波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋性能分析

周國棟 高東東 楊凱

摘要：波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋是一種新型的鋼-混凝土組合樓蓋，該樓蓋由上下鋼筋混凝土板與中部的波形鋼腹板結(jié)合而成，是用波形鋼腹板代替鋼筋混凝土肋梁的一種空心組合板結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)密肋梁樓蓋相同，其波紋鋼腹板主要承受橫向剪力，波形鋼腹板與上下混凝土板之間通過抗剪連接件組合在一起。波形腹板-混凝土空心樓是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，它揚(yáng)長避短，充分利用了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，減輕了結(jié)構(gòu)自重，增加了使用空間，縮短了施工周期，增加了結(jié)構(gòu)的延性。

關(guān)鍵詞：波形腹板，新型結(jié)構(gòu)，豎向剪力，減小自重，增大跨度

中圖分類號： TU37文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

引言

在現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)中，為了滿足人們對建筑物的使用功能和外觀有了越來越高的要求，我國城市化進(jìn)程的深入發(fā)展，要求在有限的空間里實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的建筑使用功能，并實(shí)現(xiàn)最大的投資回報，這就使各種現(xiàn)代化多樣化的建筑類型趨于大跨度、大柱網(wǎng)、大開間、多功能的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)大跨度大開間的關(guān)鍵在于樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計，經(jīng)過長時間的發(fā)展，目前實(shí)際工程中的樓蓋結(jié)構(gòu)形式主要有主次梁樓蓋體系、平板無梁樓蓋體系、雙向密肋樓蓋、預(yù)應(yīng)力樓蓋體系以及組合樓蓋體系等，從理論到實(shí)踐的不斷發(fā)展，促使樓蓋形式不斷創(chuàng)新，各種樓蓋結(jié)構(gòu)形式的性能不斷提高【1】。但是，就鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，隨著建筑曾數(shù)的增加和柱網(wǎng)尺寸的增大，單柱荷載的提高必然要求加大截面，形成對抗震不利的短柱，而混凝土本身的延性較差，需要通過很多構(gòu)造措施來加以控制。隨著我國鋼產(chǎn)量的不斷提高，用鋼量已不再成為制約結(jié)構(gòu)發(fā)展的瓶頸，鋼結(jié)構(gòu)在我國的建筑應(yīng)用正在蓬勃興起。但是鋼結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中仍有一些問題有待解決，如鋼結(jié)構(gòu)防火和防腐至今仍是一個難以很好解決問題，還有其他諸如剛度小，震動幅度大，正常使用舒適度較差等問題尚需攻克和解決。

因此，技術(shù)和社會的發(fā)展催生了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，通過組合的概念，充分的發(fā)揮了鋼材和混凝土材料的特性，形成了一種新型的高效的樓蓋形式—波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋。波形腹板-混凝土空心樓蓋基于傳統(tǒng)的混凝土空心樓蓋，同時與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋由于減輕了結(jié)構(gòu)自重，從而可以做到板厚更小，跨度更大，增加了有效使用空間，降低了基礎(chǔ)造價，方便安裝縮短施工周期，增加了構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性，更加有利于結(jié)構(gòu)抗震。本文針對該結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)受力性能分析，建立新的計算模型，并結(jié)合我國相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則提出設(shè)計方法!

一、有限元分析方法及驗(yàn)證

由于實(shí)驗(yàn)室空間條件以及大量的人力和物力資源限制，本實(shí)驗(yàn)采用有限元分析作為首選的理論研究方法。

由于鋼-混凝土組合樓蓋的頂板和底板都是連續(xù)的，而中部的波紋形鋼肋梁是非連續(xù)體，使鋼-混凝土組合空心樓蓋的受力變?yōu)榭臻g受力，給結(jié)構(gòu)分析帶來難度。我們采用擬夾層板法進(jìn)行分析把中部的鋼肋梁等代成連續(xù)的正交各向同性的板，即將整塊板考慮成連續(xù)的夾層板，按照彈性板理論建立偏微分方程，用三角級數(shù)法進(jìn)行求解，從而可以求出鋼-混凝土組合空心樓蓋各處的撓度和內(nèi)力，因?yàn)橹虚g層比上下板的厚度大，因此不能把板看做彈性薄板而忽略剪切變形，這里所采用的擬夾層板法要考慮中間夾層的剪切變形。鋼-混凝土組合空心樓蓋結(jié)構(gòu)中上下層混凝土板的自身剛度不可忽略，因此這里采用Hoff理論為依據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)。按照Hoff理論，把鋼-混凝土組合空心樓蓋假設(shè)為一塊夾層板，建立擬夾層板法的計算模型，并做出擬夾層板法的相應(yīng)的基本假定。即考慮表層抗彎剛度的各向同性夾層板理論，來建立擬夾層板法的基本方程，分析計算鋼-混凝土組合空心樓蓋，從而得到其在豎向均布荷載作用下的內(nèi)力和撓度求解方法。

根據(jù)鋼-混凝土組合空心樓蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立的鋼-混凝土組合空心樓蓋的計算模型，將其簡化為擬夾層板，采用Hoff夾層板理論建立擬夾層板法方程，既考慮了夾心層的橫向剪切變形，又考慮了上下表層的抗彎性能；將四邊簡支夾層板在豎向荷載作用下的彎曲問題分解為兩類問題的疊加，物理意義明確，求解簡單，為鋼-混凝土組合空心樓蓋這一結(jié)構(gòu)形式的分析及應(yīng)用提供了理論參考。

二、波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋受力變形性能影響因素

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)在采用8400mmx8400mm柱網(wǎng)尺寸，腹板厚度為10mm，其他材料條件均相同。通過ansys分析不同的參數(shù)變量發(fā)現(xiàn)，波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋受力性能主要受以下四個方面的因素的影響：1) 波形鋼腹板波幅大小的影響; 2) 波形鋼腹板高度的影響; 3) 波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋上下混凝土板的厚度的影響。

波形鋼腹板波幅大小對樓蓋受力性能的影響。通過限制相同的腹板高度和上下混凝土板的厚度，僅改變波形腹板波幅大小這一變量。在本實(shí)驗(yàn)中，初步采用波取組合空心樓蓋上下板厚度為50mm，肋梁高度為400mm，波幅高度為10mm，20mm，30mm，40mm四個不同的值，通過ansys建立不同的模型分析發(fā)現(xiàn)，其跨中最大撓度分別為0.296mm，0.337mm，0.315mm，0.297mm。可見波形鋼腹板波幅大小對波形腹板-混凝土空心樓蓋的變形性能影響并不是很大。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)和理論分析，波形鋼腹板波幅大小對板的受力變形性能貢獻(xiàn)很小，更主要的是其厚度對厚度對抗剪性能貢獻(xiàn)。

波形鋼腹板高度對樓蓋受力性能的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，仍采用上下混凝土板厚為50mm，波形鋼腹板的波幅為40mm，波形腹板的高度分別采用200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。通過ansys分析，板的跨中撓度分別為1.168mm，0.620mm，0.608mm，0.469mm，0.296mm。通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，腹板高度對板的變形性能影響顯著，板的跨中撓度隨著腹板高度的增加而顯著減小，正常的撓度幅值減小量接近一半，而此時跨高比達(dá)到21，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于傳統(tǒng)的梁板結(jié)構(gòu)。綜合以上結(jié)論，可見組合空心樓蓋在大荷載、大跨度、需要較大肋梁高度的結(jié)構(gòu)中可體現(xiàn)出良好的受力變形性能。

波形鋼腹板高度對樓蓋受力性能的影響。取組合空心樓蓋肋梁高度為400mm，肋梁寬度為10mm，上下板取同樣的厚度，分別取40mm，50mm，60mm，70mm，80mm作為參照。通過分析，跨中撓度分別為0.472mm，0.296mm，0.274mm，0.257mm，0.220mm。從上面的數(shù)據(jù)中可以看出，樓蓋的中點(diǎn)撓度隨著上下板厚度的增加而減小，說明上下板厚度會直接影響樓蓋結(jié)構(gòu)的剛度；整體來看，上下板厚度對樓蓋跨中撓度的影響并不大，只有在板厚由40mm增大到50mm時，樓蓋中點(diǎn)撓度變化較為明顯，過薄的板厚會使翼緣內(nèi)力分布不均，而且不利于鋼肋梁抗剪連接件的受力性能；

三、結(jié)語

自20世紀(jì)80年代初以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，鋼產(chǎn)量的大幅度提高，鋼材品種的增加，科研工作的深入，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的積累，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)在我國也得到了迅速的發(fā)展和越來越廣泛的使用，1995年日本阪神地震震害調(diào)查顯示，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，組合結(jié)構(gòu)的破壞率最低。組合結(jié)構(gòu)的總造價介于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間，如北京國際技術(shù)培訓(xùn)中心就是一個實(shí)例，它采用鋼-混凝土組合樓蓋，因自重減輕，節(jié)省模板等效益，綜合造價節(jié)省5%。波形鋼腹板-混凝土組合空心樓蓋可以用傳統(tǒng)的施工方法和簡單的施工效益就獲得優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，非常適合我國高速發(fā)展的現(xiàn)代化社會主義建設(shè)，是一種具有廣闊應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)體系。

參考文獻(xiàn)

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