組合結(jié)構(gòu)理論：壓型鋼板與混凝土組合板

第三章壓型鋼板與混凝土組合板《組合結(jié)構(gòu)理論》姓名王鵬專業(yè)結(jié)構(gòu)工程學(xué)號(hào)1520814020171壓型鋼板與混凝土組合板目錄3.1概述43.2壓型鋼板-混凝土組合板的類型93.3壓型鋼板的形式及截面特征113.4組合板的破壞模式133.5組合板的設(shè)計(jì)和計(jì)算163.6組合板的計(jì)算原則和方法2223.7組合樓板的振動(dòng)控制263.8構(gòu)造要求273.9組合板的有限元分析313.10組合板研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題4333.1概述1.基本概念：壓型鋼板與混凝土組合板是20世紀(jì)60年代前后興起的一種新型組合結(jié)構(gòu)。壓型鋼板混凝土組合樓板：利用凹凸相間的壓型薄鋼板做襯板與現(xiàn)澆混凝土澆筑在一起支承在鋼梁上構(gòu)成整體型樓板，主要由樓面層、組合板和鋼梁三部分組成。適用于大空間建筑和高層建筑，在國(guó)際上已普遍采用。

第三講壓型鋼板與混凝土組合板

452.分類（壓型鋼板按其在組合板中的作用可分為三類）：

①以壓型鋼板作為板的主要承重構(gòu)件，混凝土只是作為板的面層以形成平整的表面及起到分布荷載的作用。按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行施工階段和使用階段計(jì)算。②壓型鋼板僅作為澆筑混凝土的永久性模板，并作為施工時(shí)的操作平臺(tái)。考慮施工階段荷載，按鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算。使用階段僅考慮混凝土，按按混凝土規(guī)范計(jì)算混凝土板。以上兩類均屬于非組合板。③考慮組合作用的壓型鋼板混凝土組合板。施工階段壓型鋼板作為模板及澆注混凝土的作業(yè)平臺(tái)。使用階段，壓型鋼板相當(dāng)于鋼筋混凝土板中的受拉6鋼筋，在全部靜載及活載作用下，考慮二者的作用。本章主要講第三類，即組合樓板。3.組合樓板優(yōu)點(diǎn)1)壓型鋼板作為澆灌混凝土的模板，節(jié)省了大量木模板及其支撐。2)壓型鋼板工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸、堆放方便，節(jié)省大量支模工作，并且改善了施工條件。3)在使用階段，由于組合作用，可代替受拉鋼筋。減少了鋼筋的制作與安裝工作。7

4)剛度大，自重輕。5)便于敷設(shè)通信、電力、采暖等管線。6)便于立體作業(yè)，加快施工進(jìn)度，縮短工期。7)可直接做頂棚。8)減小了發(fā)生火災(zāi)的可能性。83.2壓型鋼板-混凝土組合樓板的類型有：1、在壓型鋼板上設(shè)置壓痕，以增加疊合面上的機(jī)械粘結(jié)，如圖（a)2、改變壓型鋼板截面形式，以增加疊合面上的摩擦粘結(jié)，如圖（b)3、在壓型鋼板上翼緣焊接橫向鋼筋，如圖（c)4、在壓型鋼板端部設(shè)置栓釘連接件，以增加柱和板端部錨固，如圖（d)9103.3壓型鋼板的形式及及截面特征3.3.1壓型鋼板的形式：：(1)閉口形槽口的壓型型鋼板(圖3.1a)(2)軋齒槽或開小孔的的壓型鋼板(圖3.1b)(3)加焊鋼筋的壓型鋼鋼板(圖3.1c)圖3.1113.3.2壓型鋼板的截面特特征1.受壓翼緣的有效計(jì)計(jì)算寬度在與腹板交接處應(yīng)應(yīng)力最大，距腹板板愈遠(yuǎn)，應(yīng)力愈小小，呈曲線遞減。。實(shí)用上常把翼緣緣的應(yīng)力分布簡(jiǎn)化化成在有效寬度上上的均布分布?？煽山迫?，，t為壓型鋼板板厚。。2對(duì)壓型鋼板的要求求壓型鋼板的厚度一一般不應(yīng)小于0.75mm。為便于澆灌混凝土土，要求壓型鋼板板的平均槽寬不小小于50mm。當(dāng)在槽內(nèi)設(shè)置帶帶頭栓釘時(shí)，壓型型鋼板的總高，包包括刻痕在內(nèi)不應(yīng)應(yīng)大于80mm.123.4.組合板的破壞模式式（見圖3.4）1.彎曲破壞（沿1-1）當(dāng)組合板中含鋼量量適當(dāng)時(shí)，破壞是是從受拉區(qū)壓型鋼鋼板及受拉鋼筋開開始，及受拉鋼板板及鋼筋首先屈服服，板的變形裂縫縫迅速發(fā)展，受壓壓區(qū)不斷減小，最最后由于混凝土被被壓碎而告破壞。。通常應(yīng)以含鋼率率或x值控制。2.縱向水平剪切粘結(jié)結(jié)破壞（沿2-2）13主要由于混凝土與與壓型鋼板的界面面抗剪切滑移強(qiáng)度度不夠，使兩界面面成為組合板薄弱弱環(huán)節(jié)。破壞特征：首先在靠近支座座附近的集中荷載載處混凝土出現(xiàn)斜斜裂縫，混凝土與與壓型鋼板開始發(fā)發(fā)生垂直分離，隨隨即壓型鋼板與混混凝土喪失抗剪切切粘結(jié)能力，產(chǎn)生生較大的縱向滑移移。3.斜截面的剪切破壞壞（沿3-3）這種破壞一般發(fā)生生在當(dāng)組合板的高高跨比很大、荷載載比較大、尤其是是在集中荷載作用用時(shí)，發(fā)生支座最最大剪力處沿斜截截面剪切破壞。14圖3.4組合板破壞模式153.5組合樓板設(shè)計(jì)計(jì)算算：1、正截面承載力計(jì)計(jì)算當(dāng)塑性中和軸在壓壓型鋼板上翼緣以以上的混凝土內(nèi)，，即時(shí)時(shí)：16式中：—組合板受壓區(qū)高度度，當(dāng)時(shí)時(shí)，?。?；—組合板的有效高度度，即從壓型鋼板板重心至混凝土受受壓邊緣的距離；—壓型鋼板截面應(yīng)力力合力至混凝土受受壓區(qū)截面應(yīng)力合合力的距離；—壓型鋼板肋間距；；—單位寬度內(nèi)壓型鋼鋼板的截面面積；；—混凝土的抗壓強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值。當(dāng)塑性中和軸在壓壓型鋼板內(nèi)，即時(shí)時(shí)：：17由由式中：—塑性中和軸以上的的壓型鋼板面積；；18—壓型鋼板受拉區(qū)截截面拉應(yīng)力合力至至受壓區(qū)混凝土板板截面壓應(yīng)力合力的距離；；—壓型鋼板受拉區(qū)截截面拉應(yīng)力合力至至壓型鋼板截面壓壓應(yīng)力合力力的距離；2、斜截面承載力計(jì)算算組合板斜截面抗剪剪承載力應(yīng)滿足下下式要求：式中：—組合板一個(gè)波距內(nèi)內(nèi)斜截面最大剪應(yīng)應(yīng)力設(shè)計(jì)值；—混凝土的抗拉強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值。193、縱向抗剪承載力力計(jì)算式中：—組合板的簡(jiǎn)跨（mm)，一般可取Lv=M/N，對(duì)均布荷載下的板可取為板垮的的1/4；—組合板的平均肋寬寬；—壓型鋼板的厚度（（mm)；—組合板的抗剪承載載力（kN/m)；—組合板的縱向剪力力設(shè)計(jì)（kN/m)；—剪力粘結(jié)系數(shù)，由由實(shí)驗(yàn)確定，可參參考下列數(shù)值：20、、、組合板在達(dá)到抗彎彎承載力極限狀態(tài)態(tài)時(shí)，縱向剪力設(shè)設(shè)計(jì)值為：4、受沖切承載力計(jì)計(jì)算組合板在集中荷載載作用下的沖切力力為V1，應(yīng)滿足下式要求求：式中：—臨界周界長(zhǎng)度，如如下圖?！獕盒弯摪屙斆嬉陨仙系幕炷劣?jì)算厚厚度。213.6組合板的計(jì)算方法法和原則1．施工階段壓型鋼板作為澆筑筑混凝土的模板，，采用彈性方法計(jì)算。強(qiáng)邊（順肋肋）方向的正、負(fù)負(fù)彎矩和撓度應(yīng)按按單向板計(jì)算，弱弱邊（垂直肋）方方向不計(jì)算。施工活荷載一般按按等效均布荷載，根據(jù)施工實(shí)際情情況確定，但應(yīng)不不小于1.5kN/m2?？紤]到未和混凝土土“組合”前，壓壓型鋼板剛度較小小，變形較大，因因此混凝土體積可可能超過圖紙所標(biāo)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)體積，因因此將混凝土自重乘以1.1的系數(shù)222．使用階段（1）實(shí)用設(shè)計(jì)法當(dāng)壓型鋼板頂面以以上的混凝土厚度度為50mm至100mm時(shí)，組合板強(qiáng)邊（順肋）方向的正彎矩和撓度，按承受全部荷載載的簡(jiǎn)支單向板計(jì)算，強(qiáng)邊方向負(fù)彎矩按固端板取取值，不考慮弱邊（垂垂直肋）方向的正正、負(fù)彎矩。23（2）雙向組合板①周邊支承條件當(dāng)雙向組合板的跨跨度大致相等，且且相鄰跨是連續(xù)時(shí)時(shí)，板的周邊可視為固定邊。當(dāng)組合板相鄰跨跨度相差較大，或或壓型鋼板以上的的混凝土板不連續(xù)續(xù)時(shí)，應(yīng)將板的周周邊視為簡(jiǎn)支邊。②各向異性雙向板對(duì)于各向異性雙向向板的彎矩，可將將板形狀按有效邊邊長(zhǎng)比加以修正后視作各向同性板板的彎矩。強(qiáng)邊方方向的彎矩，取等等于弱邊方向跨度度乘以系數(shù)后所得得各向同性板在短短邊方向的彎矩；弱邊方向的彎矩，，取等于強(qiáng)邊方向向跨度乘以系數(shù)后后所得各向同性板板在長(zhǎng)邊方向的彎彎矩。24③四邊支承雙向板強(qiáng)邊（順肋）方向向按組合板設(shè)計(jì)，，弱邊（垂直肋））方向，僅取壓型型鋼板上翼緣以上上的混凝土板進(jìn)行行設(shè)計(jì)。（3）連續(xù)組合板對(duì)于連續(xù)組合板，，當(dāng)采用彈性方法進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，，若允許支座混凝凝土開裂，則可按按考慮塑性內(nèi)力重分布的計(jì)算方法，中間間支座處的負(fù)彎矩矩可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)調(diào)幅。支座負(fù)彎矩矩降低之后，跨中中正彎矩亦相應(yīng)地地增加，即應(yīng)滿足足靜力平衡條件。。253.7組合板的振動(dòng)控制制組合板的自振頻率率不能過小，否則則容易受外力干擾擾而發(fā)生較大振動(dòng)動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的安安全性和正常使用用。板的自振周期應(yīng)滿滿足：可按下列近似方法法計(jì)算自振頻率：：(3.50)(3.51)—由永久荷載產(chǎn)生的的撓度（mm）。263.8構(gòu)造要求1.壓型鋼板的板厚不小于0.75mm，一般為0.75～2.5mm。2.組合板的全高不小于90mm,壓型鋼板頂面至組組合板頂面的高度度不小于50mm.3.簡(jiǎn)支組合板的跨高比不大于25,連續(xù)組合板的跨高比不大于35。4.連續(xù)板及懸臂板的的負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)按計(jì)算配置負(fù)鋼鋼筋,總量不小于0.002bh0.275.在集中荷載或線性性荷載作用下的組組合板，應(yīng)在有效寬度bef的范圍內(nèi)配置分布筋，其其總面積不少于組組合板截面的0.2%。當(dāng)板上開洞較大大時(shí)，應(yīng)在洞口周周圍附加鋼筋。附附加鋼筋不少于被被削弱部分的面積積。6.為了防止混凝土收收縮及溫度影響,也為了分布荷載,混凝土內(nèi)應(yīng)配分布布鋼筋網(wǎng),其設(shè)置滿足混凝土土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的的要求.7.沿墻的四周及角部部,板伸入墻內(nèi),可按混凝土規(guī)范配配置板頂面的附加加鋼筋.28圖組合板的支承要求求29圖組合板與支座連接接栓釘圖壓型鋼板端部的橫橫向鋼筋303.9組合板的有限元分分析一.有限元概述1.由于壓型鋼板一混混凝土組合樓板是是由兩種不同性質(zhì)的材材料—混凝土和鋼板組合而成的,因此它的性能明顯顯地依賴于這兩種種材料的性能,特別是在非線性階階段。2.混凝土和鋼板本身身的各種非線性性性能,都不同程度地在這這種組合結(jié)構(gòu)中反反映出來(lái)。3.在用傳統(tǒng)的解析方法分析鋼一混凝土組組合結(jié)構(gòu)的非線性性問題時(shí)只能解決一些非常常簡(jiǎn)單的構(gòu)件或結(jié)結(jié)構(gòu)的計(jì)算,對(duì)于大量的組合結(jié)結(jié)構(gòu)的分析問題,只能用數(shù)值分析方法解決。有限元法作為一個(gè)強(qiáng)有力的的數(shù)值分析工具,在對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性性分析中發(fā)揮了越越來(lái)越大的作用。。314.用有限元法對(duì)鋼一混凝土組合合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)時(shí),可以在計(jì)算模型中中分別反映混凝上和鋼筋材料料的非線性特性;可以用特殊的單元模擬兩者之間的組合作作用;可以在一定程度上上模擬節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和邊界界條件;可以提供大量的結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息,如應(yīng)力,變形的全過程,結(jié)構(gòu)開裂以后的各各種狀態(tài);借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù),還可以直觀地看到結(jié)構(gòu)受荷后后從彈性變形到開開裂、破壞的全過程,為進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)計(jì)提供形象的依據(jù).32有限元法是一種離離散化的數(shù)值方法法。離散后的單元與單單元間通過節(jié)點(diǎn)相相聯(lián)系,所有力和位移都通通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算算。對(duì)每個(gè)單元,選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù),使得該函數(shù)在子域域內(nèi)部、子域分界界面上(內(nèi)部邊界)以及子域與外界分分界面(外部邊界)上都滿足一定的條件。然后把所有單元的方程組合起起來(lái),就得到了整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)的方程。求解該該方程組,就可以得到結(jié)構(gòu)的的近似解。6.有限元法的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是能夠有效地考考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性性,如邊界條件變化、、構(gòu)件剛度變化、、材料屬性變化、、溫度變化等,它還可以考慮各種參數(shù)變化時(shí)產(chǎn)生的影響響,允許進(jìn)行參數(shù)分析析計(jì)算,使分析更符合實(shí)際際。337.有限元模擬分析實(shí)實(shí)際上就是對(duì)實(shí)際際結(jié)構(gòu)的合理簡(jiǎn)化然后進(jìn)行數(shù)值分析,其成功與否主要取取決于以下幾方面面的工作:（1）單元類型的選取(2)線性材料的本構(gòu)關(guān)系(3)各種單元之間的協(xié)調(diào)(4)載荷的施加（5）非線性求解34二.單元類型對(duì)壓型鋼板一混凝凝土組合樓板的建建模,ANSYS中提供的多層殼單元,忽略壓型鋼板與混混凝土之間的滑移移.三.材料特性本構(gòu)關(guān)系所基于的的理論模型主要有:彈性理論、非線性性彈性理論、彈塑塑性理論、粘彈性性理論、粘塑性理理論、斷裂力學(xué)理理論、損傷力學(xué)理理論、內(nèi)時(shí)理論等等。慮到鋼一混凝土組組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及及計(jì)算分析的方便便,在鋼一混凝土組合合結(jié)構(gòu)非線性有限限元分析中應(yīng)用較較多的是非線性彈性理論和和彈塑性理論。35四.壓型鋼板材料特性性對(duì)于壓型鋼板來(lái)說說,由于平板被壓成凹凹凸肋,這樣就使得板的兩兩個(gè)方向的彈性模模量和泊松比有很很大的差異:順肋方向具有一定定的抗彎能力,而垂直于肋的方向向上抗彎能力較差差。因此,壓型鋼板的本構(gòu)關(guān)系采用,可以在三個(gè)方向定義不不同的雙折線應(yīng)力力一應(yīng)變關(guān)系以及及不同的拉伸、壓壓縮和剪切特性。。五.有限元模型的的建立對(duì)壓型鋼板一一混凝土組合合樓板的建模模,可采用實(shí)體模型。在組合樓層中,組合板通?？煽梢园春?jiǎn)支板板設(shè)計(jì),為便于闡述,下面就簡(jiǎn)支組組合板來(lái)介紹紹有限元模型型的建立。以以完全剪力連接接組合板為例：36六.完全剪力連接接組合板的建建?！Ｐ?.壓型鋼板的等等效壓型鋼板等價(jià)為正交各向異異性平板的等價(jià)條件是:在板邊緣施加加水平力時(shí),壓型鋼板產(chǎn)生生的位移和變變形與平板產(chǎn)產(chǎn)生的位移與變形相相等,且具有相同的尺寸和和厚度。37式中分分別別為局部坐標(biāo)標(biāo)系：軸軸方方向的等效彈彈性模量;是因y向的應(yīng)變而導(dǎo)導(dǎo)致向應(yīng)變的泊松松比,是。是是與垂垂直的的y向的泊松比;是等效剪切模模量,如圖3.7所示。這5個(gè)量中只有4個(gè)是獨(dú)立的,它們之間存在在著關(guān)系式.根據(jù)基本材料料的彈性模量量及壓型鋼板板的斷面幾何何參數(shù),利用等價(jià)條件件可以得到：：3839圖3.7等價(jià)各向異性性板的兩個(gè)方方向圖3.8矩形波壓型鋼鋼板剪切變形形及幾何尺寸寸式中b的值要通過等效原則來(lái)確定,即壓型鋼板的慣慣性矩與矩形形板的慣性矩矩相等的原則來(lái)確定,取計(jì)算結(jié)果中中的較大值。402.壓型鋼板-混凝土組合截截面殼體單元SHELL91非線性多層殼殼單元SHELL91是一個(gè)8節(jié)點(diǎn)的殼單元元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六六個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系系的x,y,z方向平動(dòng),繞節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系系的x,y,z方向轉(zhuǎn)動(dòng)。該該單元用于分分層殼模型或或者用來(lái)模擬擬厚的夾層結(jié)結(jié)構(gòu),最多可定義100個(gè)不同的層,并具有塑性功功能。該單元元的幾何形狀狀、節(jié)點(diǎn)位置置以及局部坐坐標(biāo)系如右圖圖所示。41423.10組合板研究的的熱點(diǎn)和難點(diǎn)點(diǎn)問題目前,國(guó)內(nèi)外常用的的壓型鋼板形形式有許多種種,在與混凝土組組合時(shí),混凝土板的厚厚度、強(qiáng)度也也有很多選擇擇。不同形式式的壓型鋼板板一混凝土組組合樓板的承承載力是不一一樣的,但在選用壓型鋼鋼板形式時(shí),往往以加工方方便為首要因因素,而忽略了對(duì)承載載力的有利影影響。因此,分析比較各個(gè)個(gè)因素對(duì)組合板承載力力的影響,為工程上組合合板