壓型鋼板-混凝土組合樓板研究綜述

郭正平

(蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇昆山215300)

鋼結(jié)構(gòu)憑借其顯著的工業(yè)化特色、輕質(zhì)高強和干式施工方式,不僅可以明顯提高工程質(zhì)量,實現(xiàn)綠色施工,還可以大幅度地提高建筑的工作性能、使用品質(zhì),增強城市的防災(zāi)減災(zāi)能力，符合我國“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念[1]。近年來，我國大力提倡裝配式建筑，伴隨鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑發(fā)展起來的壓型鋼板-混凝土組合樓板也受到了工程界的廣泛關(guān)注。

壓型鋼板-混凝土組合樓板是在壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土,并配置適量的鋼筋所形成的一種板[2]。其充分結(jié)合了鋼板與混凝土各自的優(yōu)越性能,具有剛度大、承載力高、施工操作方便及經(jīng)濟效益顯著等特性,因此被廣泛應(yīng)用于高層建筑、工業(yè)廠房、大跨度結(jié)構(gòu),以及大型橋梁結(jié)構(gòu)等諸多領(lǐng)域中。

本文通過梳理壓型鋼板-混凝土組合樓板的研究進展,指出了其發(fā)展中存在的問題與不足,并對其未來的發(fā)展方向進行了分析。

1 壓型鋼板-混凝土組合樓板的研究現(xiàn)狀

壓型鋼板-混凝土組合樓板是將壓型鋼板直接鋪設(shè)在鋼梁上,用栓釘將壓型鋼板和鋼梁翼緣焊接形成整體。壓型鋼板-混凝土組合樓板分為壓型鋼板-混凝土非組合板和壓型鋼板-混凝土組合板。壓型鋼板-混凝土組合板中的壓型鋼板不僅可作為永久性模板,且能代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土板的下部受拉鋼筋與混凝土共同工作；而壓型鋼板-混凝土非組合板中的壓型鋼板僅用作永久性模板,不考慮與混凝土共同工作[3]。

1.1 壓型鋼板-混凝土組合樓板的現(xiàn)有規(guī)范

目前,我國還沒有壓型鋼板-混凝土組合樓板相關(guān)的強制性規(guī)范,現(xiàn)有的規(guī)范只是定性地給出一些指導(dǎo)性的建議。工程實踐中,常以1992年冶金工業(yè)建筑研究總院主編的行業(yè)標準YB 9238-92《鋼-混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》為參考。文獻[4]將壓型鋼板-混凝土組合樓板作為組合樓板的一種進行了闡述。本規(guī)范適用于建筑工程中的壓型鋼板組合樓板，不適用于直接承受動力荷載作用的情況。壓型鋼板的材料可以參考GB/T12755- 2008《建筑用壓型鋼板》[5]。壓型鋼板截面特性和結(jié)構(gòu)要求參考GB 50018-2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[6]。組合板用的壓型鋼板,其鋼材牌號可采用現(xiàn)行國家標準GB T700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]和GB/T 1591-2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》[8]中規(guī)定的Q235、Q355鋼材。組合樓板應(yīng)對其施工階段和使用階段分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計,并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準,GB 50068-2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》[9]的規(guī)定。組合樓板的耐火性能應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[10]、JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]等標準的規(guī)定,其中對于非組合板,其耐火設(shè)計應(yīng)采用普通鋼筋混凝土樓板耐火設(shè)計方法。

1.2 壓型鋼板-混凝土組合樓板的性能研究

從近幾年的研究情況來看，國內(nèi)外研究者對壓型鋼板-混凝土組合板的研究主要針對其抗剪性能、抗彎性能、抗火性能、界面粘結(jié)性能和抗滑移性能等開展，涉及因素包括組合板跨度、端部錨固條件、組合板截面高度、壓型鋼板形式(開口型、閉口型和縮口型)、壓型鋼板厚度、壓型鋼板強度、混凝土種類、混凝土強度以及板底附加受拉鋼筋等(圖1)。

圖1 壓型鋼板形式(單位：mm)

1.2.1 抗剪性能

何敏娟等[12]進行了不同厚度和不同剪跨的寶冶U76壓型鋼板-混凝土組合板縱向抗剪承載能力實驗,分析得到了該類型板的縱向抗剪剪力粘結(jié)系數(shù)和縱向抗剪承載力計算式。

聶建國等[13-14]、章瀟等[15]對閉口型壓型鋼板-混凝土組合板縱向抗剪承載力進行了研究，分析了其裂縫分布和端部滑移等情況。

馬山積[16]研究了YXB65-185-555(B)型鍍鋅壓型鋼板-混凝土組合樓板的受力性能，得出了適用于YXB65-185-555(B)板型的縱向剪切粘結(jié)承載力計算的m、k系數(shù)。

孟燕燕等[17]收集了國內(nèi)外近120個組合板足尺試驗數(shù)據(jù)，通過m-k方法對試驗數(shù)據(jù)進行了回歸擬合，分析討論了影響壓型鋼板-混凝土組合板縱向抗剪承載力的主要因素。

靳海江[18]對YX-76-344-688型壓型鋼板及陶粒混凝土壓型鋼板組合樓板力學(xué)性能進行了研究，分析了端部栓釘、橫向抗剪鋼筋分布間距等因素對縱向水平剪切粘結(jié)力的影響，并得出了相應(yīng)的抗剪承載力計算公式。

1.2.2 抗彎性能

李幗昌等[19-20]發(fā)現(xiàn)，閉口型組合板破壞形態(tài)以縱向剪切破壞和彎曲破壞為主，大跨度組合板的破壞形式均為彎曲破壞；未設(shè)置栓釘?shù)拈_口型壓型鋼板-混凝土組合樓板發(fā)生脆性的縱向剪切破壞，而設(shè)有栓釘?shù)拈_口型壓型鋼板-混凝土組合樓板發(fā)生延性的縱向剪切破壞。

謝飛等[21]在考慮滑移的情況下，研究了壓型鋼板厚度、組合板厚度及鋼板強度等因素對壓型鋼板-輕骨料混凝土組合板受彎承載力的影響。

蔡飛[22]對采用U76型壓型鋼板-混凝土組合樓板進行了抗彎承載性能分析。結(jié)果表明，試件破壞過程可分為彈性、彈塑性和塑性3個階段，對于抗彎承載能力較大的組合板，應(yīng)考慮折減效應(yīng)，否則全塑性設(shè)計法偏于不安全。

孫岳陽等[23]對設(shè)置抗剪鋼筋和端部設(shè)置栓釘?shù)膲盒弯摪?輕骨料混凝土組合樓板受彎承載性能進行了試驗研究。結(jié)果表明，試件承載力主要受彎曲破壞控制，抗剪鋼筋間距對受彎極限承載力影響不大。

王森軍等[24]分析了混凝土強度等級、組合板高度、組合板含鋼率以及壓型鋼板高度對壓型鋼板-混凝土組合板抗彎承載力的影響。結(jié)果表明，含鋼率和高度對組合板的抗彎承載力具有決定作用。

曹中[25]對采用YX-76-344-688型壓型鋼板-混凝土組合樓板進行了抗彎性能的有限元分析，研究了壓型鋼板厚度和壓型鋼板肋頂混凝土厚度，對非組合樓板抗彎極限承載力和變形性能的影響。

1.2.3 抗火性能

石永久等[26]研究了不同厚度的Encondek閉口壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能。結(jié)果表明，采用閉口壓型鋼板的組合樓板溫度上升速度明顯低于開口壓型鋼板組合樓板，相較開口壓型鋼板組合樓板，閉口壓型鋼板組合樓板具有更好的耐火性能。

尹曉東等[27]對閉口式壓型鋼板-混凝土組合樓板開展了耐火試驗研究。結(jié)果表明，在標準升溫情形下Q235壓型鋼板-混凝土組合板具有較好的吸熱性能和耐火性能，可達到一級建筑樓板的耐火極限要求。

黃永強等[28]基于大量數(shù)據(jù)分析，得到了耐火極限分別為1.5h和2.0h的閉口型壓型鋼板-混凝土組合樓板耐火承載力的簡化計算公式。

徐朝暉等[29]對壓型鋼板-混凝土組合樓板抗火性能進行了非線性分析，在建立室內(nèi)火災(zāi)傳熱模型的基礎(chǔ)上，利用混合解法，編制計算程序解算出火災(zāi)下組合樓板在不同時刻的溫度場，進而利用鋼筋混凝土非線性有限單元法，對多種工況下組合樓板的抗火性能進行了研究。

劉桂德[30]通過有限元模擬分析了兩跨連續(xù)壓型鋼板混凝土組合板在火災(zāi)下的撓度變化規(guī)律，以及混凝土和壓型鋼板的應(yīng)力分布規(guī)律。

王懷闊[31]分析了結(jié)構(gòu)鋼和混凝土的高溫材性特性以及壓型鋼板與混凝土的粘結(jié)強度隨溫度變化的規(guī)律，總結(jié)了高溫下影響壓型鋼板-混凝土組合樓蓋抗火性能的因素。

1.2.4 界面粘結(jié)及抗滑移性能

肖瑞亞[32]研究了大跨度閉口型壓型鋼板-混凝土組合樓板的界面粘結(jié)滑移性能。研究結(jié)果表明，加載初期，壓型鋼板與混凝土之間粘結(jié)性能良好，體現(xiàn)出較好的協(xié)同工作狀態(tài)，但當荷載增加至混凝土開裂時，壓型鋼板與混凝土間的化學(xué)膠結(jié)力與機械咬合力相繼破壞，組合板出現(xiàn)豎向分離現(xiàn)象，滑移開始由加載點向板端傳遞。

許偉等[33]通過兩塊壓型鋼板-混凝土組合樓板足尺試件的靜力加載試驗，分析了組合樓板的破壞過程、破壞形態(tài)和滑移發(fā)展規(guī)律。

郭豐偉等[34]對大跨度開口型壓型鋼板-混凝土組合樓板抗滑移性能的研究發(fā)現(xiàn)，增大組合樓板高度和減少壓型鋼板厚度均可增強試件的抗滑移性能；隨著剪跨比的增大，組合樓板的延性提高，端部滑移降低。

王彥開[35]研究了大跨度開口壓型鋼板-混凝土組合板的界面粘結(jié)性能，分析了組合板在加載過程中的破壞形態(tài)、截面應(yīng)變分布規(guī)律、交界面滑移情況以及組合板上表面混凝土縱向應(yīng)力等。

郝家歡[36]通過試驗研究了組合樓板在荷載作用下的界面滑移及極限粘結(jié)承載力，并基于試驗得到的組合樓板粘結(jié)應(yīng)力和滑移分布規(guī)律，推導(dǎo)了考慮粘結(jié)滑移時組合樓板計算的平衡方程。

甄毅等[37-38]研究了配置橫向剪力鋼筋的壓型鋼板-輕骨料混凝土組合樓板的抗滑移性能，分析了其破壞形式，并提出了橫向剪力鋼筋連接的計算方法，計算中考慮了焊接形式、混凝土抗拉強度、橫向鋼筋直徑等因素的影響。

楊巍等[39]利用彈性分析理論，建立了預(yù)應(yīng)力FRP布壓型鋼板與混凝土組合樓板相對滑移微分方程，并求解了簡支組合樓板在均勻荷載作用下的變形。

2 壓型鋼板-混凝土組合樓板的應(yīng)用現(xiàn)狀

文獻[40]通過研究工程實踐中壓型鋼板-混凝土組合樓板在設(shè)計和施工階段的實際應(yīng)用情況，得出了組合樓板的優(yōu)點，概括為以下幾點:

(1)組合樓板可作為澆灌混凝土的永久性模板，節(jié)省了模板拆卸安裝工作，且在一層樓板澆筑完成后，無需等待樓板達到要求的混凝土強度等級，就可繼續(xù)另一層樓板混凝土的澆筑，大大縮短了施工周期，節(jié)省了大量木模板及支撐材料，并減小了施工階段木模板發(fā)生火災(zāi)的可能性。

(2)壓型鋼板安裝完畢，表面還可用作工人、工具、材料、設(shè)備的安全工作平臺。

(3)壓型鋼板的作用相當于抗拉主鋼筋，能抵抗板面的正彎矩，進而減少鋼筋的制作與安裝工作量。

(4)壓型鋼板波紋間有預(yù)加工的槽，有利于水、電、通信管線的布置，裝修方便。壓型鋼板平整的表面為混凝土樓層提供了平整的頂棚表面。壓型鋼板可疊放，易于運輸、存儲、堆放和裝卸。

(5)組合樓板剛度較大，可節(jié)省受拉區(qū)混凝土用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，使地震反應(yīng)降低。

正是由于壓型鋼板-混凝土組合樓板的上述優(yōu)點，其在國際上特別是在西方發(fā)達國家已得到了廣泛地應(yīng)用。在國內(nèi)，壓型鋼板-混凝土組合樓板也被廣泛用在住宅建筑、工業(yè)廠房、大跨度結(jié)構(gòu),以及大型橋梁結(jié)構(gòu)等多個領(lǐng)域中。

3 當前研究存在的問題

從前述分析可看出，目前對壓型鋼板-混凝土組合樓板的抗剪性能、抗彎性能、抗火性能、界面粘結(jié)性能和抗滑移性能等方面已開展了大量研究工作，并得到了較豐富的研究成果，但在以下幾個方面還存在不足：

(1)對該類組合板各種性能的研究還不夠系統(tǒng)、深入，試驗研究成果運用在實際工程存在偏差。

(2)工程結(jié)構(gòu)在使用過程中還可能遭受爆炸、沖擊等偶然作用，而目前對于壓型鋼板-混凝土組合樓板的抗沖擊性能和抗爆性能研究還鮮有報道。

(3)對壓型鋼板-不同混凝土組合樓板的研究還不足，如輕質(zhì)混凝土、再生混凝土與壓型鋼板組合的研究工作。

4 結(jié)束語

壓型鋼板-混凝土組合樓板相對于普通鋼筋混凝土樓板的發(fā)展時間較短，理論研究與實際工程運用相對滯后，但組合樓板的優(yōu)點是傳統(tǒng)混凝土樓板無法比擬的，在國家大力推進裝配式建筑和注重環(huán)境保護的趨勢下，壓型鋼板-混凝土組合樓板將逐步顯現(xiàn)出它的優(yōu)越性，擁有巨大的發(fā)展空間。同時，應(yīng)加強輕質(zhì)混凝土、再生混凝土與壓型鋼板組合的研究工作，推進壓型鋼板與混凝土組合樓板抗爆性能和抗沖擊性能的研究進展。