方钢管-轻骨料混凝土组合楼板的设计

方钢管-轻骨料混凝土组合楼板的设计

文/全春花 吉林省经济管理干部学院 吉林 长春 130012【摘要】本文主要分了三大部分进行了轻钢组合楼板（方钢管-轻骨料混凝土组合楼板）的试验研究，通过大量的试验研究轻钢组合楼板的工作机理，分析影响轻钢组合楼板工作性能的主要因素，提出轻钢组合楼板抗弯承载力的计算方法，并且得出了轻钢组合楼板的特点和以后改进的方向。

轻钢结构；组合楼板；经济分析

0　前言

在建筑地上部分的总重中，各层楼板的自重约占

4 0%左右。所以，减小楼板自重是减轻房屋总重的最佳途径。而房屋重量主要由基础传递给地基承担，基础费用一般能够占到工程直接费的 20%以上。因此，开发轻质、高强的楼板结构形式对于降低钢结构住宅价格具有直接影响。另外，还可降低结构的地震反应，从而提高多高层钢结构住宅的性能价格比，真正能够将这种绿色环保型建筑在我国得到推广应用，实现轻钢结构住宅的产业化。我国目前已加大投资和政策扶持力度，开发出一系列适用于多高层钢结构房屋的楼板形式。与目前应用较多的普通混凝土组合楼板相比，

轻骨料混凝土组合楼板的开发还处于空白。由于种种原因，不仅掌握的信息少，而且实质性的科研工作尚未起步。鉴于钢-混凝土组合结构在高层建筑领域中广阔的应用前景以及轻骨料混凝土与普通混凝土相比所具有的一系列优越性，对轻骨料混凝土组合楼板的研究具有深远意义。

1　楼板试验

1.1材料准备

薄壁型钢-轻骨料混凝土组合楼板是由薄壁方钢管和扁钢还有轻骨料混凝土组合而成的新型的轻钢楼板。

1、方钢管和扁钢

组合楼板的钢骨架见图1，钢材的材料以及力学性能见表1。

表1　钢材料几何及力学性能

组合楼板的钢骨架如图1所示：

图1　楼板钢骨架

2、轻骨料混凝土

采用 CL30陶粒轻骨料混凝土，楼板厚80mm。浇注时采用平板振捣器振捣，同时浇注混凝土立方体试块（150mm×150mm× 150mm）三组，自然养护，混凝土试块的强度试验与试件的试验同一天进行。

1.2试验加载测试方法

1、试验加载装置

方钢管-轻骨料混凝土组合楼板总长2900mm，两端简支，支座间距为2750mm，采用油压千斤顶通过分配梁对两点集中分级加载。实验室提供的50kN电动液压千斤顶满足试验要求。试验加载装置见图2。

图2　试验加载示意图

2、加载方法

加载程序采用竖向分级加载法，每级1.5kN～3kN。加载前预加载 1～2级，以检查各量测仪表是否正常工作，应变片粘贴是否牢固以及是否有坏片，并观察其力-变形是否正常。检查调整完毕，卸去荷载，记录仪表的初始读数，开始正式加载。加每级荷载后，持续约5分钟，以保证荷载、变形稳定，然后读取数据。对每级荷载下的裂缝发展详细记录。逐级加载，直至构件破坏。

2　试验结果分析

2.1组合楼板破坏过程分析

从试验过程及试验现象来看，组合楼板主要发生弯曲破坏。主要表现为首先板底部出现裂缝，钢管底部屈服，楼板顶部屈服，跨中挠度达到48mm，超过了楼板极限挠度值，可是楼板顶部混凝土未压碎。根据试验测得的应变值，分别得到方钢管底部的荷载-应变关系曲线图和楼板顶部的混凝土荷载-应变关系曲线图，如图 3、图4所示。组合楼板受力过程可分为弹性、弹塑性及破坏三个阶段。

图3　钢管底部荷载-应变关系曲线

图4　楼板顶面荷载-应变关系曲线

2.2组合楼板承载力及分析

本试验研究方钢管-轻骨料混凝土组合楼板的极限承载力性能，组合楼板两端简支，采用油压千斤顶通过分配梁对两点集中加载，实测承载力见表2。

表2　组合楼板承载力试验结果

2.3组合楼板荷载-挠度曲线及分析

组合楼板试件的荷载-挠度关系曲线如图 5所示，可以看出，在加载初期，试件处于弹性工作状态，达到开裂荷载之前，荷载-挠度关系曲线基本呈直线，挠度增长较慢。当组合楼板底部出现裂缝时，曲线发生较明显转折，呈非线性性质，挠度增长速度加快。随着荷载增加，裂缝不断发展，中和轴逐渐上移，组合板有效刚度越来越小，在方钢管底部达到屈服时，挠度加速发展，楼板最大挠度达到48mm时停止加载，宣告楼板破坏。

图5　楼板荷载-挠度关系曲线

2.4组合楼板荷载-应变关系曲线及分析

（1）平截面假定的验证

方钢管-轻骨料混凝土组合楼板正截面抗弯承载力计算应以极限状态时的应变和应力状态为依据，计算时所采用的四条基本假定中，其中之一：在组合板中，混凝土与方钢管的交界面上滑移很小，混凝土与方钢管始终保持共同工作，截面应变符合平截面假定。根据试验结果，做出楼板截面应变分布曲线，如图6。

图6　楼板截面应变分布曲线

（2）同截面钢管及混凝土应变变化曲线

根据试验结果，作出组合楼板的相同截面不同荷载下应变变化曲线，由材性试验可知，方钢管的屈服应变为。从试件的应变曲线可以看出，跨中截面随着荷载的增加钢管跟混凝土的应变变化是比较均匀的。

试件破坏时，钢管底部、顶部均屈服（钢管底部应变值达到 3000μ），混凝土上表面未压碎，应变值达到 2000μ，其极限承载力较低，而延性非常好。破坏时钢管充分屈服，楼板上侧混凝土未压碎，受压性能未能充分发挥，组合板发生弯曲破坏。

2.5方钢管一轻骨料混凝土组合楼板的理论分析

一.板受压区高度和有效高度的计算

1）受压区高度的计算。

当方钢管全截面受拉屈服时，楼板混凝土受压区高度是在钢管顶部到楼板顶面之间，就是说受压区高度x ＜24mm时

式中： fy——钢材强度设计值，取f=297N/mm2；y

As——钢管截面面积，取A=206.64×5=1033.2mm2；s

fc——混凝土轴心抗压强度标准值，取fc=25.7N/mm2；

b——楼板宽度，取b=1100mm；

x——混凝土受压区高度。

则 得出 x=10.8mm

2）楼板有效高度的计算

根据钢管截面应变分布曲线可以画出模拟应变分布的图7，通过以下公式可以算出此方钢管受力的形心位置。

y=19.8mm

图7　钢管截面受力应变模拟图

从这个结果可以得知组合楼板采用方钢管时钢管受力形心位置略有下移，可以偏于安全地取钢管受力形心位于钢管的形心位置。

组合楼板的有效高度可取方钢管形心到组合楼板上表面的距离，即h0=80-20.5-15=44.5mm。

二.正截面受弯承载力计算

组合楼板的极限弯矩按以下公式计算

式中 fy——钢材强度设计值；

h0——组合楼板有效高度，取方钢管中心到楼板顶面的距离；

A s——钢管截面面积；

x——混凝土受压区高度。

采用以上公式算出组合楼板正截面受弯极限承载力为

由试验结果可知当试件加载到Pu=27kN时，组合楼板破坏，此时方钢管是全截面屈服的，其抗弯承载力为Mt=12.4kN·m。将极限弯矩的理论计算值与试验结果进行比较，比较结果见表3。

表3　试验结果比较

由对比结果Mt/Mu=1.03可知混凝土楼板采用方钢管代替受拉钢筋时算楼板的极限承载力时可以用（3）公式计算。

3　结论

通过对方钢管-轻骨料混凝土组合楼板的试验可以得出以下几个结论：

1）当楼板采用薄壁型钢替代板中受拉钢筋的作用时，本试验的组合楼板配筋率略高于混凝土楼板的配筋率，但可选用壁厚更小的型钢使组合楼板的配筋率减少，同时降低组合楼板的造价。

2）本试验采用薄壁型钢-轻骨料混凝土组合楼板，由于该组合楼板的自重比普通钢筋混凝土楼板轻三分之一，采用该组合楼板可以减轻整个结构的重量，从而降低整个结构的造价。因此应用该组合楼板对于降轻钢结构住宅总体造价具有重要意义。

3）通过试验数据得知当混凝土楼板采用薄壁方钢管时楼板的延性比钢筋混凝土楼板要提高很多，从图 5可以看出，当楼板的挠度达到48mm时曲线仍是上升趋势，所以此楼板适合在地震区住宅结构中使用。

4）计算方钢管-轻骨料混凝土组合楼板的极限承载力公式可以用钢筋混凝土楼板的计算公式进行计算，表3的结果表明可以采用（3）式计算出方钢管组合楼板的抗弯极限承载力。

1.赵风华，张久斌.CS 板建筑体系在民用钢结构中的应用.钢结构［J］.2003， 18（4）22-25.

2.周明杰.钢一混凝土组合结构设计与工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

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4.江见鲸，李杰，金伟良.高等混凝土结构理论［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

5.王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算［M］.北京：科学出版社，2005.

全春花（1983～ ），女，吉林省长春市人。