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1、压型钢板混凝土组合板受力性能论文【摘要】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-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，并且性能越来越好，应用将越来越广泛。前言压型钢板-混凝土组合板是在压型钢板上现浇混凝土， 且配置适量的钢筋所构成的板， 是压型钢板与混凝土组合成整体而共同工作的受力构件。压型钢板-混凝土组合板作为一种新型
2、结构形式， 其主要优势在于此类板不仅具有良好的结构性能和合理的施工顺序， 而且与其他板（如混凝土板、叠合板）相比， 具有刚度大、抗震和抗疲劳性能好、安全可靠、施工操作方便、有利于缩短工期， 以及良好综合经济效益等诸多优点. 为了提高材料的使用效率， 广大科研工作者对压型钢板-混凝土组合板进行了大量的理论研究和技术应用， 并取得了较好的社会效益和经济效益。然而在钢结构规范中并没有直接关于压型钢板-混凝土组合板的相关内容，这样以来对压型钢板-混凝土组合板的受力特点和构造要求的研究和讨论就显得很有必要了。1.组合板截面形式一般压型钢板厚约0.7 1.4mm ， 板高约75 200mm ，大部分按单向
3、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。2.组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。（1） 弯曲破坏。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
4、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。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1。第一阶段：组合板在
5、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土与钢板完全协同工作，可按下式计算截面剪应力：3.组合板的抗弯承载力计算组合板正截面抗弯承载力应按塑性设计方法计算， 此时， 假定截面受拉区和受压区的材料均达到强度设计值2。考虑到压型钢板没有保护层以及中和轴附近材料强度发挥不充分等原因， 压型钢板强度设计值和混凝土的轴心抗压强度设计值均应乘以折减系数0.83。压型钢板与混凝土的组合板的抗弯承载力计算与一般的钢筋混凝土受弯构件类似， 分为以下两种情况：（1） 塑性中和轴在压型钢板顶部混凝土截面内，见图
6、1（a） ， 此时， 由力平衡条件得： 组合板的抗弯承载力 按下式计算：其中： 表示组合板正截面的抗弯承载力； 表示混凝土轴心抗压强度； 表示压型钢板的抗拉强度设计值； 表示受拉钢筋抗拉强度的设计值； 表示受拉钢筋的截面积； 表示受压区混凝土矩形应力图应力值与混凝土轴心受压强度的比值； 表示压型钢板的波距； 表示组合板的高度； 表示组合板的受压高度； 表示一个波距内的压型钢板的截面积； 表示受拉钢筋至压型钢板底边的距离； 表示受拉区压型钢板合力至受压混凝土应力合力的距离。（2） 塑性中和轴在压型钢板内见图1（ b），此时， 由力平衡条件得： 采用混凝土结构设计的截面应力假定， 抗弯承载力 可按
7、下式计算：其中： 表示中和轴以上压型钢板波距内的截面积； 表示受拉区压型钢板合力至受压混凝土应力合力的距离； 表示受拉区压型钢板合力至受压钢板应力合力的距离。4.组合板抗弯承载力影响因素的分析根据上述对压型钢板组合楼板的计算方法， 针对组合板的截面高度、混凝土的强度等级、组合板的含钢率、压型钢板的高度四方面， 来分析组合板的抗弯承载力。4.1 组合板的截面高度的影响分别取h为140mm， 150mm， 160mm 和170mm， 计算组合板的抗弯承载力， 组合板的高度与抗弯承载力的关系通过计算可知， 组合板的抗弯承载力随组合板截面高度的增加而提高，且较为显著. 主要原因是组合板高度的变化直接改
8、变了抗弯力臂。截面高度为170mm 的组合板的抗弯承载力比截面高度为140mm 的组合板提高了30%左右。在相同截面高度下，闭口型截面的组合板抗弯承载力比开口型组合板稍高。4.2组合板中混凝土的强度等级的影响混凝土强度等级主要取C20，C25，C30，C35，C40，C45和C50，经计算得出混凝土强度与组合板的抗弯承载力的关系。两种截面形式的组合板的抗弯承载力均随混凝土强度等级提高而提高. 对开口型截面的组合板， C50 组合板比C20 组合板抗弯承载力提高了约14%， 对闭口型截面的组合板， C50 组合板比C20 组合板抗弯承载力提高了9%. 一方面， 当混凝土强度等级高到C50时， 随
9、着混凝土强度等级的提高， 两种截面形式的组合板的抗弯承载力增长速度均变得缓慢。4.3组合板的含钢率的影响组合板含钢率包括两部分，压型钢板和钢筋，这里只考虑压型钢板的含钢率。组合楼板中含钢率只通过改变压型钢板的厚度来调节， 不考虑钢筋变化. 分别取压型钢板的厚度为t1 = 0.8mm，t2 = 1.0mm，t3 = 1.2mm，t4 = 1.4mm，t5 =1.6mm，则相对应的含钢率分别为1.10%，1.40%，1.66%， 1.90%，和2.20%。在保证压型钢板与混凝土良好粘结的情况下， 组合板的抗弯承载力随组合板的含钢率的增加而提高， 且影响显著。含钢率为2.20%的组合板比含钢率为1.
10、1%的组合板的抗弯承载力提高约78%。同样含钢率的条件下，闭口型截面的组合板抗弯承载力较高。建议组合板的含钢率为1.2%- 2.0%。4. 4 压型钢板高度的影响分别取压型钢板距底边高为40mm，50mm，60mm，70mm，80mm和90mm，经计算可得出压型钢板的高度与组合板抗弯承载力的关系可知， 两种截面形式的组合板抗弯承载力随压型钢板的高度变化不明显， 对闭口型组合板， 压型钢板高度大于70 mm 时， 抗弯承载力基本不变. 压型钢板高度为90 mm 的组合板比40 mm的组合板抗弯承载力仅提高了5% ， 而开口型组合板， 当压型钢板高度大于70 mm 时， 随压型钢板的高度增加， 抗
11、弯承载力反而下降. 主要原因是压型钢板高度增加， 使压型钢板的形心升高， 抗弯力臂减小， 所以抗弯承载力反而下降. 建议压型钢板高度取不大于70 mm.对不同高度的组合板， 压型钢板高度的取值是不同的. 分别取组合板的高度为100mm， 150mm，200mm， 250mm， 计算可得组合板的高度与压型钢板的高度的关系。可以看出对于组合板高度为100mm 时，压型钢板高度一般取40mm， 对于组合板高度为150mm时， 压型钢板高度一般取70mm， 对于组合板高度为200mm时， 压型钢板高度一般取90mm，对于组合板高度为250mm时， 压型钢板高度一般取110mm. 压型钢板的高度与组合板
12、的高度之比大约为0.45.5.组合板抗剪承载力分析压型钢板组合板的剪切破坏分两种， 组合板的纵向剪切破坏和竖向剪切破坏。组合板的纵向抗剪能力在20 世纪70 年代已在美国取得相当进展，目前 ASCE 对组合板设计的标准即以Iowa大学的研究成果为基础， Eurocode 4 同样采用了这一研究结果。二者均以对竖向剪力的控制来间接确定钢板与混凝土间纵向抗剪能力，ASCE 对纵向抗剪的设计标准如下：由上式可知， 组合板纵向抗剪切能力虽与混凝土抗压强度有关， 但混凝土抗压强度不是主要因素， 对组合板的纵向抗剪影响不大.但由于钢板与混凝土间的剪切破坏， 组合作用消失， 混凝土的高抗压强度不能充分发挥作
13、用. 因此， 通过提高混凝土强度等级来提高组合板的抗弯承载力是不经济的， 也是不合理的。因此建议采用混凝土强度等级为C20-C40。组合板竖向抗剪承载力当剪跨比较小时，组合板可能发生竖向剪切破坏。压型钢板-混凝土组合板竖向剪切承载力计算方法是以无腹筋一般板类受弯构件为基础的，根据我国混凝土结构设计规范（ GB50010 2010） ，其计算公式为：6.压型钢板-混凝土组合板在设计中应注意的问题（1） 为保证压型钢板与混凝土组合在一起共同工作， 应采取必要的措施. 如在压型钢板上作压痕、开小洞、焊接横向钢筋等， 当压型钢板代替板底受力钢筋时， 应设置端部锚固件；（2） 组合板应进行施工阶段和使用
14、阶段的设计验算， 施工阶段的分析应采用弹性方法， 并且包括湿混凝土重量在内的荷载由压型钢板单独承担， 必要时可在压型钢板底部设置临时支撑4；（3） 对于连续组合板， 负弯矩区由于混凝土开裂会发生一定程度的内力重分布， 为控制板顶裂缝的发展并保证在负弯矩下的受弯承载力， 组合板中支座区域应布置一定数量的钢筋；（4） 作为组合板使用的压型钢板宜采用镀锌钢板，但使用圆柱头拴钉进行熔透焊时， 过厚的镀锌层会影响焊接质量， 因此， 施工时宜采取局部穿孔或除锌措施， 以利于提高熔透焊的质量5 ；（5） 组合板的总厚度不应小于90mm， 压型钢板上翼缘顶面以上的混凝土厚度不应小于50mm。组合板中的混凝土强
15、度等级不宜低于C20大于C40。用于组合板的压型钢板的净厚度不应小于0.75mm， 亦不应大于2mm；（6） 为防止压型钢板与混凝土之间的相对滑移， 在简支组合板的端部支座处和连续组合板的各跨端部， 均应设置圆柱头栓钉抗剪件， 栓钉焊接后高度应高出压型钢板顶面30mm以上。7.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-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，并且性能越来越好，应用将越来越广泛。参考文献1 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）.2 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构M .北京：科学出版社，2001.3 王琼芬，樊江，金丽.连续跨压型钢板与混凝土组合板的承载力计算 J.昆明理工大学学报：理工版，2005，30（ 2）：64-69.4 聂建国，樊键生.钢与混凝土组合结构设计指导实例精选M.北京： 中国建筑工业出版社，2008：33- 56.5袁新旗，张金玲.压型钢板-混凝土组合楼板技术应用的优化J.钢结构，2009（3）：64- 66 .
