三种,板肋高65mm,组合楼板厚120mm。混凝土强度等级为C30。配筋形式如图1所示。
 
压型钢板组合楼板剖面
图1 压型钢板组合楼板剖面
 
通过各方面资料了解,压型钢板组合楼板耐火性能与板型、组合楼板厚、混凝土强度等级、配筋等诸多要素有关。设计要求该组合楼板耐火极限为1.5h,但并没有确切资料可以证明航运中心组合楼板的相关参数满足耐火性能要求,压型钢板厂家因没有做过此种参数的检验,无法提供检验报告。若组合楼板无法满足1.5h耐火要求,则需在压型钢板底部满涂防火漆,对工程成本的投入、工序的穿插、工期的安排产生一定的影响。为此,进行压型钢板组合楼板耐火检验,地点为天津市国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心(CNCF)。
 
一、试件制作
 
试验构件按照现场实际工况制作。热浸镀锌,屈服强度410MPa。支撑外框尺寸4500mm×5000mm,试验加载区3600mm×3900mm,压型钢板厚度0.75mm,组合楼板厚度120mm。试验加载区下铁配筋HRB400φ8@185mm(压型钢板每条沟槽配置1根),上铁受力方向支座负筋HRB400φ10@150mm,温度应力筋HRB400φ6@150mm,上铁非受力方向通长配置HRB400φ6@150mm。如图2所示。
 
压型钢板组合楼板耐火试件配筋平面
图2 压型钢板组合楼板耐火试件配筋平面
 
边梁及支撑框架配筋如图3所示。
 
压型钢板组合楼板耐火试件剖面
图3 压型钢板组合楼板耐火试件剖面
 
压型钢板3肋为一单元,单元拼接肋顶搭接处采用12号自攻螺丝固定,螺丝最大间距900mm,如图4所示。
 
试验加载区四周预埋钢板(见图5),钢板下部间距600mm焊接HRB400φ12锚筋,插入四周边梁内,模拟现场钢梁,以便焊接栓钉。栓钉直径19mm,高度100mm,间距185mm(每一条沟槽中线处设置一个)。
 
YXB65-185-555(B)断面大样
图4 YXB65-185-555(B)断面大样

预埋钢板大样
图5 预埋钢板大样
 
试验加载区边梁四角共设置4个吊环,采用HPB300φ25,如图6所示。
 
吊环大样
图6 吊环大样
 
试验构件加工精度要求:构件表面的平整度,2m靠尺检查,误差<2mm。构件整体扭曲度不超过2mm。构件制作步骤为:①先浇筑边梁及短跨现浇楼板;②铺设压型钢板(浇筑前下方满布脚手架加木方支撑,充分保证其平整度);③每沟槽打φ19栓钉;④浇筑压型钢板组合楼板的混凝土;⑤试块养护28d,达到100%强度后方可吊运。
 
整个构件重约10.9t,在吊装、运输、摆放过程中应平整,避免开裂,以防影响检测结果。
 
二、检验准备
 
天津市国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心燃烧试验炉的平面尺寸为3.9m×4.4m,炉高2.46m,炉壁用300mm厚的耐火砖砌筑而成,沿长度方向每侧有六个喷火口,用柴油做燃料,两侧的共12个喷火口,在高度上错开布置,高压柴油喷成雾状进行燃烧。
 
沿长度方向每侧有3个200mm×200mm观察孔,通过观察孔可以看到炉内燃烧的情况。炉内沿长度方向每侧有6个炉内温度测量杆,杆伸入炉内约500mm。炉内温度由计算机根据规范规定的升温曲线进行控制,如图7所示。
 
标准时间-温度曲线
图7 标准时间-温度曲线
 
试验荷载8kN/㎡。试验加载区面积14.04m2,共需加载11.232t。试验现场砝码每块为0.5t或1t。故现场实际加载12t,按照3m×4m网格均布。
 
三、过程描述
 
1)0~30min由于边梁架在炉外不直接受热,压型钢板加载受热区与边梁交接处产生明显裂缝,伴有开裂声响,板上表面溢出少量水蒸气。
 
2)30~70min混凝土板下表面产生的水蒸气由于压型钢板的封堵无法溢出,水蒸气所产生的高压将压型钢板顶起,使压型钢板局部形成鼓包,局部压型钢板拼接处撕裂,发出爆裂声响。板上表面溢出略多水蒸气。
 
3)70~90min板跨挠度变形速度加快,板上表面产生许多细小不规则裂缝,局部表面浮浆被原有的气泡顶破,在板上表面形成一个个很小的孔洞,此时仍溢出较多水蒸气。
 
4)90min后燃烧炉上的试件虽有明显挠度,但在8kN/㎡均布荷载作用下仍可满足承载力要求,并且上表面无贯通裂缝,无火苗窜出。试件从燃烧炉上整体吊装至运输车,此过程挠度进一步加大,边梁侧面下部产生一条条规则的明显竖向抗弯裂缝,但试件仍具有良好的整体性。热浸镀锌压型钢板由初始亮银色变为灰黄色。
 
四、检验结果
 
按照GB/T9978.1—2008中的相关规定,对试件的承载能力、耐火完整性和隔热性进行判定。按设计荷载8kN/㎡均布加载,检验依据GB/T9978.5—2008,耐火试验进行到90min时:构件未失去完整性;背火面最高平均温升为65.9℃,最高单点温升为93.9℃,未失去隔热性;试件未垮塌,最大挠度为125mm(计算跨度为3700mm),未失去承载能力。得出结果:承载能力、完整性和隔热性均>1.50h。
 
结语
 
1)混凝土中的水,无论以自由水或结合水的形式存在,都会吸取大量热量形成水蒸气溢出。板厚越大这种吸热隔热效果越明显。
 
2)压型钢板受混凝土板下表面溢出水蒸气压力形成鼓包,与混凝土分离,但仍具有原方向的沟槽形状,仍可提供一定的承载力。
 
3)背火面最高单点温升为93.9℃,说明此环境中组合楼板上部钢筋可充分发挥其强度。在板面产生一定挠度后,单层双向的钢筋网可形成膜拉力,在分担垂直荷载方面起到重要作用。
 
4)由混凝土上表面密集的气孔可看出,高温下混凝土中的气泡具有一定的危险性,混凝土板中过于密集的气泡可导致贯通裂缝的形成,窜出火苗,致使组合楼板防火功能失效。故施工过程中混凝土振捣密实需引起足够重视。
 
5)热浸镀锌钢板的熔点较低,但在1000℃的高温下,仍没有融化,说明压型钢板与混凝土间通过热传导作用实现了较好的防火性能。但水蒸气压力使压型钢板鼓包与混凝土下表面脱离,削弱了热传导,间接地削弱了压型钢板与混凝土共同隔热防火作用。故压型钢板与混凝土的机械咬合至关重要。压型钢板尽可能选择高肋、肋横断面积大的板型。但由于组合楼板中压型钢板承担着板下部受弯钢筋的作用,过高的板肋不利于板的抗弯承载力。针对具体工况,压型钢板肋高需与组合楼板板厚达到相应的比例。
 
6)试验结束后组合楼板仍搭在燃烧炉的工况下,组合楼板挠度125mm,边梁由于整体支撑于炉壁之上,并无明显变化。但然而在之后的倒运吊装过程中,吊点设置在边梁的两端,在构件自重的作用下,边梁侧面下部形成规则且明显的竖向抗弯裂缝,挠度进一步加大。2种工况下挠度明显不同,说明组合楼板的支撑条件极大程度上影响了板的挠度。而挠度的迅速增加很有可能导致贯通裂缝的产生。而现场的实际工况又为不同,组合楼板的支撑通长为型钢梁,钢梁在相同燃烧高温下,挠度一定比300mm厚的耐火砖炉壁大很多。故此种检验并不能完全真实的反应现场火灾工况。
 
7)由于燃烧炉与组合楼板构件形成封闭的空间,炉内的燃气压力对组合楼板起到一定程度的支撑作用。待燃烧炉冷却后,组合楼板还会进一步产生一定的挠度增加。
 
8)根据参考文献及本次试验结果,影响压型钢板组合楼板耐火性能的因素非常多,并且试验室中无法百分百模拟真正的火灾现场、实际边界条件等。现行规范中也没有给出压型钢板板型、楼板厚度、配筋等主要参数组合而成的耐火性能的评价,只要求4种不同形式组合楼板1.5h耐火的最小楼板厚度(最小保护层厚度)。在压型钢板耐火相关方面还需大量试验数据为工程提供确凿的依据。单一的构件耐火性能检测并不能完全代表整个工程实体。但在满足规范GB/T9978-2008要求的前提下,耐火检测试验仍可在现阶段提供有力的理论支撑。
 
(编辑:谢晨阳 中建一局总承包企业)
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