装配式地铁站钢板-混凝土空心叠合板受弯性能

梁永泽，张 皓，许怀玉，杨金胜，王庆贺

(沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

随着我国建筑工业化的快速发展，钢板-混凝土组合板因其施工速度快、现场湿作业少、节能减耗等优点，在装配式建筑中被广泛应用[1-2]。目前我国的相关技术规程[3]及学者的试验研究[4-5]主要以2.4～6.6m的大跨度为主，但由于钢板-混凝土组合板的自重大，在施工中易出现吊装及运输困难等问题。钢筋混凝土空心叠合板和混凝土带肋底板[6-7]具有自重轻、楼板叠合面受力性能好等优点，但刚度小、易出现裂缝。预制钢板-混凝土空心叠合板结合了钢板-混凝土组合板和钢筋混凝土空心叠合板的刚度大、自重轻[8-9]等优点，表现出良好的受力性能。

文献[10-11]对钢板-混凝土组合板的钢板与混凝土结合面剪切滑移进行研究，推导出四边简支组合板在均布横向荷载作用下的弯曲变形和单向压缩作用下的弹性稳定解析解。魏盟等[12]基于国内外钢板-混凝土组合板长期性能的试验及有限元模型，提出钢板-混凝土组合板非均匀收缩影响的长期挠度计算公式。吴方伯等[13]提出一种在板中布置筒芯的预应力空心叠合板，并对预应力空心叠合板单调荷载作用下进行足尺寸模型试验，表明预应力空心叠合板与预应力现浇空心板具有相似的受力性能，可满足工程的设计要求，但叠合板的中间设置孔洞，较大的降低了叠合板的刚度。武立伟等[14]提出一种采用聚苯板为内模的钢筋混凝土空心叠合板，并对其施工阶段和使用阶段的承载力、裂缝分布、钢筋应变进行研究。

本文基于ABAQUS软件，建立钢筋混凝土空心叠合板的有限元模型，验证本文钢板-混凝土空心叠合板有限元分析的可靠性，分析不同内模(聚苯板)尺寸对预制钢板-混凝土空心叠合板的静力性能影响。

1 有限元模型可靠性验证

考虑到本文研究的预制钢板-混凝土空心叠合板与文献[14]的钢筋混凝土空心叠合板相似，所以本文按照文献[14]中的试验数据，基于ABAQUS建立钢筋混凝土空心叠合板有限元模型，将有限元分析结果与文献[14]中的试验结果进行对比，以验证本文钢板-混凝土空心叠合板有限元分析的可靠性。文献[14]中试件的尺寸及材料的参数见表1，两组试件的极限承载力分别为6.4kN/m和11.2kN/m。

表1 钢筋混凝土空心叠合板主要试验参数及结果[14]

钢筋混凝土空心叠合板的有限元模型约束条件为两端简支，采用均布力加载，荷载为文献[14]中板的极限承载力，钢筋嵌入混凝土中。由于聚苯板对钢筋混凝土空心叠合板的受力影响可忽略，所以在聚苯板的位置设置相同大小的孔洞。本文有限元模型的材料力学性能均采用文献[14]的实测值，混凝土采用塑性损伤模型，钢筋采用理想弹塑性模型。

试件的荷载-位移曲线对比图如图1所示，由图1可以看出，本文得出的有限元计算结果和文献[14]试验的结果相似，最大相差7.0%，主要是由于试验的离散性所导致。基于以上对比结果可以认为，本文建立的有限元模型可有效的模拟钢筋混凝土空心叠合板的静力力学性能。

图1 荷载-位移曲线对比结果

2 内模尺寸参数化有限元分析

2.1 试件设计及模型建立

本文为课题组研发装配式地铁车站(见图2)的楼板，预制钢板-混凝土叠合空心板的尺寸为8000mm×650mm×400mm，试件底部受拉钢板厚度为6mm，因装配式地铁站的荷载较大，故采用钢材为Q420。为装配式地铁车站楼板设计合理的截面，本研究以内模的尺寸为变量，内模的厚度(h)取值分别为100mm、200mm、250mm、300mm，内模的横向宽度(a)取值分别为150mm、200mm、250mm，内模纵向长度(b)取值分别为300mm、500mm、700mm；三个参数排列组合，共分析36个试件。在试件的受压区配置3Φ10的Q420钢筋，钢筋嵌入C40混凝土内。

图2 课题组研发的装配式地铁车站示意图

2.2 边界条件及荷载施加

由于模型结构、约束及荷载两端对称，为提高计算效率，试件在计算时取半模型，跨中截面采用ZSYMM约束(见图3)。为避免应力集中对试件造成局部破坏，在端部的支座处及位移加载处设置长650mm、宽100mm、厚10mm的刚性(无弹塑性变形)垫板。荷载采用位移加载，加载位置为全模型的L/40处；为得到空心叠合板完整的破坏曲线，加载的竖向位移为200mm。

图3 有限元模型荷载及边界条件示意图

2.3 有限元结果及分析

2.3.1 荷载-位移曲线

试件的弯矩M-位移δ曲线反映了试件的整体变形力，典型试件的M-δ曲线如图4所示。

图4 典型试件的M-δ曲线及刚度影响对比图(宽度为250mm,长度为700mm)

由图4可知，随着内模厚度的增加，构件的极限承载力呈下降趋势；构件达到极限承载力后，随着荷载的增加，构件的强度降低较为平缓；预制钢板-混凝土空心叠合板具有较好的受力性能，承载力安全储备较高。

对钢板-混凝土空心叠合板参数化分析结果表明：随着内模尺寸的变大，空心叠合板的极限承载力呈下降趋势；当内模厚度为250mm、内模长度为700mm时，内模宽度对试件的极限承载力影响最大；内模宽度为150mm的试件比内模宽度为250mm的试件极限承载力高14.3%。内模宽度为250mm、内模长度为700mm时，内模厚度对试件的极限承载力影响最大；内模厚度为100mm的试件比内模厚度为300mm的试件极限承载力高15.5%。内模厚度为300mm、内模宽度为250mm时，内模长度对试件的极限承载力影响最大；内模长度为300mm的试件比内模长度为500mm的试件极限承载力高8.7%。这主要是因为随着内模尺寸的增大，试件受压区混凝土减少，导致构件的极限承载力降低。

2.3.2 试件刚度影响结果

试件刚度影响对比图反映了内模尺寸大小对构件刚度的影响，典型试件的刚度影响对比图见图5所示，柱状图的纵坐标为试件正常使用极限状态刚度(0.5Mmax/δ)，横坐标为试件内模厚度。

图5 典型试件的刚度影响对比图(宽度为250mm,长度为700mm)

由图5可以看出，预制钢板-混凝土空心叠合板具有较高的刚度；随着内模尺寸的增加，试件的刚度呈下降趋势。

对钢板-混凝土空心叠合板参数化分析结果表明：当内模厚度为250mm、内模长度为500mm时，内模宽度对试件的刚度影响最大，内模宽度为150mm的试件比内模宽度为250mm的试件刚度高7.4%；内模宽度为250mm、内模长度为700mm时，内模厚度对试件的刚度影响最大，内模厚度为100mm的试件比内模厚度为300mm的试件刚度高15.5%；内模厚度为250mm、内模宽度为250mm时，内模长度对试件的刚度影响最大，内模长度为300mm的试件比内模长度为500mm的试件刚度高9.9%。这主要是因为随着内模尺寸的增大，试件的中和轴位置上移，受压区混凝土减少，导致试件的刚度降低。

3 结论

采用ABAQUS软件，对预制钢板-混凝土空心叠合板的内模尺寸进行参数化有限元分析，得出以下结论。

(1)采用有限元方法建立钢筋混凝土空心叠合板模型可靠，可有效模拟钢筋混凝土叠合空心板的受弯性能，有限元计算结果与试验结果对比最大相差7.0%，主要是由于试验的离散性导致。

(2)内模厚度对试件的极限承载力及刚度影响很大，当内模宽度为250mm、内模长度为700mm时，内模厚度对试件的极限承载力及刚度最大影响幅度为15.5%。

(3)装配式地铁车站用预制钢板-混凝土空心叠合板的合理内模尺寸为：内模厚度200mm、内模宽度200mm、内模长度500mm。