方鋼管—輕骨料混凝土組合樓板的設計

摘 要：本文主要分了三大部分進行了輕鋼組合樓板（方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板）的試驗研究，通過大量的試驗研究輕鋼組合樓板的工作機理，分析影響輕鋼組合樓板工作性能的主要因素，提出輕鋼組合樓板抗彎承載力的計算方法，并且得出了輕鋼組合樓板的特點和以后改進的方向。

關鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；組合樓板；經(jīng)濟分析

0 前言

在建筑地上部分的總重中，各層樓板的自重約占40%左右。所以，減小樓板自重是減輕房屋總重的最佳途徑。而房屋重量主要由基礎傳遞給地基承擔，基礎費用一般能夠占到工程直接費的20%以上。因此，開發(fā)輕質(zhì)、高強的樓板結(jié)構(gòu)形式對于降低鋼結(jié)構(gòu)住宅價格具有直接影響。另外，還可降低結(jié)構(gòu)的地震反應，從而提高多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的性能價格比，真正能夠?qū)⑦@種綠色環(huán)保型建筑在我國得到推廣應用，實現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)業(yè)化。我國目前已加大投資和政策扶持力度，開發(fā)出一系列適用于多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓板形式。

與目前應用較多的普通混凝土組合樓板相比，輕骨料混凝土組合樓板的開發(fā)還處于空白。由于種種原因，不僅掌握的信息少，而且實質(zhì)性的科研工作尚未起步。鑒于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑領域中廣闊的應用前景以及輕骨料混凝土與普通混凝土相比所具有的一系列優(yōu)越性，對輕骨料混凝土組合樓板的研究具有深遠意義。

1 樓板試驗

1.1 材料準備

薄壁型鋼-輕骨料混凝土組合樓板是由薄壁方鋼管和扁鋼還有輕骨料混凝土組合而成的新型的輕鋼樓板。

1、方鋼管和扁鋼

組合樓板的鋼骨架見圖1，鋼材的材料以及力學性能見表1。

組合樓板的鋼骨架如圖1所示：

2、輕骨料混凝土

采用CL30陶粒輕骨料混凝土，樓板厚80mm。澆注時采用平板振搗器振搗，同時澆注混凝土立方體試塊（150mm×150mm×150mm）三組，自然養(yǎng)護，混凝土試塊的強度試驗與試件的試驗同一天進行。

1.2 試驗加載測試方法

1、試驗加載裝置

方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板總長2900mm，兩端簡支，支座間距為2750mm，采用油壓千斤頂通過分配梁對兩點集中分級加載。實驗室提供的50kN電動液壓千斤頂滿足試驗要求。試驗加載裝置見圖2。

2、加載方法

加載程序采用豎向分級加載法，每級1.5kN～3kN。加載前預加載1～2級，以檢查各量測儀表是否正常工作，應變片粘貼是否牢固以及是否有壞片，并觀察其力-變形是否正常。檢查調(diào)整完畢，卸去荷載，記錄儀表的初始讀數(shù)，開始正式加載。加每級荷載后，持續(xù)約5分鐘，以保證荷載、變形穩(wěn)定，然后讀取數(shù)據(jù)。對每級荷載下的裂縫發(fā)展詳細記錄。逐級加載，直至構(gòu)件破壞。

2 試驗結(jié)果分析

2.1組合樓板破壞過程分析

從試驗過程及試驗現(xiàn)象來看，組合樓板主要發(fā)生彎曲破壞。主要表現(xiàn)為首先板底部出現(xiàn)裂縫，鋼管底部屈服，樓板頂部屈服，跨中撓度達到48mm，超過了樓板極限撓度值，可是樓板頂部混凝土未壓碎。根據(jù)試驗測得的應變值，分別得到方鋼管底部的荷載-應變關系曲線圖和樓板頂部的混凝土荷載-應變關系曲線圖，如圖3、圖4所示。組合樓板受力過程可分為彈性、彈塑性及破壞三個階段。

2.2組合樓板承載力及分析

本試驗研究方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的極限承載力性能，組合樓板兩端簡支，采用油壓千斤頂通過分配梁對兩點集中加載，實測承載力見表2。

表2 組合樓板承載力試驗結(jié)果

試件開裂荷載（kN）撓度達L/200（13.75mm）時的荷載（kN）極限荷載（kN）

組合樓板51027

2.3 組合樓板荷載-撓度曲線及分析

組合樓板試件的荷載-撓度關系曲線如圖5所示，可以看出，在加載初期，試件處于彈性工作狀態(tài)，達到開裂荷載之前，荷載-撓度關系曲線基本呈直線，撓度增長較慢。當組合樓板底部出現(xiàn)裂縫時，曲線發(fā)生較明顯轉(zhuǎn)折，呈非線性性質(zhì)，撓度增長速度加快。隨著荷載增加，裂縫不斷發(fā)展，中和軸逐漸上移，組合板有效剛度越來越小，在方鋼管底部達到屈服時，撓度加速發(fā)展，樓板最大撓度達到48mm時停止加載，宣告樓板破壞。

2.4 組合樓板荷載-應變關系曲線及分析

（1）平截面假定的驗證

方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板正截面抗彎承載力計算應以極限狀態(tài)時的應變和應力狀態(tài)為依據(jù)，計算時所采用的四條基本假定中，其中之一：在組合板中，混凝土與方鋼管的交界面上滑移很小，混凝土與方鋼管始終保持共同工作，截面應變符合平截面假定。根據(jù)試驗結(jié)果，做出樓板截面應變分布曲線，如圖6。

（2）同截面鋼管及混凝土應變變化曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，作出組合樓板的相同截面不同荷載下應變變化曲線，由材性試驗可知，方鋼管的屈服應變?yōu)?。從試件的應變曲線可以看出，跨中截面隨著荷載的增加鋼管跟混凝土的應變變化是比較均勻的。

試件破壞時，鋼管底部、頂部均屈服（鋼管底部應變值達到3000 ），混凝土上表面未壓碎，應變值達到2000 ，其極限承載力較低，而延性非常好。破壞時鋼管充分屈服，樓板上側(cè)混凝土未壓碎，受壓性能未能充分發(fā)揮，組合板發(fā)生彎曲破壞。

2.5方鋼管一輕骨料混凝土組合樓板的理論分析

一.板受壓區(qū)高度和有效高度的計算

1）受壓區(qū)高度的計算。

當方鋼管全截面受拉屈服時，樓板混凝土受壓區(qū)高度是在鋼管頂部到樓板頂面之間，就是說受壓區(qū)高度 <24mm時

（1）

式中： ——鋼材強度設計值，取 ；

——鋼管截面面積，取 ；

——混凝土軸心抗壓強度標準值，取 ；

——樓板寬度，取 ；

——混凝土受壓區(qū)高度。

則 得出 =10.8mm

2）樓板有效高度的計算

根據(jù)鋼管截面應變分布曲線可以畫出模擬應變分布的圖7，通過以下公式可以算出此方鋼管受力的形心位置。

（2）

從這個結(jié)果可以得知組合樓板采用方鋼管時鋼管受力形心位置略有下移，可以偏于安全地取鋼管受力形心位于鋼管的形心位置。

組合樓板的有效高度可取方鋼管形心到組合樓板上表面的距離，即h0=80-20.5-15=44.5mm。

二.正截面受彎承載力計算

組合樓板的極限彎矩按以下公式計算

（3）

式中 ——鋼材強度設計值；

——組合樓板有效高度，取方鋼管中心到樓板頂面的距離；

——鋼管截面面積；

——混凝土受壓區(qū)高度。

采用以上公式算出組合樓板正截面受彎極限承載力為

kN·m

由試驗結(jié)果可知當試件加載到 kN時，組合樓板破壞，此時方鋼管是全截面屈服的，其抗彎承載力為 kN·m。將極限彎矩的理論計算值與試驗結(jié)果進行比較，比較結(jié)果見表3。

3 結(jié)論

通過對方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的試驗可以得出以下幾個結(jié)論：

1）當樓板采用薄壁型鋼替代板中受拉鋼筋的作用時，本試驗的組合樓板配筋率略高于混凝土樓板的配筋率，但可選用壁厚更小的型鋼使組合樓板的配筋率減少，同時降低組合樓板的造價。

2）本試驗采用薄壁型鋼-輕骨料混凝土組合樓板，由于該組合樓板的自重比普通鋼筋混凝土樓板輕三分之一，采用該組合樓板可以減輕整個結(jié)構(gòu)的重量，從而降低整個結(jié)構(gòu)的造價。因此應用該組合樓板對于降輕鋼結(jié)構(gòu)住宅總體造價具有重要意義。

3）通過試驗數(shù)據(jù)得知當混凝土樓板采用薄壁方鋼管時樓板的延性比鋼筋混凝土樓板要提高很多，從圖5可以看出，當樓板的撓度達到48mm時曲線仍是上升趨勢，所以此樓板適合在地震區(qū)住宅結(jié)構(gòu)中使用。

4）計算方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的極限承載力公式可以用鋼筋混凝土樓板的計算公式進行計算，表3的結(jié)果表明可以采用（3）式計算出方鋼管組合樓板的抗彎極限承載力。

參 考 文 獻

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5. 王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計算[M].北京：科學出版社，2005.