组合结构理论：压型钢板与混凝土组合板（PPT45）

第三章压压型钢板与与混凝土组组合板《组合结构理理论》姓名王王鹏专业结结构工程程学号1520814020171压型钢板与与混凝土组组合板目录录3.1概述43.2压型钢板板-混凝土组组合板的的类型93.3压型钢板板的形式式及截面面特征113.4组合板的的破坏模模式133.5组合板的的设计和和计算163.6组合板的的计算原原则和方方法2223.7组合楼板板的振动动控制263.8构造要求求273.9组合板的的有限元元分析313.10组合板研研究的热热点和难难点问题题4333.1概述1.基本概念念：压型型钢板与与混凝土土组合板板是20世纪60年代前后后兴起的的一种新新型组合合结构。。压型钢板板混凝土土组合楼楼板：利利用凹凸凸相间的的压型薄薄钢板做做衬板与与现浇混凝土浇筑在一一起支承承在钢梁梁上构成成整体型型楼板，，主要由由楼面层层、组合合板和钢钢梁三部部分组成成。适用用于大空空间建筑筑和高层层建筑，，在国际际上已普普遍采用用。第三讲压压型钢钢板与混混凝土组组合板452.分类（压型钢板板按其在在组合板板中的作作用可分分为三类类）：①以压型钢钢板作为为板的主主要承重重构件，，混凝土土只是作作为板的的面层以以形成平平整的表表面及起起到分布布荷载的的作用。。按钢结结构规范范进行施施工阶段段和使用用阶段计计算。②压型钢板板仅作为为浇筑混混凝土的的永久性性模板，，并作为为施工时时的操作作平台。。考虑施施工阶段段荷载，，按钢结结构计算算。使用用阶段仅仅考虑混混凝土，，按按混混凝土规规范计算算混凝土土板。以上两类类均属于于非组合合板。③考虑组合合作用的的压型钢钢板混凝凝土组合板。施工阶阶段压型型钢板作作为模板板及浇注注混凝土土的作业业平台。。使用阶阶段，压压型钢板板相当于于钢筋混混凝土板板中的受受拉6钢筋，在在全部静静载及活活载作用用下，考考虑二者者的作用用。本章章主要讲讲第三类类，即组组合楼板板。3.组合楼板板优点1)压型钢板板作为浇浇灌混凝凝土的模模板，节节省了大大量木模模板及其其支撑。。2)压型钢板板工厂生生产、运运输、堆堆放方便便，节省省大量支支模工作作，并且且改善了了施工条条件。3)在使用阶阶段，由由于组合合作用，，可代替替受拉钢钢筋。减减少了钢钢筋的制制作与安安装工作作。74)刚度大，，自重轻轻。5)便于敷设设通信、、电力、、采暖等等管线。。6)便于立体体作业，，加快施施工进度度，缩短短工期。。7)可直接做做顶棚。。8)减小了发发生火灾灾的可能能性。83.2压型钢板板-混凝土组组合楼板板的类型型有：1、在压型钢钢板上设设置压痕痕，以增增加叠合合面上的的机械粘粘结，如如图（a)2、改变压型型钢板截截面形式式，以增增加叠合合面上的的摩擦粘粘结，如如图（b)3、在压型钢钢板上翼翼缘焊接接横向钢钢筋，如如图（c)4、在压型钢钢板端部部设置栓栓钉连接接件，以以增加柱柱和板端端部锚固固，如图图（d)9103.3压型钢板板的形式式及截面面特征3.3.1压型钢板板的形式式：(1)闭口形槽槽口的压压型钢板板(图3.1a)(2)轧齿槽或或开小孔孔的压型型钢板(图3.1b)(3)加焊钢筋筋的压型型钢板(图3.1c)图3.1113.3.2压型钢板板的截面面特征1.受压翼缘缘的有效效计算宽宽度在与腹板板交接处处应力最最大，距距腹板愈愈远，应应力愈小小，呈曲曲线递减减。实用用上常把把翼缘的的应力分分布简化化成在有有效宽度度上的均均布分布布。可近近似取，，t为压型钢钢板板厚厚。2对压型钢钢板的要要求压型钢板板的厚度度一般不不应小于于0.75mm。为便于浇浇灌混凝凝土，要要求压型型钢板的的平均槽槽宽不小小于50mm。当在槽槽内设置置带头栓栓钉时，，压型钢钢板的总总高，包包括刻痕痕在内不不应大于于80mm.123.4.组合板的的破坏模模式（见图3.4）1.弯曲破坏坏（沿1-1）当组合板板中含钢钢量适当当时，破破坏是从从受拉区区压型钢钢板及受受拉钢筋筋开始，，及受拉拉钢板及及钢筋首首先屈服服，板的的变形裂裂缝迅速速发展，，受压区区不断减减小，最最后由于于混凝土土被压碎碎而告破破坏。通通常应以以含钢率率或x值控制。。2.纵向水平平剪切粘粘结破坏坏（沿2-2）13主要由于于混凝土土与压型型钢板的的界面抗抗剪切滑滑移强度度不够，，使两界界面成为为组合板板薄弱环环节。破坏特征征：首先在在靠近支支座附近近的集中中荷载处处混凝土土出现斜斜裂缝，，混凝土土与压型型钢板开开始发生生垂直分分离，随随即压型型钢板与与混凝土土丧失抗抗剪切粘粘结能力力，产生生较大的的纵向滑滑移。3.斜截面的的剪切破破坏（沿3-3）这种破坏坏一般发发生在当当组合板板的高跨跨比很大大、荷载载比较大大、尤其其是在集集中荷载载作用时时，发生生支座最最大剪力力处沿斜斜截面剪剪切破坏坏。14图3.4组合板破破坏模式式153.5组合楼板板设计计计算：1、正截面面承载力力计算当塑性中中和轴在在压型钢钢板上翼翼缘以上上的混凝凝土内，，即时时：16式中：—组合板受受压区高高度，当当时时，取取；；—组合板的的有效高高度，即即从压型型钢板重重心至混混凝土受受压边缘的距距离；—压型钢板板截面应应力合力力至混凝凝土受压压区截面面应力合合力的距离；；—压型钢板板肋间距距；—单位宽度度内压型型钢板的的截面面面积；—混凝土的的抗压强强度设计计值。当塑性中中和轴在在压型钢钢板内，，即时时：17由由式中：—塑性中和和轴以上上的压型型钢板面面积；18—压型钢板板受拉区区截面拉拉应力合合力至受受压区混混凝土板板截面压压应力合力力的距离离；—压型钢板板受拉区区截面拉拉应力合合力至压压型钢板板截面压压应力合合力力的距离离；2、斜截面承承载力计计算组合板斜斜截面抗抗剪承载载力应满满足下式式要求：：式中：—组合板一一个波距距内斜截截面最大大剪应力力设计值值；—混凝土的的抗拉强强度设计计值。193、纵向抗抗剪承载载力计算算式中：—组合板的的简跨（（mm)，一般可可取Lv=M/N，对均布荷荷载下的板可取取为板垮垮的1/4；—组合板的的平均肋肋宽；—压型钢板板的厚度度（mm)；—组合板的的抗剪承承载力（（kN/m)；—组合板的的纵向剪剪力设计计（kN/m)；—剪力粘结结系数，，由实验验确定，，可参考考下列数数值：20、、、组合板在在达到抗抗弯承载载力极限限状态时时，纵向向剪力设设计值为为：4、受冲切切承载力力计算组合板在在集中荷荷载作用用下的冲冲切力为为V1，应满足足下式要要求：式中：—临界周界界长度，，如下图图。—压型钢板板顶面以以上的混混凝土计计算厚度度。213.6组合板的的计算方方法和原原则1．施工阶阶段压型钢板板作为浇浇筑混凝凝土的模模板，采采用弹性方法法计算。强强边（顺顺肋）方方向的正正、负弯弯矩和挠挠度应按按单向板板计算，，弱边（（垂直肋肋）方向向不计算算。施工活荷荷载一般般按等效均布布荷载，根据施施工实际际情况确确定，但但应不小小于1.5kN/m2。考虑到未未和混凝凝土“组组合”前前，压型型钢板刚刚度较小小，变形形较大，，因此混混凝土体体积可能能超过图图纸所标标的标准准体积，，因此将将混凝土自自重乘以以1.1的系数222．使用阶阶段（1）实用设设计法当压型钢板顶顶面以上的混混凝土厚度为为50mm至100mm时，组合板强边（顺肋）方向向的正弯矩和挠度度，按承受全部部荷载的简支单向板计算，强边方向负弯矩按固端端板取值，不考虑弱边边（垂直肋））方向的正、、负弯矩。23（2）双向组合板板①周边支承条件件当双向组合板板的跨度大致致相等，且相相邻跨是连续续时，板的周周边可视为固定边边。当组合板相相邻跨度相差差较大，或压压型钢板以上上的混凝土板板不连续时，，应将板的周周边视为简支边。②各向异性双向向板对于各向异性性双向板的弯弯矩，可将板板形状按有效效边长比加以以修正后视作各向同同性板的弯矩矩。强边方向向的弯矩，取取等于弱边方方向跨度乘以以系数后所得得各向同性板板在短边方向向的弯矩；弱边方向的弯弯矩，取等于于强边方向跨跨度乘以系数数后所得各向向同性板在长长边方向的弯弯矩。24③四边支承双向向板强边（顺肋））方向按组合合板设计，弱弱边（垂直肋肋）方向，仅仅取压型钢板板上翼缘以上上的混凝土板板进行设计。。（3）连续组合板板对于连续组合合板，当采用用弹性方法进行内力分析析时，若允许许支座混凝土土开裂，则可可按考虑塑性性内力重分布的计算方法，，中间支座处处的负弯矩可可适当地进行行调幅。支座座负弯矩降低低之后，跨中中正弯矩亦相相应地增加，，即应满足静静力平衡条件件。253.7组合板的振动动控制组合板的自振振频率不能过过小，否则容容易受外力干干扰而发生较较大振动，影影响结构的安安全性和正常常使用。板的自振周期期应满足：可按下列近似似方法计算自自振频率：(3.50)(3.51)—由永久荷载产产生的挠度（（mm）。263.8构造要求1.压型钢板的板厚不小于0.75mm，一般为0.75～2.5mm。2.组合板的全高不小于90mm,压型钢板顶面面至组合板顶顶面的高度不不小于50mm.3.简支组合板的跨高比不大于25,连续组合板的跨高比不大大于35。4.连续板及悬臂臂板的负弯矩区应按计算配置置负钢筋,总量不小于0.002bh0.275.在集中荷载或或线性荷载作作用下的组合合板，应在有效宽度bef的范围内配置分布筋筋，其总面积积不少于组合合板截面的0.2%。当板上开洞洞较大时，应应在洞口周围围附加钢筋。。附加钢筋不不少于被削弱弱部分的面积积。6.为了防止混凝凝土收缩及温温度影响,也为了分布荷荷载,混凝土内应配配分布钢筋网网,其设置满足混混凝土结构设设计规范的要要求.7.沿墙的四周及及角部,板伸入墙内,可按混凝土规规范配置板顶顶面的附加钢钢筋.28图组合板的支承承要求29图组合板与支座座连接栓钉图压型钢板端部部的横向钢筋筋303.9组合板的有限限元分析一.有限元概述1.由于压型钢板板一混凝土组组合楼板是由由两种不同性质质的材料—混凝土和钢板板组合而成的,因此它的性能能明显地依赖赖于这两种材材料的性能,特别是在非线线性阶段。2.混凝土和钢板板本身的各种种非线性性能能,都不同程度地地在这种组合合结构中反映映出来。3.在用传传统的的解析方方法分析钢钢一混混凝土土组合合结构构的非非线性性问题题时只能解解决一一些非非常简简单的的构件件或结结构的计算算,对于大大量的的组合合结构构的分分析问问题,只能用用数值分分析方方法解决。。有限元元法作为一一个强强有力力的数数值分分析工工具,在对结结构的的非线线性分分析中中发挥挥了越越来越越大的的作用用。314.用有限元元法对钢一一混凝凝土组组合结结构进进行分分析时时,可以在在计算算模型型中分别反反映混凝上上和钢钢筋材材料的的非线性性特性性;可以用用特殊殊的单元模模拟两者之之间的的组合合作用用;可以在在一定定程度度上模拟节点的的构造造和边边界条条件;可以提提供大大量的的结构反反应信息,如应力力,变形的的全过过程,结构开开裂以以后的的各种种状态态;借助先进的的计算机机图形形显示示技术,还可以以直观地看到到结构构受荷荷后从从弹性性变形形到开开裂、、破坏坏的全过程程,为进行行合理理的设设计提供形形象的的依据据.32有限元元法是是一种种离散散化的的数值值方法法。离散后后的单单元与与单元元间通通过节节点相相联系系,所有力力和位位移都都通过过节点点进行行计算算。对每个个单元元,选取适适当的的插值值函数数,使得该该函数数在子子域内内部、、子域域分界界面上上(内部边边界)以及子子域与与外界界分界界面(外部边边界)上都满足一一定的的条件件。然后后把所所有单元的的方程程组合合起来来,就得到到了整整个结结构的的方程程。求求解该该方程程组,就可以以得到到结构构的近似解解。6.有限元元法的的一个个突出优优点就是能能够有有效地地考虑虑结构构的复复杂性性,如边界界条件件变化化、构构件刚刚度变变化、、材料料属性性变化化、温温度变变化等等,它还可以考虑各种参数数变化时产生的的影响,允许进行参数数分析计算,使分析更符合合实际。337.有限元模拟分分析实际上就就是对实际结结构的合理简化然后进行数值分析,其成功与否主主要取决于以以下几方面的的工作:（1）单元类型的选取(2)线性材料的本构关系(3)各种单元之间间的协调(4)载荷的施加（5）非线性求解解34二.单元类型对压型钢板一一混凝土组合合楼板的建模模,ANSYS中提供的多层壳单元,忽略压型钢板板与混凝土之之间的滑移.三.材料特性本构关系所基基于的理论模型主要有:弹性理论、非非线性弹性理理论、弹塑性性理论、粘弹弹性理论、粘粘塑性理论、、断裂力学理理论、损伤力力学理论、内内时理论等。。虑到钢一混凝凝土组合结构构的特点及计计算分析的方方便,在钢一混凝土土组合结构非非线性有限元元分析中应用用较多的是非线性弹性理理论和弹塑性性理论。35四.压型钢板材料料特性对于压型钢板板来说,由于平板被压压成凹凸肋,这样就使得板板的两个方向向的弹性模量量和泊松比有有很大的差异异:顺肋方向具有有一定的抗弯弯能力,而垂直于肋的的方向上抗弯弯能力较差。。因此,压型钢板的本构关系采用,可以在三个方向定定义不同的双双折线应力一一应变关系以以及不同的拉拉伸、压缩和和剪切特性。。五.有限元模型的的建立对压型钢板一一混凝土组合合楼板的建模模,可采用实体模型。在组合楼层中,组合板通常可可以按简支板板设计,为便于阐述,下面就简支组组合板来介绍绍有限元模型型的建立。以以完全剪力连接接组合板为例：36六.完全剪力连接接组合板的建建模—模型1.压型钢板的等等效压型钢板等价为正交各向异异性平板的等价条件是:在板边缘施加加水平力时,压型钢板产生生的位移和变变形与平板产产生的位移与变形相相等,且具有相同的尺寸和和厚度。37式中分分别别为局部坐标标系：轴轴方方向的等效弹弹性模量;是因y向的应变而导导致向应变的泊松松比,是。是是与垂垂直的的y向的泊松比;是等效剪切模模量,如图3.7所示。这5个量中只有4个是独立的,它们之间存在在着关系式.根据基本材料料的弹性模量量及压型钢板板的断面几何何参数,利用等价条件件可以得到：：3839图3.7等价各向异性性板的两个方方向图3.8矩形波压型钢钢板剪切变形形及几何尺寸寸式中b的值要通过等效原则来确定,即压型钢板的惯惯性矩与矩形形板的惯性矩矩相等的原则来确定,取计算结果中中的较大值。402.压型钢板-混凝土组合截截面壳体单元SHELL91非线性多层壳壳单元SHELL91是一个8节点的壳单元元,每个节点有六六个自由度:沿节点坐标系系的x,y,z方向平动,绕节点坐标系系的x,y,z方向转动。该该单元用于分分层壳模型或或者用来模拟拟厚的夹层结结构,最多可定义100个不同的层,并具有塑性功功能。该单元元的几何形状状、节点位置置以及局部坐坐标系如右图图所示。41423.10组合板研究的的热点和难点点问题目前,国内外常用的的压型钢板形形式有许多种种,在与混凝土组组合时,混凝土板的厚厚度、强度也也有很多选择择。不同形式式的压型钢板板一混凝土组组合楼板的承承载力是不一一样的,但在选用压型钢钢板形式时,往往以加工方方便为首要因因素,而忽略了对承载载力的有利影影响。因此,分析比较各个个因素对组合板承载力力的影响,为工程上组合合板各参数的的选择提供理理论依据是很很有必要的。。到目前为止,各国规范都规规定,压型钢板板一混凝凝土组合合楼板界界面的抗抗剪强度度计算必必须以试