钢板-混凝土组合板

2024-05-12

钢板-混凝土组合板（精选4篇）

钢板-混凝土组合板篇1

0 引言

压型钢板-混凝土组合板是一种比较合理而且新型的楼板结构形式。它能充分利用混凝土材料抗压强度高、钢材抗拉强度高的性能特点, 具有能使混凝土用量减少、结构重量减轻、节省大量模板、施工方便、施工进度快、便于管道铺设、施工速度快等优点, 并具有良好的抗震性能。近年来发展起来的闭口型压型钢板-混凝土组合板的性能优越, 拼接与端部锚固方便, 设置吊顶也很简单, 即使不设吊顶, 其外观效果也很好。而且闭口型压型钢板还可以代替受力钢筋, 还具有良好的抗火性能, 备受业主和设计人员的青睐。

近年来, 随着钢结构及钢-混凝土组合结构在建筑结构中的日益推广应用, 闭口压型钢板-混凝土组合板作为一种新型的楼板形式在国内外高层建筑中已日益得到广泛的应用。目前, 国内外关于压型钢板-混凝土组合板的相关研究主要集中于开口型压型钢板-混凝土组合板, 而关于闭口型压型钢板的研究资料在国内还比较少见到。我国现有的相关规范和规程尚未给出闭口型压型钢板-混凝土组合板的系统设计方法。因此, 开展闭口型压型钢板-混凝土组合板的相关试验和理论研究, 具有很强的工程实践和理论意义。

1 压型钢板及组合板典型类型和破坏模式

1.1 压型钢板-混凝土组合板的典型类型

压型钢板-混凝土组合楼板是指采用冷轧成的各种形式的凹凸肋与各种形式槽纹的钢板作模板或受拉元件, 将混凝土覆盖在上面作为受压元件, 依靠凹凸肋及不同的槽纹使钢板与混凝土组合在一起的一种楼板形式。它充分利用钢板耐拉和混凝土耐压的材料特性而联合成为一整体并共同工作。压型钢板在施工阶段承受湿混凝土重量、施工活荷载, 在使用阶段则与混凝土共同工作, 承受使用荷载。

目前, 国内外常用的压型钢板形式很多, 不同的压型钢板混凝土组合板有着各自不同的受力性能和特点。压型钢板按开口的形式可分为: (1) 闭口形压型钢板; (2) 开口形压型钢板, 在其腹板翼缘上轧制凹凸槽纹; (3) 开口形压型钢板, 在其翼缘上另焊附加钢筋。按翼缘形式又可分为: (1) 闭口形压型钢板; (2) 下翼缘较宽的开口形压型钢板; (3) 上下翼等宽的开口形压型钢板; (4) 上翼缘较宽的开口形压型钢板。目前国内外应用较多的压型钢板-混凝土组合板主要有图1几种典型形式:

图1 (a) 是在压型钢板的腹板或翼缘上轧制凹凸齿槽, 其数量与尺寸对抗纵向水平剪力影响很大。此类板品种较多, 有HI粘结板 (HIBond) , Q洛克板 (QLock) , 柯法板 (Cofa) 等。图1 (b) 是通过压型钢板本身的形状提高组合作用。如将压型钢板的板肋压制成凹入闭合式或具有棱角凸肋。图1 (c) 是将圆柱头栓钉穿透压型钢板焊于钢梁上, 或将压型钢板端部肋压平直接焊于钢梁上, 两者均提高组合作用。图1 (d) 是采用开口槽的压型钢板, 在其腹板上开小孔或在上翼缘上焊横向钢筋来抵抗纵向水平剪力[3]。

1.2 压型钢板-混凝土组合板的破坏模式

工程实践中, 组合楼板一般采用单向简支板或单向连续板, 其承载力与其破坏模式有关。而压型钢板-混凝土组合板通常的破坏模式 (见图2) 通常可分为以下几种:

⑴弯曲破坏。当压型钢板与混凝土之间为完全组合作用时, 在最大弯矩截面1-1产生弯曲破坏。其破坏形态和计算方法与普通适筋钢筋混凝土板相似。

⑵纵向水平剪切粘结破坏。当混凝土与压型钢板的界面抗剪切粘结滑移强度不足时, 两者界面成为组合板薄弱环节, 一般沿截面2-2发生水平剪切粘结破坏。在组合板尚未达到极限弯矩以前, 界面丧失抗剪切粘结能力, 产生过大的滑移, 失去了组合作用, 在靠近支座附近的集中荷载作用处砼出现斜裂纹, 其承载能力很大程度上依靠两者之间的粘结强度来承担。

⑶沿斜截面剪切破坏。在一些短跨厚板承受荷载较大的情况下, 还可能在支座截面附近发生沿垂直截面3-3的垂直剪切破坏。

此外当组合板竖向抗冲切能力薄弱, 在较大集中荷载作用处, 还可能发生板的局部冲切破坏。

2 闭口压型钢板-混凝土组合板的水平剪切粘结性能

2.1 压型钢板-混凝土组合板纵向水平剪切粘结破坏特征

压型钢板混凝土组合板的纵向水平剪切粘结破坏是组合楼板的主要破坏形式之一。在组合楼板的受力过程中也起到关键作用。组合板通过混凝土与压型钢板之间的粘结作用来保证共同工作。其水平剪切粘结作用主要由化学粘结力、摩擦力和机械咬合力来提供。其破坏过程可描述为以下三个阶段: (1) 结构处于基本弹性阶段, 混凝土抗拉强度大于弯曲应力, 混凝土未开裂。该阶段剪切粘结主要由化学粘结力来承担; (2) 混凝土抗拉强度小于弯曲应力, 受拉区混凝土开始开裂, 开裂面处弯曲应力和粘结应力突增, 在裂缝区相邻断面间的拉力差达到并超过化学粘结极限强度时, 化学粘结应力降为零, 压型钢板与混凝土之间开始相对滑移, 这时其组合作用则由摩擦力和机械咬合力共同承担。随着荷载的增大, 压型钢板与混凝土结构的刚度的不同导致变形不一致而在跨中位置产生竖向分离。这时的组合作用则主要由剪跨区的抗剪措施来提供; (3) 随着荷载的增大, 斜裂缝不断地发展, 剪跨区中的裂缝不断地出现, 使剪跨区中的混凝土和压型钢板发生垂直分离, 导致压型钢板和混凝土间丧失剪切粘结力, 并在其一侧产生较大的相对水平滑移。滑移最多可达可达10~20mm。由于滑移的产生, 楼板非线性变形增大, 构件丧失承载力。而在发生弯曲破坏时, 其端部滑移是微小的, 因此压型钢板端部是否产生较大的滑移, 是判断组合楼板为弯曲破坏或水平剪切粘结破坏的主要标志[3]。

2.2 纵向水平剪切粘结强度的分析比较

在组合楼板设计中, 如何确定压型钢板与混凝土之间的剪切粘结力是一个关键问题。影响组合楼板纵向抗剪能力的因素很多, 如压型钢板的类型 (板肋表面齿槽、肋高等) 、混凝土强度、组合楼板含钢量、剪跨比等。剪切粘结强度的数值取决于压型钢板的形状、尺寸和表面加工状况、剪跨L’、混凝土抗压强度fc、剪力键的形式及尺寸等因素, 很难从理论上精确推导。一般都是通过组合板的试验结果来进行回归分析, 最后得出压型钢板组合楼板的抗剪承载力经验公式。目前对组合板水平剪切粘结强度的计算国际上大多数国家均采用美国ASCE规范的标准公式[3]:

式中:b———组合板板宽, h0———板的有效高度, L′——剪跨, ρ———配筋率, ρ=As/bh0。

这是根据美国Iowa大学Porter等人提出的公式加以改进的计算公式。公式中的系数k、m需要根据试验确定, 它们分别为回归线的截距与斜率, 不同形状的压型钢板k、m值是不同的。文献[3][4]分别对闭口型和开口型压型钢板-混凝土组合板做了组合板纵向剪切粘结承载力的试验研究, 并提出了YJ46-600和YX76-344-688两种类型的压型钢板-混凝土组合板的剪切粘结强度计算公式:

为了便于对两种类型的压型钢板组合板的剪切粘结承载力进行比较分析, 本文选用文献[2]中的部分组合板试验构件, 试件的截面特征和主要参数以及两种类型压型钢板的截面特性分别如表1和表2所示。

构件的几何形状见文献[2][3]。根据表1所列的尺寸参数, 在尺寸相同的情况下, 按照公式⑵、⑶分别对两种类型的压型钢板混凝土组合板进行理论计算, 其水平剪切粘结承载力理论计算结果见表3所示:

从理论计算结果可以发现, 两种压型钢板均有较高的剪切粘结承载力, 且延性较好, 可应用到实际工程的承重构件。按此种方法计算后得出的闭口型压型钢板混凝土组合板的剪切粘结承载力要大于开口型组合板。从两种压型钢板组合楼板的截面构造可以看出, 闭口型压型板属于内凹型, 凹进去的钢板一方面可以基本代替栓钉起到控制钢板和混凝土之间的剪切粘结破坏的作用;另一方面凹进去的倒三角形钢板和混凝土牢固的结合, 完全可以代替受力钢筋;钢板和混凝土之间的竖向分离也得到很好的控制。而开口型压型钢板混凝土组合板需要有一定的抗剪和构造措施来控制钢板和混凝土之间的剪切粘结破坏[4~7]。

3 闭口压型钢板-混凝土组合板抗弯承载能力分析比较

当压型钢板-混凝土组楼板能够保证完全剪力连接时, 即不产生剪切粘结破坏和竖向剪力破坏时, 压型钢板可以完全作为受拉钢筋来考虑, 因此, 压型钢板-混凝土组合板的正截面最大受弯承载力可按一般钢筋混凝土板进行计算[2]。即:

式中:As———钢板的截面面积, fy——钢板的屈服强度, h0——组合板的有效高度, 即压型钢板的截面中心到组合板顶面的高度。

为了进一步分析闭口型压型钢板混凝土组合板的受力性能特点, 文章继续对压型钢板-混凝土组合板的抗弯承载能力进行了理论计算分析。两种类型组合板受弯承载力的理论计算结果见表4所示。

从表4中可以得出结论:压型钢板-混凝土组合板有较高的抗弯承载能力, 可用于一般的工业与民用建筑楼板, 既可以做为模板使用, 又可以受力。由比较结果可以看出, 闭口型压型钢板-混凝土组合板的承载能力大于开口型压型钢板-混凝土组合板。

4 结语

综合上述分析, 闭口压型钢板-混凝土组合板与开口型压型钢板相比, 有更高的承载能力和水平剪切粘结性能, 并具有以下特点和性能优势:

(1) 闭口型压型钢板-混凝土组合板截面重心距板底15mm左右, 小于开口型压型板的截面参数, 按塑性理论分析组合楼板结构承载力时, 混凝土压力合力中心与钢板拉力合力中心具有更大的内力臂, 这表示材料强度能得到更充分的发挥。

(2) 闭口型压型钢板-混凝土组合板特殊的闭口肋型和腹板上的冲铆连接使混凝土对楼板的握裹力更强, 组合楼板达到真正的组合作用。

(3) 闭口型压型钢板-混凝土组合板厚度可以得到有效减小, 采用开口楼承板, 喷防火涂料的情况下最小板厚需126mm, 而采用闭口型压型板无须防火涂料最小只需100mm。闭口型压型钢板-混凝土组合板可以完全替代下层钢筋, 组合楼板总厚度一般只有100~150mm, 从而可大大减小楼板的厚度, 增大房屋的空间, 并且节省了钢筋和混凝土材料的用量[8]。

(4) 闭口型压型钢板-混凝土组合板具有较好的防火性能, 试验研究表明, 闭口型压型钢板-混凝土组合板无须喷刷防火涂料即可达到1.5h的耐火时效。

(5) 闭口型压型钢板板型板底平整, 外观整洁, 腹板贴合, 可根据各种房间的不同功能和需要提供多种板底天花处理方式。

(6) 闭口型楼承板独特的悬吊系统还可节约机电管道安装成本。另外由于上述优势可明显加快加工速度, 缩短工期, 提高经济效益。

总体而言, 闭口型压型钢-混凝土组合板在高层建筑中具有较好的推广应用前景, 开展相关的试验和理论研究具有较强的工程意义和必要性。

参考文献

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[2]白力更, 赵辉, 史庆轩.压型钢板—混凝土组合楼板剪切粘结试验研究.中冶集团建筑设计研究院

[3]詹建敏, 吴炎海.压型钢板—混凝土组合楼板剪切粘结承载力试验研究.福建建筑, 2002 (3) :27-30

[4]聂建国, 易卫华, 雷丽英.闭口型压型钢板-混凝土组合板的纵向受剪性能.工业建筑, 2003, 33 (12) :15-18

[5]聂建国, 易卫华, 雷丽英.闭口型压型钢板-混凝土组合板的受弯性能.工业建筑, 2003, 33 (12) 22~23

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[7]shear-bond analysis of Steel-deck-reinforced slabs.journal of structural division, ASCE, VOL, 102, NO.ST12, Dec.1967, 2255~2269

[8]严正庭, 严立.钢与混凝土组合结构计算构造手册.中国建筑工业出版社, 1996

钢板-混凝土组合板篇2

钢板-混凝土组合板是由底部为钢板上部为现浇混凝土板,两板之间通过焊接的栓钉及布置的钢筋网连接。组成的复合结构具有相对于普通混凝土板有很高的抗弯曲性能,且在施工时候无需支模板,施工简便快捷,其在桥梁板运用中抗裂性能很好,能满足重型荷载,运用广阔。Ong等[1]对钢板-混凝土组合板进行了弯曲试验研究,其破坏形式主要表现为斜拉破坏、弯曲破坏、剥离破坏,整体抗弯能力相对于普通混凝土板提高很多,随着连接件限制二者相对滑移能力提高而增加,整体作用越强,材料强度发挥越充分。Wright等[2]发现当破坏形式为弯曲破坏时候其承载力最高,Roberts等[3]基于试验研究并推导了钢板-混凝土组合梁的受弯与受剪承载力计算式。聂建国等[4,5]通过试验研究发现钢板与混凝土之间存在微量的相对滑移,并寻找了影响滑移的因素及其关系,得出了相对滑移主要受栓钉的抗剪刚度、间距、锚固长度、钢板厚度影响。吴丽丽等[6]通过对组合板的加载破坏试验研究发现栓钉间距与混凝土厚度对承载力影响较大,钢板厚度影响次之,推导了考虑交界面相对滑移情况下的理论计算公式,但相对于试验值,其结果偏小。

目前对叠合板梁的分析计算设计已经列入了规范,但规范的计算忽略了实际情况中交界面的相对滑移,而这种滑移对于极限弯矩有减小作用,不可忽视。目前推导考虑相对滑移的承载力计算中不可避免用到了一些假设,和实际比起计算结果往往偏小,本文在传统推导基础上,结合相关试验数据,运用多元非线性回归分析进行理论公式修正,其结果跟接近实际值。

1 考虑滑移的极限弯矩

采用如下假定:(1)钢板与混凝土曲率相等,钢板与混凝土交界面不出现空隙;(2)滑移引起的附加应变与应力呈线性分布。设滑移应变为ε。则钢板附加应变与混凝土应变分别为:

式中,hs为钢板厚度;hc为混凝土板厚度。并假设截面应变计算模型如图1所示。

规定逆时针为正,则:

式中,W为换算截面法得到的钢板的截面抵抗距;σs为钢板底边缘应力。

考虑k值按公式计算与实际情况有一定差距,这里引入e与λ修正常量,其值的大小将通过非线性回归分析确定。故得:

结合简支板-混凝土组合板受弯性能及承载力分析中的试验数据[10]对上式进行多元非线性回归分析。

2 修正过程

其中:

3 结论

根据吴丽丽[11]的简支板-混凝土组合板受弯性能及承载力分析的试验数据采用matlab进行式(8)进行参数修正,通过迭代计算得出e=0.9,λ=1.23,Ψ=1.11。

将修正系数代入(8)式计算获得修正后的极限受弯承载力,将之与文献数据统一列入表1比较分析。

k N

注:表中试件编号为文献中的试件编号。

从表1可以看出,经过修正后的公式比文献中原来未修正的公式其计算值更接近试验值,更准确。

参考文献

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[3]Roberts T M,Edwards D N,Narayanan R.Testing and analysis of steel-concrete-steel sandwich beams[J].Journal of Constructional Steel Research,1996,38(38):257-279.

[4]聂建国,赵洁.钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土简支梁试验研究[J].建筑结构学报,2008,29(5):50-56.

[5]聂建国,陶慕轩.钢-混凝土组合结构在桥梁加固改造中的应用研究[J].防灾减灾学报,2010,30(SI):335-344.

[6]吴丽丽,聂建国.四边简支钢-混凝土组合板的弹性局部剪切屈曲分析[J].工程力学,2010,27(1):52-57.

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[8]聂建国,沈聚敏.滑移效应对钢-混凝土组合梁弯曲强度的影响及其计算[J].土木工程学报,1997,30(1):31-36.

[9]聂建国,沈聚敏,袁彦声,等.钢-混凝土组合梁中剪力链接件实际承载力的研究[J].建筑结构学报,1996,17(2):21-28.

[10]聂建国,沈聚敏,余志武.考虑滑移效应的钢-混凝土组合梁变形计算的折减刚度法[J].土木工程学报,1995,28(6):11-17.

钢板-混凝土组合板篇3

压型钢板-混凝土组合板是在压成各种形式的凹凸肋与槽纹的钢板上浇筑混凝土而制成的组合板[1]。压型钢板-混凝土组合板技术于20世纪80年代引入我国,其充分结合了钢板与混凝土各自的特点,进一步提高了结构的利用率。工期短、刚度大、承载力高、施工操作方便及经济效益显著是压型钢板-混凝土组合楼板的主要特点。

1 压型钢板-混凝土组合楼板的发展

20世纪20年代,压型钢板首次进入工程领域,但仅仅作为混凝土浇筑模板。半个世纪后,西方各国开始大量建造高层建筑,随着施工技术的不断发展,建造者们发现压型钢板不仅可以作为永久性的施工模板,其与混凝土的有效结合,可替代或节省楼板纵向受力钢筋,大幅提高了结构性能和施工效率。

美国爱荷华州立大学M.L.Porter和C.Ekberg[2]首先着手对组合楼板的承载力进行理论计算研究,其后美国钢结构协会(AISC)、欧洲钢结构协会(ECCS)、欧洲建筑与土木工程部、日本建筑学会等都对组合结构的设计计算制定了相应的图表与手册。我国原冶金工业部颁布的YB9238-92《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规规程》对于国产组合板的纵向受剪承载力提供了建议计算公式。随着我国高层、超高层建筑的发展,为了响应工程实际需求,国家住建部于2011年编制了JGJ138-2011《组合结构设计规范》送审稿。

2 压型钢板-混凝土组合楼板分类及结构特点

2.1 压型钢板-混凝土组合楼板分类

压型钢板与混凝土形成的组合板用于承重结构时,必须保证压型钢板与混凝土能可靠地共同工作。常见的压型钢板楼板主要按齿槽开口形式进行分类,可分为开口型槽口压型钢板及闭口型槽口压型钢板。

2.2 压型钢板-混凝土组合楼板连接形式

压型钢板-混凝土组合楼板受荷载时,一般采用改变压型钢板截面形式、在压型钢板上设置压痕以及在压型钢板上翼缘焊接横向钢筋三类连接方式以保证结构具有足够的组合效应。除此之外,于钢板端部设置锚固连接件也与此三类连接形式组合使用。

2.3 压型钢板-混凝土组合楼板的破坏模式

压型钢板-混凝土组合楼板的组合效应,主要依靠钢板和混凝土交界面的粘结力来实现。通常有如下三种破坏形式。

2.3.1 弯曲破坏

发生弯曲破坏时,受弯承载力极限状态出现在组合板弯矩最大的垂直截面,压型钢板屈服,顶部混凝土被压碎,组合板因受弯承载力不足而破坏。发生弯曲破坏的前提是组合板的组合效应仍然存在,纵向受剪承载力依然满足要求。弯曲破坏的组合楼板与传统钢筋混凝土楼板的力学特性相似,承载力计算可按传统钢筋混凝土楼板计算规范计算。

2.3.2 纵向剪切破坏

当混凝土与压型钢板的界面抗剪能力不足时,组合板尚未达到塑性极限弯矩,结构端部发生的滑移已经过大,组合板变形迅速增加,构件很快丧失承载力,发生剪切破坏,组合板的承载力主要由纵向剪切破坏控制。

2.3.3 垂直剪切破坏

发生垂直剪切破坏时,这种破坏模式一般在组合板的跨高比较小、荷载受力集中时出现,破坏一般会发生在支座附近的剪力最大截面处。

3 国内外组合楼板纵向剪切承载力计算理论对比

压型钢板-混凝土组合楼板的承载力主要受纵向剪切破坏控制,压型钢板与混凝土叠合面的粘结力要足够保证两者之间不出现过大的相对滑移。因此,组合楼板承载力设计时,主要对纵向受剪承载力进行验算。本节对目前国际上组合楼板承载力计算的主要规范进行了梳理与总结。

3.1 美国规范(m-k法)

1972年,M.L.Porter和C.Ekberg针对组合板剪切承载力进行了大量的试验,提出了沿用至今的m-k法则[3],即拟合回归线斜率-截距法,该方法综合考虑了各种因素对组合板纵向剪切承载力的影响,通过大量数据,拟合出一条线性回归直线,提出了计算公式:

式中φ—强度折减系数,考虑材料、工作条件等变异性,并考虑粘结破坏相对弯曲脆性等影响,建议取值为0.8;

dp—组合板有效高度,为截面受压区边缘到压型钢板形心的距离;

b—组合板计算宽度(常取一块压型钢板宽度);

Ls—组合板剪跨,为集中荷载到支座的距离,均布荷载去L/4;

ρ—含钢率;

m—回归线斜率;

k—回归线截距;

f'c—混凝土抗压强度设计值;

s—附加剪力连接件间距,采用在齿槽或钢板表面涂料来提高组合作用时,s取1;采用孔洞或附加钢筋剪力件时,s取其实际间距;

L—简支组合板的跨度;

w1—混凝土板自重;

r—临时支撑影响系数。全支撑时,r取1;当无支撑时,r取0;当仅跨中有支撑时,r取0.625。

随着科学技术的发展,压型钢板的品种趋于一个多样化的态势,各种类型的压型钢板需要通过试验分析得出不同的参考系数。实际运用中,考虑恒载作用下,钢板与混凝土间的摩擦力将提高抗剪作用,组合板的纵向剪切承载力计算也广泛采用下式:

式中,Ap为计算宽度b范围内压型钢板的截面面积。

3.2 欧洲规范(PSC法)

EC4建议无端部锚固组合板的纵向受剪承载力,可采用部分剪切粘结法(PSC法)[4]计算。该方法是基于部分粘结作用理论来计算组合板纵向受剪粘结能力的,认为组合板的极限弯矩承载力由两部分构成:钢板和混凝土中反向正应力形成的抵抗矩及钢板自身的折减塑性抵抗矩。PSC法仅适用于发生延性破坏的组合板,并假定压型钢板与混凝土间的极限剪应力为常数且均匀分布。按下式进行计算:

式中h—组合板厚度;

Xpl—混凝土受压区高度;

fyp—压型钢板的屈服强度;

Mpr—组合板中钢板承受的弯矩;

Mp—压型钢板有效截面的塑性抵抗矩。

3.3 我国规范(YB9238-92公式)

YB9238-92《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》[5]规定对于国产压型钢板-混凝土组合板的纵向剪切承载力计算,建议采用下式:

式中Vf—组合板纵向剪力设计值;

Vu—组合板纵向受剪承载力;

Ls—组合板剪跨,一般取Ls=M/V,M为剪跨范围的最大弯矩,V为剪跨范围的最大剪力,均布荷载下取板跨度的1/4;

Wr—组合板的平均肋宽;

t—压型钢板的厚度;

α0、α1、α2、α3—试验确定的剪切粘结系数。

4 结语

美国规范(m-k法)基于大量试验分析数据进行拟合回归,涵盖影响剪切承载力的主要因素,但该方法基于半经验公式推导,公式的物理意义并不明确,无法对组合板纵向剪切破坏机理做出有效的解释。相比之下,欧洲规范(PSC法)其计算公式类似于组合梁部分抗剪连接受弯承载力的计算,能够有效解释组合板纵向剪切机理与特征,计算模型与概念清晰明确,但其同样具有一定的局限性,例如常值剪应力分布的假定与实际的剪应力分布不吻合等问题。大量试验数据表明:美国规范与欧洲规范的计算结果较为相近,且都能满足实际工程安全的需要。我国规范中,原有的试验结果中得到的剪切系数已不能满足目前新型压型钢板的要求,我国学者在近年中试图结合美国规范(mk法)建立适应于我国实际工程情况的计算方法,目前已取得了较大进展。

摘要：大量试验表明,压型钢板-混凝土组合楼板主要破坏模式是纵向剪切破坏,其纵向剪切承载力在组合楼板承载力计算过程中起着决定性作用。本文在研究文献的基础上,梳理了压型钢板-混凝土组合楼板的发展概况与结构特点,并着重总结、归纳了国内外研究进展及主要国家规范中的计算方法。

关键词：组合楼板,承载力,设计方法

参考文献

[1]陈世鸣.钢-混凝土组合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

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钢板-混凝土组合板篇4

近年来, 为解决钢筋混凝土中钢筋锈蚀问题, 提高结构耐久性, 各国研究人员都在采取各种方法减少和避免工程结构因钢材锈蚀所带来的严重影响, 而具有耐腐蚀、比强度高、比模量大、抗疲劳等优点的纤维增强聚合物 (Fiber Reinforced Polymer, 简称FRP) 正逐渐地受到众多土木工程师的接受和青睐, 并成为当今国内外研究与应用领域的一个热点[1]。为了充分发挥混凝土组合梁的优势和解决全FRP结构存在的问题, 国外对FRP与混凝土组合梁研究较多, 如Deskovic (1993年) [2], Hall和Mottram (1998年) [3], Seible和Karbhari (1998年) [4], Van (1999年) [5]和Hulatt (2003年) [6]等, 但是, 国内关于FRP的研究起步较晚, 且多集中在CFRP (碳纤维布) 加固混凝土结构方面, 而关于FRP箱形梁与混凝土板组合结构这方面的研究还比较少。

FRP箱形梁与混凝土板组合梁是将FRP箱形梁与混凝土板通过受力形式的组合, 充分发挥各自力学特性共同工作来承担荷载的结构形式[7]。其构造是在玻璃纤维 (GFRP) 箱形梁的受拉侧粘贴碳纤维板材 (CFRP) , 受压翼板由混凝土板来替代, 为保证FRP箱形梁与混凝土板之间的可靠粘结, 可用环氧树脂胶或某种剪力连接键连接。为此, 研究其抗弯性能是十分必要的。本文采用叠加法, 对FRP箱形梁与混凝土板组合梁抗弯承载力进行了推导, 得出了实用的计算公式。

1 基本假定[8,9]

1) FRP箱形梁与混凝土板组合梁截面符合平截面假定;2) FRP箱形梁与混凝土板间完全交互作用, 忽略FRP箱形梁与混凝土板交界面的相对滑移;3) 假设包纳在受压混凝土层中的GFRP薄层厚度很小, 不影响截面特性;4) 混凝土的应力—应变关系适合GB 50010-2002混凝土结构设计规范, FRP板材应力—应变关系为线性。

2 极限承载力的计算

2.1 破坏模式一

CFRP与受拉区GFRP箱梁均达到极限抗拉强度, 同时混凝土板与受压区FRP箱形梁腹板匀达到极限抗压强度, 即“适筋”梁的界限破坏。

2.1.1 塑性中和轴在FRP箱形梁内

塑性中和轴在FRP箱形梁内的示意图见图1。

混凝土板和FRP箱形梁各部分受力分别为:

混凝土板合力:

Cc=α1β1behcfc (1)

中和轴上方箱形梁受压腹板合力:

Twt=2twafgf′ (2)

中和轴下方箱形梁受拉腹板合力:

Twb=2tw (h-x-t1-tb) fgf (3)

FRP箱形梁底部下方翼板合力:

Tsb=tbbfgf (4)

箱形梁底部下边缘CFRP合力:

Tcf=Acffcf (5)

其中, α1, β1为简化应力图形系数, 按照GB 50010-2002混凝土结构设计规范规定取值;fgf, fgf′分别为GFRP的抗拉强度设计值和抗压强度设计值, 且其值约为 $f_{g f} ´ \approx \frac{1}{2} f_{g f}$ ;Acf为下翼缘粘贴的CFRP面积。

根据内力平衡条件可知:Cc+Twt=Twb+Tsb+Tcf且x=a+hc, 于是得到组合截面塑性中和轴至混凝土板顶面距离x。

$\begin{array}{l} x = \frac{2 t_{w} h_{s} f_{g f} + t_{b} b f_{g f} + A_{c f} f_{c f} + 3 t_{w} f_{g h} h_{c}}{3 t_{w} f_{g h}} - \\ \frac{2 t_{w} (t_{1} + t_{b}) f_{g h} + α_{1} β_{1} b_{e} h_{c} f_{c}}{3 t_{w} f_{g h}} ＞ h_{c} (6) \end{array}$

对塑性中和轴取矩, 得组合梁极限抗弯承载力:

$\begin{array}{l} Μ_{u} = C_{c} (x - \frac{h_{c}}{2}) + Τ_{w t} \frac{a}{2} + Τ_{c f} (h - x - \frac{t_{1}}{2}) + \\ Τ_{s b} (h - x - t_{1} - \frac{t_{b}}{2}) + \frac{Τ_{w b}}{2} (h - x - t_{1} - t_{b}) (7) \end{array}$

2.1.2 塑性中和轴在混凝土板内

塑性中和轴在混凝土板内的示意图见图2。

混凝土板和FRP箱形梁各部分受力分别为:

混凝土板合力:

Cc=α1β1bexfc (8)

中和轴以下FRP箱形梁受拉腹板合力:

Twb=2tw (hs-tb-t1) fgh (9)

FRP箱形梁底部下方翼板合力:

Tsb=Asbfgf=tbbfgf (10)

箱形梁底部下边缘CFRP合力:

Tcf=Acffcf (11)

根据内力平衡条件Cc=Twb+Tcf+Tst, 得到组合截面塑性中和轴至混凝土板顶面距离x:

$x = \frac{2 t_{w} (h_{s} - t_{b} - t_{2} - t_{1}) f_{g f}}{α_{1} β_{1} b_{e} f_{c}} + \frac{t_{b} b f_{g f} + A_{c f} f_{c f}}{α_{1} β_{1} b_{e} f_{c}} \leq h_{c}$ (12)

对塑性中和轴取矩, 得组合梁极限抗弯承载力:

$\begin{array}{l} Μ_{u} = C_{c} \frac{x}{2} + Τ_{w b} (h_{c} - x + \frac{h_{s} - t_{b} - t_{1}}{2}) + \\ Τ_{s b} (h - x - \frac{t_{b}}{2} - t_{1}) + Τ_{c f} (h - x - \frac{t_{1}}{2}) (13) \end{array}$

2.2 破坏模式二

因CFRP抗拉强度比GFRP大得多, 而破坏时的应变又比GFRP小, 可设想FRP箱形梁在腹板CFRP破坏后, 箱形梁应力重新分布, 截面继续承受增量弯矩, 直到混凝土板达到极限抗压强度, 同时受拉区的GFRP也将达到极限拉应变εgf, 此时FRP箱形梁屈服, 破坏弯矩 (也叫极限弯矩) 为Mu。

2.2.1 塑性中和轴在FRP箱形梁内

此种情况与破坏模式一中塑性中和轴在FRP箱形梁内分析相同, 各合力也相同, 唯一不同之处是此时CFRP断裂, 无Tcf力, 所以对塑性中和轴取矩, 得组合梁极限抗弯承载力为:

$\begin{array}{l} Μ_{u} = C_{c} (x - \frac{h_{c}}{2}) + Τ_{s b} (h - x - t_{1} - \frac{t_{b}}{2}) + Τ_{w t} \frac{a}{2} + \\ \frac{Τ_{w b}}{2} (h - x - t_{1} - t_{b}) (14) \end{array}$

2.2.2 塑性中和轴在混凝土板内

此种情况与破坏模式一中塑性中和轴在混凝土板内情况相同, 各合力也相同, 唯一不同之处是无Tcf力, 所以对塑性中和轴取矩, 得组合梁极限抗弯承载力为:

$Μ_{u} = Τ_{w b} (h_{c} - x + \frac{h_{s} - t_{b} - t_{1}}{2}) + Τ_{s b} (h - x - \frac{t_{b}}{2} - t_{1}) + \frac{x}{2} C_{c}$ (15)

3 结语

FRP箱形梁与混凝土板组合梁底部粘贴CFRP可有效增加结构刚度, 减小变形, 耐腐蚀, 提高截面有效承载力, 减少结构维护费用;本文按照实际受力情况分析, 给出的抗弯极限承载力公式具有理论意义, 但公式正确性仍需试验检验。

参考文献

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