閉口型壓型鋼板—混凝土組合板受力性能研究

■張婷婷 ■廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展和社會的不斷進步，越來越多的建筑結(jié)構(gòu)往高層和超高層發(fā)展，隨之一種適合于高層建筑的新型的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)——壓型鋼板—混凝土組合板也得到了廣泛的應(yīng)用。壓型鋼板—混凝土組合板具有施工速度快，人工成本低、施工時可作為永久模板，不用拆卸、使用階段可代替受力鋼筋增大結(jié)構(gòu)剛度等一系的優(yōu)越性能。在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但是這些研究和應(yīng)用主要集中在開口型壓型鋼板—混凝土組合板上，針對閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的研究和應(yīng)用還相對較少，同時閉口型壓型鋼板—混凝土組合板具有很多開口型壓型鋼板—混凝土組合板所不能比擬的優(yōu)勢，所以閉口型壓型鋼板—混凝土組合板已成為未來鋼與混凝土組合板發(fā)展的一個趨勢。

1 閉口型壓型鋼板—混凝土組合板優(yōu)點

與開口型壓型鋼板—混凝土組合板相比閉口型板在版型截面、安裝技術(shù)和經(jīng)濟方面都有相對較大的優(yōu)勢。

1.1 截面優(yōu)勢

(1)相比與開口型壓型鋼板—混凝土組合板閉口型板的腹板貼合同時板底也很平整，可根據(jù)需要做成平板天花板、企口型天花板、彩色天花板等多種天花板類型［1］。(2)閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的截面重心到板底的距離小于開口型或縮口型壓型鋼板—混凝土組合板，所以此類型組合板能夠充分發(fā)揮材料的強度，提高構(gòu)件才承載力，安全系數(shù)也較高。

1.2 安裝技術(shù)優(yōu)勢

(1)閉口型壓型鋼板在工廠進行生產(chǎn)時，就已經(jīng)按照設(shè)計鋪板圖對其進行了切割和編號，所以施工單位在進行現(xiàn)場安裝時不需要再進行切割和補板工作。(2)由于閉口型壓型鋼板腹板是閉合的，所以不用像開口型壓型鋼板那樣在澆筑混凝土?xí)r在端口設(shè)置堵板以漏漿。(3)若閉口型壓型鋼板—混凝土組合板承受荷載較小時，在組合板中可以不配置下部受彎鋼筋，大大減少了鋼筋鋪設(shè)和綁扎工藝，降低了人員的投入，提高了安裝施工的速度。

1.3 經(jīng)濟優(yōu)勢

(1)由于閉口型壓型鋼板—混凝土板不需要像開口型板那樣噴涂防火涂料，因此閉口型壓型鋼板—混凝土組合板厚度較小，既減輕了自重增加了凈空，而且減少了混凝土用量，節(jié)約了成本。(2)閉口型壓型鋼板—混凝土組合板具有獨特的卡槽懸吊系統(tǒng)，板底不需要預(yù)埋件就可以提供吊點，大大簡化了安裝建筑物板底機電管道的程序，同時也顯著提高施工速度，節(jié)約工期，從而降低了工程成本。

2 閉口型壓型鋼板—混凝土組合板受力破壞模式

閉口型壓型鋼板—混凝土組合板通過混凝土與壓型鋼板之間的化學(xué)粘結(jié)力、摩擦力、機械咬合力來實現(xiàn)兩者的協(xié)同工作［2］。閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的承載力與其破壞模式有關(guān)，在不同截面和受力狀態(tài)下，主要有彎曲破壞、縱向水平剪切粘結(jié)破壞和斜截面剪切破壞這三種破壞模式:(1)彎曲破壞。在荷載作用下，組合板中的壓型鋼板和下部混凝土共同受拉，隨著荷載的增加組合板撓度增大，壓型鋼板發(fā)生較大彎曲，組合板頂部混凝土被壓碎。在達到抗彎極限承載力時，組合板在彎矩最大的垂直面處產(chǎn)生壓型鋼板彎折或壓區(qū)混凝土壓碎的彎曲破壞，此時組合板的組合效應(yīng)未完全被破壞，而抗剪切承載力滿足要求，表現(xiàn)為抗彎承載力不足。(2)縱向水平剪切粘結(jié)破壞。在荷載作用下，由于混凝土和壓型鋼板兩者剛度不一致變形不協(xié)調(diào)，引起剪跨區(qū)混凝土與壓型鋼板在交界面上粘結(jié)強度不足，使得混凝土與壓型鋼板粘結(jié)界面成為組合板的薄弱部位，導(dǎo)致在組合板還沒有達到極限承載力之前，兩者的粘結(jié)界面就已經(jīng)喪失了縱向剪切粘結(jié)承載力，在板端部發(fā)生很大的滑移，壓型鋼板和混凝土失去了組合作用?？v向水平剪切粘結(jié)破壞與彎曲破壞最大的區(qū)別就在與縱向水平剪切粘結(jié)破壞板的一端產(chǎn)生了過大的相對滑移。(3)斜截面剪切破壞。由于組合板的剛度相對較小，所以一般情況下會縱向剪切破壞和彎曲破壞發(fā)生較多，僅僅在剪跨比較小時，在支座等最大剪力處會發(fā)生沿斜截面的剪切破壞［3］［4］。

3 受彎承載力計算

閉口型壓型鋼板—混凝土組合板受彎承載力計算滿足如下基本假定:(1)閉口型壓型鋼板—混凝土組合板達到極限狀態(tài)前截面應(yīng)變滿足平截面假定;(2)不考慮混凝土梁開裂后承受拉力;(3)壓型鋼板能夠與混凝土協(xié)同工作，不在受壓區(qū)混凝土壓碎前與混凝土發(fā)生粘結(jié)滑移。

閉口型壓型鋼板—混凝土組合板極限受彎承載力的計算方法根據(jù)塑性中和軸在組合板中位置的不同可以為以下兩種:(1)塑性中和軸在壓型鋼板上翼緣以上(Apf ≤fchcb)。這種情況下整個壓型鋼板全部受拉，若令組合板壓區(qū)混凝土受壓區(qū)高度為x，則通過力矩平衡可得閉口型壓型鋼板—混凝土組合板受彎承載力計算公式:(2);式中:Ap——壓型鋼板波距的截面積;dp——壓型鋼板形心至組合板頂部的距離;fy——壓型鋼板屈服強度;fc—混凝土軸心抗壓強度。

(2)塑性中和軸在壓型鋼板內(nèi)(Apf ＞fchcb)，這種情況下壓型鋼板上部混凝土全部受壓。若令組合板壓區(qū)混凝土高度為x，不考慮壓型鋼板肋間縫隙的作用［5］，根據(jù)力平衡方程，按式(3)～(5)的閉口型壓型鋼板—混凝土組合板受彎承載力計算公式:fcbx +Ap1fy=Ap2fy(3);Ap1+Ap2=Ap(4);x=hc+φ(Ap1)(5);Mu=Ap1fyy1+fcbxy2(6);式中:Ap1，Ap2——塑性中和軸以下的壓型鋼板波距內(nèi)截面面積和塑性中和軸以上的壓型鋼板波距內(nèi)截面面積;y1，y2——壓型鋼板截面受拉區(qū)截面應(yīng)力的合力分別到混凝土截面至受壓區(qū)混凝土板截面和壓型鋼板截面應(yīng)力合力的距離;若考慮壓型鋼板肋間縫隙的影響，由于壓型鋼板裹住的混凝土對承載力貢獻不大，忽略其作用，因此(6)式可化為:Mu=Ap1fyy1+fcbhcy2(7)

4 縱向剪切承載力計算

組合板不像普通鋼筋混凝土板那樣在極限承載力時僅僅發(fā)生彎曲破壞，同時也很可能在壓型鋼板與混凝土粘結(jié)界面上發(fā)生縱向剪切破壞，即出現(xiàn)兩者之間會出現(xiàn)滑移和剝離。在大多數(shù)情況下組合板中的壓型鋼板還未達到極限狀態(tài)就發(fā)生了截面上的縱向剪切破壞，這是組合板受力和破壞的一大特點。因此對于閉口型壓型鋼板—混凝土組合板縱向抗剪能力的計算，目前普遍采用的是建立在試驗數(shù)據(jù)回歸基礎(chǔ)之上的m—k 半經(jīng)驗法，即從大量的試驗中得到能夠計算縱向剪切承載力的參數(shù)m 和k。國內(nèi)外學(xué)者［6］［7］［8］根據(jù)試驗和研究結(jié)果提出了如(8)式的縱向剪切承載力計算公式:;

式中:b——板寬;h0——板有效高度;L' ——剪跨;ρ——配筋率，，k——剪切粘結(jié)系數(shù)。

5 結(jié)語

閉口型壓型鋼板—混凝土組合板作為一種新型組合結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的截面特性、安裝技術(shù)和經(jīng)濟性，應(yīng)用前景廣闊。它的受彎承載力計算理論已經(jīng)較為成熟，但是承載力計算中最關(guān)鍵的縱向剪切粘結(jié)承載力問題，仍然是基于半經(jīng)驗理論，因此關(guān)于這方面的計算還需進一步的研究。

［1］吳蕊.閉口式壓型鋼板—混凝土組合樓板剪切粘結(jié)承載力試驗研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2009.

［2］馬山積.閉口型壓型鋼板—混凝土組合樓板縱向抗剪性能的試驗研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2012.

［3］劉堅，周東華，王文達.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［4］聶建國.鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu):試驗、理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［5］易衛(wèi)華，聶建國.閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的受彎性能［J］.工業(yè)建筑，2003，33(12):22 -23.

［6］康眾舉，張興虎.閉口式壓型鋼板—混凝土組合樓板縱向水平剪切粘結(jié)承載力試驗研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2007.

［7］詹建敏，吳沿海.壓型—鋼板混凝土組合樓板剪切粘結(jié)承載力試驗研究［J］.福建建筑，2002，(30):27 -30.

［8］聶建國，易衛(wèi)華，雷麗英.閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的縱向受剪性能［J］.工業(yè)建筑，2003，33(12):15 -18.