钢筋混凝土板受拉薄膜效应研究进展

钢筋混凝土板受拉薄膜效应研究进展

董昊松，何源，翟潇，吴烨枫，马啸

华北理工大学 建筑工程学院 河北 唐山 063210

摘要：钢筋混凝土板在遭遇火灾、爆炸和冲击等极端荷载作用下，通常会处于大挠度状态。由于受拉薄膜效应的存在，使得钢筋混凝土板在发生较大挠度时仍能保持稳定，不发生坍塌。因此，受拉薄膜效应对维持结构的整体性起到了重要作用，进而保证了受灾结构内人员逃生和重要物资的抢救具有较为充足的时间。本文对钢筋混凝土板的受拉薄膜效应研究进行综述，并对其进一步的研究前景进行展望。

关键词：钢筋混凝土；板；受拉薄膜效应

钢筋混凝土板是工程结构的基本构件，在各类建筑中有着广泛的应用，它作为建筑结构中的水平结构体系，在保证建筑结构的承载力和结构的整体刚度方面具有重要作用^[1]。钢筋混凝土板的薄膜效应分为受压薄膜效应和受拉薄膜效应两种。其中，受压薄膜效应通常对应钢筋混凝土板的小挠度状态，而受拉薄膜效应则对应钢筋混凝土板发生较大挠度的情况。在已有的研究中，受压薄膜效应得到了广泛的关注，而受拉薄膜效应并没有得到足够的重视。混凝土板在大挠度下具有较高的承载力，主要归因于板内产生的受拉薄膜效应。因此，开展钢筋混凝土板在火灾下的受拉薄膜效应研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 钢筋混凝土板受拉薄膜效应的试验研究现状

1.1 国外研究现状

1983年，Christiansen和Frederiksen^[2]在某废弃的建筑物中进行了2个足尺混凝土板，同时在实验室中进行了11个小比例板的模型试验。所有的试件均显示实测的极限承载力都高于传统塑性铰线理论的预测值。在总结他人大量试验数据的基础上，分离出各个试件中由于薄膜效应产生的那部分承载力并拟合了简化计算公式，采用了不同于他人在预测混凝土板实际承载力时都是在传统塑性铰线理论值基础上乘以增大系数的方式来实现。

1990年，Vecchio和Tang^[3]通过两块在集中荷载作用下的混凝土板研究了薄膜效应的产生机理和主要影响因素。两个试件中的边界约束情况不同，其中一块板有轴向约束限制侧向膨胀，而另一块可以自由伸缩。研究表明，具有侧向轴向约束的试件产生了较大的轴向薄膜压力，使试件的抗弯刚度和承载力均有显著提高。基于试验和非线性分析程序，建立了考虑二阶矩效应的分析方法，给出了较为准确的荷载-挠度曲线和极限荷载。

2000年，Bailey等人^[4]由Cardington试验发现，钢框架结构中的混凝土板在火灾下的承载力比按照现行规范设计方法计算的承载力大得多，并认为是在大挠度下板内产生了受拉薄膜效应。为验证该想法，进行了与足尺钢框架中相同的单个组合楼板的常温大挠度加载试验。研究发现，在受拉薄膜效应的作用下组合楼板的破坏荷载为屈服线理论值的两倍。

1.2 国内研究现状

国内学者进行的混凝土板静力加载试验，多是在一般小挠度下的弯曲破坏模式的常规加载试验。比如，2003-2004年间，童申家等人^[5]对复杂支承条件下的矩形板进行了试验研究，分析了支承条件对板的力学性能的影响以及与板的极限承载能力相关的主要因素；2006年，沈丽萍等人^[6]对均布荷载作用下的四边简支实心钢筋混凝土双向平板进行了逐级加载试验，给出了双向平板的极限承载力和最大挠度值、裂缝值。2011年，姜磊针对钢筋混凝土双向板的挠度计算，进行了24块在均布荷载作用下的挠度试验研究，并结合有限元模拟和理论分析，基于短期刚度计算公式，提出了双向板的刚度和挠度计算方法。

2 钢筋混凝土板受拉薄膜效应理论研究现状

2004年，Lim等^[7]利用计算机模拟了有轴向约束的简支单向混凝土板和有约束转角的混凝土单向板的火灾反应。利用非线性有限元分析程序SAFIR模拟承受均布荷载的单跨板，研究了边界处约束力位置和不同的轴向约束刚度对简支板抗火性能的影响，并且发现混凝土板的抗火性能对上述两种因素均较为敏感。然而，限制边界转动的混凝土板比同等条件的简支板具有良好的耐火能力，但其抗火性能对不同轴向约束刚度的敏感性不如简支板。

2004年，Gillie等^[8]利用有限元软件FEAST对同时承受弯曲和薄膜力的混凝土板在火灾下的强度进行了充分研究。考虑了混凝土板内温度场线性分布和非线性分布两种情况，分别计算了Cardington试验中典型的混凝土板在单独承担弯矩和薄膜力两种作用力下的火灾性能，同时进行了两者耦合作用下混凝土板的火灾行为分析，并将计算结果进行对比。研究发现，配筋面积以及布置方式对薄膜效应的发生有影响，从而影响到混凝土板的火灾行为。

2008年，陈适才等人^[9]基于退化壳原理，将火灾下不均匀温度场引入建立的分层模型中，并且在每层上考虑热弹塑性的本构关系，建立了火灾下钢筋混凝土板壳结构的有限元计算模型。该模型中考虑了几何非线性的影响。计算表明，该模型能较好的分析火灾下钢筋混凝土楼板的火灾反应。

3 结语

钢筋混凝土板是目前乃至今后相当长时期最常用的结构构件之一，在各类建筑中有着广泛的应用。开展常温下混凝土板的受拉薄膜效应研究，不仅可以掌握常规条件下发生大挠度时的安全性能，而且对承受爆炸、撞击等极端荷载作用时结构整体的稳定性计算和有限元分析具有借鉴意义，继续系统深入研究其大变形下受拉薄膜效应非常必要，具有重要的工程应用意义。

参考文献：

[1] 东南大学, 同济大学, 天津大学. 混凝土结构(中册): 混凝土结构与砌体结构设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2] Christiansen K P, Frederiksen V T. Experimental investigation of rectangular concrete slabs with horizontal restraints[J]. Materials and structures, 1983, 16(93):179-192.

[3] Vecchio F J, Tang K. Membrane action in reinforced concrete slabs[J]. Canada Journal of civil engineering, 1990, 17(2):686-697.

[4] Bailey C G, White D S, Moore D B. The tensile membrane action of unrestrained composite slabs simulated under fire conditions[J]. Engineering structures, 2000, 22(12):1583-1595.

[5] 童申家, 粟海涛, 李力, 张兴虎. 复杂边界支承的钢筋混凝土板的试验研究[J]. 工业建筑, 2003, 33(10):25-28.

[6] 沈丽萍, 马广韬, 马晓娟. 钢筋混凝土双向楼板的试验研究[J]. 沈阳工业大学学报, 2006, 28(4):471-473.

[7] Lim L, Buchanan A, Moss P, Franssen J. Computer Modeling of Restrained Reinforced Concrete Slabs in Fire Conditions[J]. Journal of Structural Engineering, 2004, 130(12):1964-1971.

[8] Gillie M, Usmani A, Rotter M. Bending and membrane action in concrete slabs[J]. Fire and materials, 2004, 28(2-4):139-157.

[9] 陈适才, 任爱珠, 王静峰, 陆新征. 钢筋混凝土楼板火灾反应数值计算模型[J]. 工程力学, 2008, 25(3): 107-112.

作者简介：董昊松（2000-），男，本科生。

基金项目：华北理工大学大学生创新训练计划项目（X2020023）