方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的設(shè)計(jì)

文/全春花 吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130012【摘要】本文主要分了三大部分進(jìn)行了輕鋼組合樓板（方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板）的試驗(yàn)研究，通過(guò)大量的試驗(yàn)研究輕鋼組合樓板的工作機(jī)理，分析影響輕鋼組合樓板工作性能的主要因素，提出輕鋼組合樓板抗彎承載力的計(jì)算方法，并且得出了輕鋼組合樓板的特點(diǎn)和以后改進(jìn)的方向。

輕鋼結(jié)構(gòu)；組合樓板；經(jīng)濟(jì)分析

0　前言

在建筑地上部分的總重中，各層樓板的自重約占

4 0%左右。所以，減小樓板自重是減輕房屋總重的最佳途徑。而房屋重量主要由基礎(chǔ)傳遞給地基承擔(dān)，基礎(chǔ)費(fèi)用一般能夠占到工程直接費(fèi)的 20%以上。因此，開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)的樓板結(jié)構(gòu)形式對(duì)于降低鋼結(jié)構(gòu)住宅價(jià)格具有直接影響。另外，還可降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而提高多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的性能價(jià)格比，真正能夠?qū)⑦@種綠色環(huán)保型建筑在我國(guó)得到推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)目前已加大投資和政策扶持力度，開(kāi)發(fā)出一系列適用于多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓板形式。與目前應(yīng)用較多的普通混凝土組合樓板相比，

輕骨料混凝土組合樓板的開(kāi)發(fā)還處于空白。由于種種原因，不僅掌握的信息少，而且實(shí)質(zhì)性的科研工作尚未起步。鑒于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑領(lǐng)域中廣闊的應(yīng)用前景以及輕骨料混凝土與普通混凝土相比所具有的一系列優(yōu)越性，對(duì)輕骨料混凝土組合樓板的研究具有深遠(yuǎn)意義。

1　樓板試驗(yàn)

1.1材料準(zhǔn)備

薄壁型鋼-輕骨料混凝土組合樓板是由薄壁方鋼管和扁鋼還有輕骨料混凝土組合而成的新型的輕鋼樓板。

1、方鋼管和扁鋼

組合樓板的鋼骨架見(jiàn)圖1，鋼材的材料以及力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1　鋼材料幾何及力學(xué)性能

組合樓板的鋼骨架如圖1所示：

圖1　樓板鋼骨架

2、輕骨料混凝土

采用 CL30陶粒輕骨料混凝土，樓板厚80mm。澆注時(shí)采用平板振搗器振搗，同時(shí)澆注混凝土立方體試塊（150mm×150mm× 150mm）三組，自然養(yǎng)護(hù)，混凝土試塊的強(qiáng)度試驗(yàn)與試件的試驗(yàn)同一天進(jìn)行。

1.2試驗(yàn)加載測(cè)試方法

1、試驗(yàn)加載裝置

方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板總長(zhǎng)2900mm，兩端簡(jiǎn)支，支座間距為2750mm，采用油壓千斤頂通過(guò)分配梁對(duì)兩點(diǎn)集中分級(jí)加載。實(shí)驗(yàn)室提供的50kN電動(dòng)液壓千斤頂滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖2。

圖2　試驗(yàn)加載示意圖

2、加載方法

加載程序采用豎向分級(jí)加載法，每級(jí)1.5kN～3kN。加載前預(yù)加載 1～2級(jí)，以檢查各量測(cè)儀表是否正常工作，應(yīng)變片粘貼是否牢固以及是否有壞片，并觀察其力-變形是否正常。檢查調(diào)整完畢，卸去荷載，記錄儀表的初始讀數(shù)，開(kāi)始正式加載。加每級(jí)荷載后，持續(xù)約5分鐘，以保證荷載、變形穩(wěn)定，然后讀取數(shù)據(jù)。對(duì)每級(jí)荷載下的裂縫發(fā)展詳細(xì)記錄。逐級(jí)加載，直至構(gòu)件破壞。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1組合樓板破壞過(guò)程分析

從試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，組合樓板主要發(fā)生彎曲破壞。主要表現(xiàn)為首先板底部出現(xiàn)裂縫，鋼管底部屈服，樓板頂部屈服，跨中撓度達(dá)到48mm，超過(guò)了樓板極限撓度值，可是樓板頂部混凝土未壓碎。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變值，分別得到方鋼管底部的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線圖和樓板頂部的混凝土荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線圖，如圖 3、圖4所示。組合樓板受力過(guò)程可分為彈性、彈塑性及破壞三個(gè)階段。

圖3　鋼管底部荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4　樓板頂面荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2組合樓板承載力及分析

本試驗(yàn)研究方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的極限承載力性能，組合樓板兩端簡(jiǎn)支，采用油壓千斤頂通過(guò)分配梁對(duì)兩點(diǎn)集中加載，實(shí)測(cè)承載力見(jiàn)表2。

表2　組合樓板承載力試驗(yàn)結(jié)果

2.3組合樓板荷載-撓度曲線及分析

組合樓板試件的荷載-撓度關(guān)系曲線如圖 5所示，可以看出，在加載初期，試件處于彈性工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)裂荷載之前，荷載-撓度關(guān)系曲線基本呈直線，撓度增長(zhǎng)較慢。當(dāng)組合樓板底部出現(xiàn)裂縫時(shí)，曲線發(fā)生較明顯轉(zhuǎn)折，呈非線性性質(zhì)，撓度增長(zhǎng)速度加快。隨著荷載增加，裂縫不斷發(fā)展，中和軸逐漸上移，組合板有效剛度越來(lái)越小，在方鋼管底部達(dá)到屈服時(shí)，撓度加速發(fā)展，樓板最大撓度達(dá)到48mm時(shí)停止加載，宣告樓板破壞。

圖5　樓板荷載-撓度關(guān)系曲線

2.4組合樓板荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線及分析

（1）平截面假定的驗(yàn)證

方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板正截面抗彎承載力計(jì)算應(yīng)以極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)為依據(jù)，計(jì)算時(shí)所采用的四條基本假定中，其中之一：在組合板中，混凝土與方鋼管的交界面上滑移很小，混凝土與方鋼管始終保持共同工作，截面應(yīng)變符合平截面假定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，做出樓板截面應(yīng)變分布曲線，如圖6。

圖6　樓板截面應(yīng)變分布曲線

（2）同截面鋼管及混凝土應(yīng)變變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作出組合樓板的相同截面不同荷載下應(yīng)變變化曲線，由材性試驗(yàn)可知，方鋼管的屈服應(yīng)變?yōu)椤脑嚰膽?yīng)變曲線可以看出，跨中截面隨著荷載的增加鋼管跟混凝土的應(yīng)變變化是比較均勻的。

試件破壞時(shí)，鋼管底部、頂部均屈服（鋼管底部應(yīng)變值達(dá)到 3000μ），混凝土上表面未壓碎，應(yīng)變值達(dá)到 2000μ，其極限承載力較低，而延性非常好。破壞時(shí)鋼管充分屈服，樓板上側(cè)混凝土未壓碎，受壓性能未能充分發(fā)揮，組合板發(fā)生彎曲破壞。

2.5方鋼管一輕骨料混凝土組合樓板的理論分析

一.板受壓區(qū)高度和有效高度的計(jì)算

1）受壓區(qū)高度的計(jì)算。

當(dāng)方鋼管全截面受拉屈服時(shí)，樓板混凝土受壓區(qū)高度是在鋼管頂部到樓板頂面之間，就是說(shuō)受壓區(qū)高度x ＜24mm時(shí)

式中： fy——鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取f=297N/mm2；y

As——鋼管截面面積，取A=206.64×5=1033.2mm2；s

fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取fc=25.7N/mm2；

b——樓板寬度，取b=1100mm；

x——混凝土受壓區(qū)高度。

則 得出 x=10.8mm

2）樓板有效高度的計(jì)算

根據(jù)鋼管截面應(yīng)變分布曲線可以畫出模擬應(yīng)變分布的圖7，通過(guò)以下公式可以算出此方鋼管受力的形心位置。

y=19.8mm

圖7　鋼管截面受力應(yīng)變模擬圖

從這個(gè)結(jié)果可以得知組合樓板采用方鋼管時(shí)鋼管受力形心位置略有下移，可以偏于安全地取鋼管受力形心位于鋼管的形心位置。

組合樓板的有效高度可取方鋼管形心到組合樓板上表面的距離，即h0=80-20.5-15=44.5mm。

二.正截面受彎承載力計(jì)算

組合樓板的極限彎矩按以下公式計(jì)算

式中 fy——鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

h0——組合樓板有效高度，取方鋼管中心到樓板頂面的距離；

A s——鋼管截面面積；

x——混凝土受壓區(qū)高度。

采用以上公式算出組合樓板正截面受彎極限承載力為

由試驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)試件加載到Pu=27kN時(shí)，組合樓板破壞，此時(shí)方鋼管是全截面屈服的，其抗彎承載力為Mt=12.4kN·m。將極限彎矩的理論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　試驗(yàn)結(jié)果比較

由對(duì)比結(jié)果Mt/Mu=1.03可知混凝土樓板采用方鋼管代替受拉鋼筋時(shí)算樓板的極限承載力時(shí)可以用（3）公式計(jì)算。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的試驗(yàn)可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1）當(dāng)樓板采用薄壁型鋼替代板中受拉鋼筋的作用時(shí)，本試驗(yàn)的組合樓板配筋率略高于混凝土樓板的配筋率，但可選用壁厚更小的型鋼使組合樓板的配筋率減少，同時(shí)降低組合樓板的造價(jià)。

2）本試驗(yàn)采用薄壁型鋼-輕骨料混凝土組合樓板，由于該組合樓板的自重比普通鋼筋混凝土樓板輕三分之一，采用該組合樓板可以減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量，從而降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的造價(jià)。因此應(yīng)用該組合樓板對(duì)于降輕鋼結(jié)構(gòu)住宅總體造價(jià)具有重要意義。

3）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知當(dāng)混凝土樓板采用薄壁方鋼管時(shí)樓板的延性比鋼筋混凝土樓板要提高很多，從圖 5可以看出，當(dāng)樓板的撓度達(dá)到48mm時(shí)曲線仍是上升趨勢(shì)，所以此樓板適合在地震區(qū)住宅結(jié)構(gòu)中使用。

4）計(jì)算方鋼管-輕骨料混凝土組合樓板的極限承載力公式可以用鋼筋混凝土樓板的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，表3的結(jié)果表明可以采用（3）式計(jì)算出方鋼管組合樓板的抗彎極限承載力。

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全春花（1983～ ），女，吉林省長(zhǎng)春市人。