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1、第35卷 第1期建 筑 结 构2005年1月压型钢板2混凝土组合板的受力性能及其计算3聂建国 易卫华 (清华大学土木工程系 北京100084)提要 压型钢板2混凝土组合板的承载能力主要由其纵向抗剪能力控制,同时与其竖向抗剪能力及抗弯承载能力也有一定关系。纵向抗剪能力的影响因素众多,综述有关的研究成果。结合算例,说明组合板的设计计算方法。关键词 钢2混凝土组合板 压型钢板 纵向抗剪 设计 计算方法Bearing Capacity and Calculation Method of Profiled Steel Sheeting2concrete Composite SlabsAuthor :Ni
2、e Jianguo ,Yi Weihua(Civil Engineering Department ,Tsinghua University ,Beijing 100084 ,China)Abstract :Composite slabs , a part of composite steel frame buildings ,are widely used today ,however their behavior isnot yet fully understood. Some studies show that longitudinal shear failure is the most
3、 common failure2type in compos2ite slabs ,although bend moment failure and vertical shear failure and other factors should be considered. Several designmethods are listed and compared ,also an example is given.K eywords :profiled steel sheeting2concrete composite slab;longitudinal shear ;design and
4、calculation method3 国家杰出青年科学基金资助项目(50025822) ;高等学校博士点基 金(2000000344)。压型钢板组合板目前被广泛应用于国内外的建筑楼板及桥面板。为了解组合板的性能和设计方法,American Iron and Steel Institute(AISI)在Iowa大学开展了广泛的研究,美国土木工程师协会(ASCE)关于组合板的标准即基于这些研究。Iowa大学的Schuster发展了基于剪力极限状态的承载力表达式,现已作为ASCE标准的一个完整部分。但ASCE标准也有一些不太合理的地方,对组合板的研究仍在进行。国内关于组合板的研究起步于上世纪70年
5、代中期。工程实践中大部分情形是将压型钢板作为永久性模板使用,将压型板作为结构的安全储备,而没有利用压型钢板代替板中的钢筋。一、 组合板截面形式一般压型钢板厚约017114mm ,板高约75200mm ,大部分按单向板设计,其与混凝土的组合作用发挥了钢板抗拉及混凝土抗压的优点,对截面刚度提高作用也很大。目前压型钢板与混凝土组合板的截面形式大致有开口型和闭口型两种。在开口型截面中,压型板可按其翼缘大小分为两类:翼缘上大下小,俗称正扣,上小下大,俗称反扣。闭口型则可以发展为缩口型。另外,提高承载能力的方法有:补充横向钢筋,改做波纹式钢板,轧制出凹凸槽纹,板上焊接横向钢筋,板上焊接抗剪栓钉等。二、 组
6、合板的破坏模式压型钢板与混凝土之间的组合效应主要依靠它们之间的粘结效应产生的沿板受力方向的纵向抗剪强度来实现。在不同截面及受力状态下,组合板的破坏可 能有三种主要模式。图1 破坏模式示意图(1)弯曲破坏 图1所示的121截面,组合板在达到抗弯承载力极限时,纵向抗剪承载力依然满足,表现 为抗弯承载力不足。这种破坏模式与一般钢筋混凝土 受弯构件的适筋梁类似。(2)纵向剪切破坏 见图1中的222截面的破坏,欧洲规范4(Eurocode 4)中关于组合板的承载力控制即 以此破坏为基础。其破坏特征是:首先在靠近支座附 近的集中荷载处的混凝土出现斜裂缝,混凝土和压型 钢板开始垂直向分离,随即压型钢板和混凝
7、土之间丧 失剪切粘结力,并产生相对滑移。由于滑移的产生,楼 板变形非线性增加,构件立即丧失承载力。一般情况 下,当组合楼板弯曲破坏时,它的端部滑移极其微小。 因此,压型钢板端部是否发生滑移,是区别弯曲或纵向 水平剪切粘结破坏模式的主要标志。(3)垂直剪切破坏 见图1中的323截面的破坏,94这种破坏一般只有在板的跨高比较小,而荷载又很大 的时候才出现。表现为支座处混凝土垂直剪切破坏。 组合板的受力性能大致可分为三个阶段2。第一 阶段:组合板在受力后,混凝土受拉区并没有拉裂,截 面为无裂缝组合断面,弯曲应力与承载能力成一定比 例,并与钢板、 混凝土弹性模量有关,此时其纵向粘结 应力一般可保证混凝
8、土与钢板完全协同工作,可按下 式计算截面剪应力: = VS/ Ib(1)式中V表示剪力, S表示无裂缝组合板面积矩, I表示 无裂缝组合板惯性矩, b表示钢板展开宽度。 第二阶段:混凝土受拉区出现裂缝,开裂断面处弯 曲应力和粘结应力突然增大,这时组合板弯曲应力与 钢筋混凝土开裂后的情况相似。在裂缝区,粘结应力 不能用通常公式计算,剪应力已不完全与剪力有关,而 与钢板相邻断面间的拉力差关系密切,其计算公式为:= ddd dx(2)式中dd为压型钢板厚度,d表示压型钢板沿跨度方 向dx微段间的应力差。 应力差d增加时,使粘结应力增加,直至最终达 到并超过粘结强度极限。此时,组合作用下降,弯曲应 力
9、增大,粘结应力瞬时降至零,压型钢板与混凝土之间 开始出现相对滑移,最大的粘结应力的位置向支承方 向转移。 第三阶段:配置了锚固栓钉或采取了其他方式提 高粘结强度的组合板,一般可进入此阶段。这时将发 生较大的持续变形,应力增大速率下降,荷载2位移曲 线出现屈服阶段,组合板呈现塑性变形,随着最终滑移 量的出现,端部栓钉抗滑移作用耗尽而破坏。 三、 组合板的承载力11 组合板的抗弯性能 组合板的抗弯计算与钢筋混凝土板类似,应控制 组合板中压型钢板含钢率 max或混凝土受压区高 度xxmax,保证压型钢板达到屈服强度fy后,受压混 凝土边缘也达到极限应变。与钢筋混凝土板类似,采 用等效矩形应力图法,见
10、图2 ,根据应力平衡条件,组 合板的极限弯矩一般表示为:Mu= Apfy( dp-x/2)(3)式中:Ap,fy分别表示压型钢板截面面积和屈服强度;fc表示混凝土轴心抗压强度;dp表示组合板有效高度,为压型钢板的形心至组合板顶面的高度;x表示混 凝土的受压区高度, x=fyAp/bfc,b为组合板板宽。 式(3)仅当xhc时成立,当xhc时,说明塑性中和 轴在压型钢板顶面以下,需要进一步考虑压型钢板自 身对抗弯的贡献。据文3 ,在ASCE标准中,计算组合板抗弯承载 力时,应首先通过截面含钢率来判断是否超筋,=Ap/bdp,界限含钢率b表达式为:b=01851fc fycEs( h -dd) (
11、cEs+ fy) dp(4)式中:1与混凝土的强度有关,当fc28MPa时,取 1= 0185 ,若fc 28MPa ,则1= 0185 - 0105(fc-28)/ 70165 ;c表示混凝土的极限压应变,取01003 ;fc 表示混凝土圆柱体抗压强度,采用高300mm ,直径150mm的圆柱体为标准抗压试件。图2 抗弯承载力示意图当 b时,认为是适筋板,当b时,认为是 超筋板。当板为适筋板时,其抗弯能力为:Mu=Mmax 抗弯承载力满足要求。 由式(9)可得:Vv,Rd= 0171143150 185140129= 113186kN Vmax 竖向抗剪承载力满足要求。 由式(8)可得Vu=
12、1 000140129 1125881752 360 1 000900+ 01039 9= 30160kN Vmax 纵向抗剪承载力满足要求。冲切剪力不用验算。若设 置支撑,须验算撤消支撑时所引起的荷载变化。 五、 结论 组合板施工速度快,节省净空,特别是与组合梁一 起使用,经济效益明显,在当前的工程实际中应用很 多,但有关组合板的设计及施工并没有形成完整的标 准,工程中很少考虑压型钢板与混凝土之间的组合作 用,这无疑造成了材料的浪费,增加了投资,而且由于 布筋,也浪费了施工时间。国外已有压型钢板2混凝土 组合板的相关设计准则,可以借鉴采用。随着科学技 术的发展,新型压型钢板不断出现,并且性能
13、越来越 好,应用将越来越广泛。参考文献11Daniels B J , Crisinel M. Composite slab behavior and strengthanalysis , Part: Comparisons with test results and parametricanalysis.Journal of Structural Engineering ,1993 ,119(1) .21 汪心洌.压型钢板与混凝土组合楼板的组合效应.工业建筑,1985 ,(9) .31ASCE Standards. Standard for the structural design of c
14、ompositeslabs. ANSI/ ASCE 3291 ,ANSI Approved December 11 ,1992.41Johnson R P. Composite structure of steel and concrete.2ndEditition Oxford ,Blackwell Scientific Publications ,1994.(上接第43页)简支组合板斜截面抗剪承载力理论计算及试验结果 表1试件 编号配筋情况YB923892 (kN)式(2) (kN)Vcr (kN)VTu (kN)Vcr 式(2)VTu 式(2)1018110212831911519237
15、 287 2104214820181102228319115191991726117117221263018110232831911519171172071711481179411013021210118141182024321142310551101302221011814118302422211321986110130232101181411824035211692148注:根据 钢2混凝土组合楼盖结构设计与施工规程( YB923892)及式(2)计算时,混凝土与压型钢板的强度取实测结果,ft=111N/ mm2,fy= 345N/ mm2。板设计中,如何确定压型钢板与混凝土之间的剪切粘
16、结力是一个关键问题。其数值取决于压型钢板的形 状、 尺寸和表面加工状况、 剪跨、 混凝土抗压强度、 剪力 连接件的形式及尺寸等因素,很难从理论上精确推导, 一般都是通过组合楼板的试验数据来进行回归分析, 最后得出组合楼板纵向水平抗剪承载力的经验公式。 与开口组合楼板比较,闭口组合楼板对混凝土存 在较大的 “握裹力”,在同等条件下后者发生纵向水平 剪切粘结破坏的可能性较小;在有适当加强措施的情 况下,一般不会控制组合楼板的设计;目前国内外对组 合楼板水平剪切粘结强度的计算主要采用欧洲规范4 的建议公式9:V1,Rd=bdp VsmAp bLs+ k(3)式(3)适用于闭口式或开口带压痕式组合楼板,式中的m , k值需做试验进行线性回归,公式参数具体意义见 欧洲规范。 五、 结论 (1)此闭口式压型钢板与混凝土粘结能力好,可以 保证混凝土与压型钢板共同工作,避免发生纵向水平 剪切粘结破坏
