第1章 绪论
1.1 引言
钢筋混凝土板是结构中*重要的水平承重构件，在多层建筑、高层建筑以及新型装配式建筑中被普遍应用。然而，值得指出的是火灾下（后）楼板力学行为对结构承载性能有关键影响，特别是在结构完整性方面。因此，国内外学者对火灾下（后）混凝土板抗火性能、高温下（后）混凝土和钢筋材料性能开展了较多研究，其有助于楼板抗火设计及灾后性能评估等。
1.2 火灾下（后）楼板研究现状
对于混凝土双向板，国内外不少学者相继开展了一些火灾试验、数值分析和承载力理论研究，在混凝土板温度、裂缝分布、变形、破坏模式及灾后承载力等方面取得了一定的研究成果。
1.2.1 火灾下（后）楼板试验研究
20世纪六七十年代，Selvaggio等[1]和Issen等[2]开展了面内约束作用下楼板火灾试验研究，结果表明轴向约束可以提高楼板抗火性能。1982年，Anderberg等[3]研究表明混凝土板的抗火性能并不总是随着轴向约束力的增大而提高的。1989 年，Lin等[4]开展了临边约束作用下混凝土双向板火灾行为试验研究，其中钢筋采用环氧树脂保护；研究表明该类型板具有较好的耐火性能。2001年，Cooke[5]开展约束板火灾试验，结果表明轴向面内约束力及其加载位置对板的抗火性能有重要影响。
2003年，高立堂[6]开展了无黏结预应力混凝土连续板边跨受火试验研究，结果表明板顶易出现沿支座方向斜裂缝、板底纵向裂缝和板侧面弯*裂缝等，且负弯矩钢筋长度对破坏模式有重要影响。2004年，陈礼刚[7]对简支单向板和混凝土三跨连续板进行了火灾试验，总结了各工况（边跨受火、中跨受火及相邻两跨受火）下板的变形规律、内力重分布情况及破坏形态，对静定板与超静定板抗火性能进行对比分析。Lim等[8]利用耐火试验炉进行了6块双向板火灾试验研究（ISO 834标准升温*线），结果表明混凝土双向板具有较好的耐火性能，且板角约束对混凝土双向板的变形趋势有重要影响。
韩金生等[9]对3块简支组合楼板与4块连续组合楼板进行了恒载火灾试验。相比于简支板，连续板抗火性能较好；不同受火工况对连续板内力重分布影响较大；塑性铰的出现时间、位置及次序对连续板火灾行为有较大影响。侯晓萌[10]完成了无、有黏结预应力混凝土单向简支板抗火试验，结果表明混凝土保护层厚度、荷载水平和弯矩对无黏结预制混凝土（prefabricated concrete，PC）连续板的耐火性能有显著影响。预应力对混凝土爆裂有较大影响，随预应力增大，爆裂增大。Yuan等[11]开展了无黏结预应力混凝土三跨连续板火灾试验，结果表明不同跨受火、负筋长度对连续板破坏机构和变形有决定性影响，而预应力度影响不明显。构件变形、塑性铰出现顺序与构件所受温度历史有密切关系，而塑性铰*终形式与构件所经历温度历史无关。
2007年，Bailey等[12， 13]进行了常（高）温下共48块缩尺简支板试验研究，结果表明常温下板破坏形式包括钢筋拉断和角部混凝土压碎破坏两种，高温下缩尺简支板主要为钢筋拉断破坏。2010年，李国强等[14]进行了4个足尺压型钢板组合楼板受火性能试验，高温下压型钢板组合楼板产生较大挠度，形成受拉薄膜效应。2015年，范圣刚等[15]对2块压型钢板混凝土组合楼板进行了火灾试验，考察了火灾下组合楼板板顶（底）裂缝情况，揭示了火灾下组合楼板破坏模式。此外，朱崇绩[16]对钢筋混凝土简支双向板、固支双向板、足尺邻边简支邻边固支双向板、仅在柱上有梁的双向板楼盖和平板无梁楼盖开展了大量火灾试验。研究表明，对于混凝土简支双向板，其火灾下板顶裂缝主要出现在短向跨中和距长边支座大约1/4 跨度处；对于四边固支（无面内约束）混凝土双向板，板顶面出现呈盆状塑性铰线，而角部出现椭圆状塑性铰线。邻边简支邻边固支双向板顶部形成半椭圆形裂缝，仅在柱上有梁的双向板楼盖*终呈凹口向上球冠形破坏，平板无梁楼盖板顶面为对角呈双*线形裂缝形式。2015～2017年，Tan等[17]和Nguyen等[18， 19]开展了结构中组合板（缩尺）抗火性能试验，重点研究了（无）防火保护次梁和边界转动约束对火灾下组合楼板变形和破坏模式等的影响规律。研究表明，次梁能够降低组合楼板跨中变形和提高其承载力（受拉薄膜效应），转动约束亦会导致板角压碎和边梁出现较宽裂缝；当楼板跨中位移达到板厚时，开始出现受拉薄膜效应。周航[20]开展了9个钢纤维混凝土板抗火性能试验，结果表明试件厚度越大，试件抗火性能越好；荷载比越大，试件耐火极限越小，变形速率越快。
除了单个简支板构件，国内外学者对实际结构中的楼板抗火性能开展了一定研究。例如，1995～1996年英国建筑研究所（Building Research Establishment，BRE）火灾研究实验室对一个足尺多层组合结构进行了6次大型受火试验[21]，研究表明火灾下组合楼盖受拉薄膜效应有助于提高其抗火性能，且结构中钢梁及楼板的耐火极限明显比作为*立构件试验时要高。2013～2015年，董毓利课题组对一足尺3层钢框架结构中的楼板进行多次大型火灾试验[22-24]。杨志年等[25]对该结构中顶层混凝土板（中区格和角区格）进行了火灾试验，结果表明整体结构中相邻未受火构件的边界约束（竖向、转动及轴向）对受火双向板的火灾行为影响显著。王勇[26]开展了该结构中第二层局部板格（区格2×2）火灾试验，结果表明受火板格板顶裂缝模式主要受其边界条件的影响，非受火板格裂缝特征主要受板格的位置及数量的影响。
此外，国内外学者对混凝土板、预应力板、玻璃纤维增强塑料（glass fiber reinforced plastic，GFRP）筋混凝土板和叠合板等火灾后残余性能进行了研究。2013 年，Chung等[27]采用不同高温后混凝土本构模型，分析了火灾后（聚丙烯纤维）混凝土板荷载-变形*线。李兵等[24]对该结构**层板格（区格2×3）进行火灾试验，研究表明由于约束程度不同，不同位置板格火灾中变形规律不同；由于受火钢梁反拱效应，受火板格部分挠度*线存在平稳段；板格裂缝特征与其受火强度和边界约束密切相关，与周围钢梁是否受火关系不大。2016年，王新堂等[28]对5块叠合板试件和压型钢板-陶粒混凝土组合楼板开展了火灾后受力性能试验研究，研究表明轻骨料混凝土预制板类型及抗剪键分布形式对叠合板火灾后整体刚度及承载力有显著影响。此外，压型钢板-陶粒混凝土组合楼板受火后为弯*破坏，未受火则为剪切滑移破坏。2018年，许清风等[29]开展了带约束预制混凝土叠合板受火后受弯性能试验，重点研究了不同受火时间后试验板极限荷载、初始弯*刚度和延性等，结果表明未受火预制混凝土叠合板和不同受火时间自然冷却后预制混凝土叠合板均发生弯*破坏。随着受火时间的增加，极限荷载和初始弯*刚度均呈抛物线型下降；受火自然冷却后的残余挠度也明显增大。Hajiloo等[30]开展了火灾后GFRP筋单向板残余承载力试验，研究表明GFRP筋单向板易发生GFRP筋与混凝土黏结破坏，残余极限承载力为常温板的68%，并指出有必要研究GFRP灾后板的长期性和延性。Gooranorimi等[31]研究了高温后GFRP的力学性能和GFRP筋类型（GFRP-A和GFRP-C）对灾后单向板残余强度的影响，结果表明相比于GFRP-C板，GFRP-A板灾后承载力较高（约20%）。Gao等[32]开展了受火后混凝土板承载力试验，研究表明加固后受火混凝土板抗弯承载力提高幅度在70%～200%；相比于聚合物砂浆，工程化水泥基复合材料（engineered cementitious composite，ECC）可有效控制裂缝和提高承载力。赵考重等[33]开展了灾后钢筋桁架混凝土叠合板力学性能试验研究，结果表明叠合板受火90min仍具有良好的变形能力和承载力，叠合层厚度越厚，跨中位移越小，火灾后剩余承载力越大；叠合层厚度为50mm的叠合板受火90min的剩余承载力仍能达到未受火叠合板的80%以上。Du等[34]对双层功能梯度混凝土单向板进行耐火性能试验，该板由超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）层和轻骨料混凝土（light-weight aggregate concrete，LWAC）层组成，结果表明相比于UHPC或普通混凝土板，双层功能梯度混凝土单向板具有较好的抗火性能。
1.2.2 火灾下（后）楼板数值研究
近年来，考虑到火灾下（后）混凝土楼板试验费用高和周期长，数值模拟逐渐被应用于力学行为分析，即分析板温度、变形、耐火极限、灾后荷载-变形*线及承载力等。例如，英国谢菲尔德大学开发Vulcan计算程序对一组合结构中楼板火灾行为进行数值研究，分析了结构中受火楼板薄膜应力分布规律，研究表明大变形时混凝土楼板薄膜作用影响不能被忽略；拉伸薄膜效应的产生并不依赖于边界水平约束情况。Huang[35]采用Vulcan研究了爆裂作用对整体结构中楼板的影响，研究表明受压薄膜效应能够有效缓解板爆裂行为。Lim等[36]采用比利时的列日大学SAFIR软件分析普通钢筋混凝土双向板和组合楼板的火灾行为及其薄膜机理，并采用该软件研究了边界约束作用对单向板火灾行为的影响。
陈适才等[37]将梁单元和壳单元嵌入Patran软件平台，通过二次开发对混凝土板火灾行为进行数值分析，研究了配筋率和保护层厚度对单向板变形行为的影响。唐贵和等[38]采用商用有限元ABAQUS软件，对火灾下钢筋混凝土板温度场和变形行为进行分析，研究了跨高比、保护层和荷载等参数对混凝土板耐火性能的影响规律。2011年，Ellobody等[39]采用ABAQUS软件，研究了不同火灾蔓延工况（不同火灾区域和火灾蔓延时间间隔）对结构中后张拉混凝土楼板变形行为的影响规律，研究表明楼板*大变形可能发生在火灾蔓延工况或多房间同时受火工况，结构设计时应考虑火灾蔓延工况。2014年，王勇等[40]提出双轴受压瞬态热应变模型和瞬态模量概念，对钢筋混凝土简支板火灾行为进行了数值模拟，验证了瞬态热应变模型的有效性。2015年，Tan等[17]和Nguyen等[18]采用ABAQUS软件，结合热弹塑性损伤本构和S4R壳单元，对结构中组合楼板温度、变形和梁板主应力分布等进行数值分析，数值表明次梁对组合楼板内钢筋应力分布和幅值及*终破坏模式（钢筋断裂位置）有重要影响，即跨中钢筋断裂（无次梁时）和边梁附近钢筋断裂（有次梁时）。2018年，Jiang等[41]采用ANSYS软件研究了荷载比、边界条件、板厚、配筋类型和长宽比等对火灾下混凝土双向板薄膜效应的影响，并提出火灾下混凝土双向板的五种破坏模式。2020年，Gernay等[42]采用SAFIR软件，对不同火灾工况下（单个房间受火、火灾蔓延和钢柱倒塌后受火）钢框架结构中组合楼板变形、薄膜机理、钢梁轴力和弯矩等进行分析；研究表明在性能化抗火设计时，应充分发挥受拉薄膜效应对提高结构抗火性能的有利作用，特别是在钢柱破坏后结构整体稳定性方面。Zhang等[43]采用四种机器学习方法对混凝土板耐火极限进行分析，研究表明相比于材料强度和对流条件，炉温、开口系数、板厚度和火灾荷载密度等对楼板耐火性能有重要影响。
此外，国内外学者对灾后混凝土双向板剩余力学性能数值开展一定研究，通常根据火灾时构件截面温度分布，结合材料折减系数，确定混凝土、钢筋灾后强度及应力-应变模型等。Shachar 等[44]分析了火灾后混凝土单向简支板残余承载力和延性，重点研究了板底（顶）受火和上、下两面受火工况、配筋率、保护层、板厚和受火时间等影响因素。研究表明，上、下两面受火工况灾后承载力降低幅度*大，其次是板顶受火工况，而板底受火后承载力降低幅度*小。此外，板顶受火工况灾后延性降低幅度*大，而板底受火工况灾后结构延性可能增加。
1.2.3 火灾下（后）楼板承载力理论研究
近年来，随着对双向板抗火性能研究的深入，有必要在结构抗火设计时考虑楼
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