压型钢板与混凝土组合板

第三章压型钢板与混凝土组合板《组合结构理论》姓名王鹏专业结构工程学号1520814020171压型钢板与混凝土组合板目录3.1概述43.2压型钢板-混凝土组合板的类型93.3压型钢板的形式及截面特征113.4组合板的破坏模式133.5组合板的设计和计算163.6组合板的计算原则和方法2223.7组合楼板的振动控制263.8构造要求273.9组合板的有限元分析313.10组合板研究的热点和难点问题4333.1概述1.基本概念：压型钢板与混凝土组合板是20世纪60年代前后兴起的一种新型组合结构。压型钢板混凝土组合楼板：利用凹凸相间的压型薄钢板做衬板与现浇混凝土浇筑在一起支承在钢梁上构成整体型楼板，主要由楼面层、组合板和钢梁三部分组成。适用于大空间建筑和高层建筑，在国际上已普遍采用。

第三讲压型钢板与混凝土组合板

452.分类（压型钢板按其在组合板中的作用可分为三类）：

①以压型钢板作为板的主要承重构件，混凝土只是作为板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用。按钢结构规范进行施工阶段和使用阶段计算。②压型钢板仅作为浇筑混凝土的永久性模板，并作为施工时的操作平台。考虑施工阶段荷载，按钢结构计算。使用阶段仅考虑混凝土，按按混凝土规范计算混凝土板。以上两类均属于非组合板。③考虑组合作用的压型钢板混凝土组合板。施工阶段压型钢板作为模板及浇注混凝土的作业平台。使用阶段，压型钢板相当于钢筋混凝土板中的受拉6钢筋，在全部静载及活载作用下，考虑二者的作用。本章主要讲第三类，即组合楼板。3.组合楼板优点1)压型钢板作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及其支撑。2)压型钢板工厂生产、运输、堆放方便，节省大量支模工作，并且改善了施工条件。3)在使用阶段，由于组合作用，可代替受拉钢筋。减少了钢筋的制作与安装工作。7

4)刚度大，自重轻。5)便于敷设通信、电力、采暖等管线。6)便于立体作业，加快施工进度，缩短工期。7)可直接做顶棚。8)减小了发生火灾的可能性。83.2压型钢板-混凝土组合楼板的类型有：1、在压型钢板上设置压痕，以增加叠合面上的机械粘结，如图（a)2、改变压型钢板截面形式，以增加叠合面上的摩擦粘结，如图（b)3、在压型钢板上翼缘焊接横向钢筋，如图（c)4、在压型钢板端部设置栓钉连接件，以增加柱和板端部锚固，如图（d)9103.3压型钢板的形式式及截面特征3.3.1压型钢板的形式式：(1)闭口形槽口的压压型钢板(图3.1a)(2)轧齿槽或开小孔孔的压型钢板(图3.1b)(3)加焊钢筋的压型型钢板(图3.1c)图3.1113.3.2压型钢板的截面面特征1.受压翼缘的有效效计算宽度在与腹板交接处处应力最大，距距腹板愈远，应应力愈小，呈曲曲线递减。实用用上常把翼缘的的应力分布简化化成在有效宽度度上的均布分布布。可近似取，，t为压型钢板板厚厚。2对压型钢板的要要求压型钢板的厚度度一般不应小于于0.75mm。为便于浇灌混凝凝土，要求压型型钢板的平均槽槽宽不小于50mm。当在槽内设置置带头栓钉时，，压型钢板的总总高，包括刻痕痕在内不应大于于80mm.123.4.组合板的破坏模模式（见图3.4）1.弯曲破坏（沿1-1）当组合板中含钢钢量适当时，破破坏是从受拉区区压型钢板及受受拉钢筋开始，，及受拉钢板及及钢筋首先屈服服，板的变形裂裂缝迅速发展，，受压区不断减减小，最后由于于混凝土被压碎碎而告破坏。通通常应以含钢率率或x值控制。2.纵向水平剪切粘粘结破坏（沿2-2）13主要由于混凝土土与压型钢板的的界面抗剪切滑滑移强度不够，，使两界面成为为组合板薄弱环环节。破坏特征：首先在靠近支支座附近的集中中荷载处混凝土土出现斜裂缝，，混凝土与压型型钢板开始发生生垂直分离，随随即压型钢板与与混凝土丧失抗抗剪切粘结能力力，产生较大的的纵向滑移。3.斜截面的剪切破破坏（沿3-3）这种破坏一般发发生在当组合板板的高跨比很大大、荷载比较大大、尤其是在集集中荷载作用时时，发生支座最最大剪力处沿斜斜截面剪切破坏坏。14图3.4组合板破坏模式式153.5组合楼板设计计计算：1、正截面承载力力计算当塑性中和轴在在压型钢板上翼翼缘以上的混凝凝土内，即时时：16式中：—组合板受压区高高度，当时时，取取；；—组合板的有效高高度，即从压型型钢板重心至混混凝土受压边缘的距离；—压型钢板截面应应力合力至混凝凝土受压区截面面应力合力的距离；—压型钢板肋间距距；—单位宽度内压型型钢板的截面面面积；—混凝土的抗压强强度设计值。当塑性中和轴在在压型钢板内，，即时时：17由由式中：—塑性中和轴以上上的压型钢板面面积；18—压型钢板受拉区区截面拉应力合合力至受压区混混凝土板截面压压应力合力的距离离；—压型钢板受拉区区截面拉应力合合力至压型钢板板截面压应力合合力力的距离；2、斜截面承载力计计算组合板斜截面抗抗剪承载力应满满足下式要求：：式中：—组合板一个波距距内斜截面最大大剪应力设计值值；—混凝土的抗拉强强度设计值。193、纵向抗剪承载载力计算式中：—组合板的简跨（（mm)，一般可取Lv=M/N，对均布荷载下的板可取为板垮垮的1/4；—组合板的平均肋肋宽；—压型钢板的厚度度（mm)；—组合板的抗剪承承载力（kN/m)；—组合板的纵向剪剪力设计（kN/m)；—剪力粘结系数，，由实验确定，，可参考下列数数值：20、、、组合板在达到抗抗弯承载力极限限状态时，纵向向剪力设计值为为：4、受冲切承载力力计算组合板在集中荷荷载作用下的冲冲切力为V1，应满足下式要要求：式中：—临界周界长度，，如下图。—压型钢板顶面以以上的混凝土计计算厚度。213.6组合板的计算方方法和原则1．施工阶段压型钢板作为浇浇筑混凝土的模模板，采用弹性方法计算。强边（顺顺肋）方向的正正、负弯矩和挠挠度应按单向板板计算，弱边（（垂直肋）方向向不计算。施工活荷载一般般按等效均布荷载，根据施工实际际情况确定，但但应不小于1.5kN/m2。考虑到未和混凝凝土“组合”前前，压型钢板刚刚度较小，变形形较大，因此混混凝土体积可能能超过图纸所标标的标准体积，，因此将混凝土自重乘以以1.1的系数222．使用阶段（1）实用设计法当压型钢板顶面面以上的混凝土土厚度为50mm至100mm时，组合板强边（顺肋）方向的的正弯矩和挠度，按承受全部荷荷载的简支单向板计算，强边方向负弯矩按固端板板取值，不考虑弱边（（垂直肋）方向向的正、负弯矩矩。23（2）双向组合板①周边支承条件当双向组合板的的跨度大致相等等，且相邻跨是是连续时，板的的周边可视为固定边。当组合板相邻邻跨度相差较大大，或压型钢板板以上的混凝土土板不连续时，，应将板的周边边视为简支边。②各向异性双向板板对于各向异性双双向板的弯矩，，可将板形状按按有效边长比加加以修正后视作各向同性性板的弯矩。强强边方向的弯矩矩，取等于弱边边方向跨度乘以以系数后所得各各向同性板在短短边方向的弯矩矩；弱边方向的弯矩矩，取等于强边边方向跨度乘以以系数后所得各各向同性板在长长边方向的弯矩矩。24③四边支支承双双向板板强边（（顺肋肋）方方向按按组合合板设设计，，弱边边（垂垂直肋肋）方方向，，仅取取压型型钢板板上翼翼缘以以上的的混凝凝土板板进行行设计计。（3）连续续组合合板对于连连续组组合板板，当当采用用弹性方方法进行内内力分分析时时，若若允许许支座座混凝凝土开开裂，，则可可按考考虑塑塑性内力重重分布布的计算算方法法，中中间支支座处处的负负弯矩矩可适适当地地进行行调幅幅。支支座负负弯矩矩降低低之后后，跨跨中正正弯矩矩亦相相应地地增加加，即即应满满足静静力平平衡条条件。。253.7组合板板的振振动控控制组合板板的自自振频频率不不能过过小，，否则则容易易受外外力干干扰而而发生生较大大振动动，影影响结结构的的安全全性和和正常常使用用。板的自自振周周期应应满足足：可按下下列近近似方方法计计算自自振频频率：：(3.50)(3.51)—由永久久荷载载产生生的挠挠度（（mm）。263.8构造要要求1.压型钢钢板的的板厚不小于于0.75mm，一般般为0.75～2.5mm。2.组合板板的全高不小于于90mm,压型钢钢板顶顶面至至组合合板顶顶面的的高度度不小小于50mm.3.简支组组合板板的跨高比比不大于于25,连续组组合板板的跨高高比不不大于于35。4.连续板板及悬悬臂板板的负弯矩矩区应按计计算配配置负负钢筋筋,总量不不小于于0.002bh0.275.在集中中荷载载或线线性荷荷载作作用下下的组组合板板，应应在有效宽宽度bef的范围围内配置置分布布筋，，其总总面积积不少少于组组合板板截面面的0.2%。当板板上开开洞较较大时时，应应在洞洞口周周围附附加钢钢筋。。附加加钢筋筋不少少于被被削弱弱部分分的面面积。。6.为了防防止混混凝土土收缩缩及温温度影影响,也为了了分布布荷载载,混凝土土内应应配分分布钢钢筋网网,其设置置满足足混凝凝土结结构设设计规规范的的要求求.7.沿墙的的四周周及角角部,板伸入入墙内内,可按混混凝土土规范范配置置板顶顶面的的附加加钢筋筋.28图组合板板的支支承要要求29图组合板板与支支座连连接栓栓钉图压型钢钢板端端部的的横向向钢筋筋303.9组合板板的有有限元元分析析一.有限元元概述述1.由于压压型钢钢板一一混凝凝土组组合楼楼板是是由两种不不同性性质的的材料料—混凝土土和钢钢板组合而成的的,因此它它的性性能明明显地地依赖赖于这这两种种材料料的性性能,特别是是在非非线性性阶段段。2.混凝土土和钢钢板本本身的的各种种非线线性性性能,都不同同程度度地在在这种种组合合结构构中反反映出出来。。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,它还可可以考虑各各种参参数变化时时产生生的影影响,允许进进行参参数分分析计计算,使分析析更符符合实实际。。337.有限元元模拟拟分析析实际际上就就是对对实际际结构构的合理简简化然后进进行数值分分析,其成功功与否否主要要取决决于以以下几几方面面的工工作:（1）单元类类型的选取取(2)线性材材料的的本构关关系(3)各种单单元之之间的的协调(4)载荷的的施加加（5）非线线性求求解34二.单元类类型对压型型钢板板一混混凝土土组合合楼板板的建建模,ANSYS中提供供的多层壳壳单元元,忽略压压型钢钢板与与混凝凝土之之间的的滑移移.三.材料特特性本构关关系所所基于于的理论模模型主要有有:弹性理理论、、非线线性弹弹性理理论、、弹塑塑性理理论、、粘弹弹性理理论、、粘塑塑性理理论、、断裂裂力学学理论论、损损伤力力学理理论、、内时时理论论等。。虑到钢钢一混混凝土土组合合结构构的特特点及及计算算分析析的方方便,在钢一一混凝凝土组组合结结构非非线性性有限限元分分析中中应用用较多多的是是非线性性弹性性理论论和弹弹塑性性理论论。35四.压型钢钢板材材料特特性对于压压型钢钢板来来说,由于平平板被被压成成凹凸凸肋,这样就就使得得板的的两个个方向向的弹弹性模模量和和泊松松比有有很大大的差差异:顺肋方方向具具有一一定的的抗弯弯能力力,而垂直直于肋肋的方方向上上抗弯弯能力力较差差。因此,压型钢钢板的的本构关关系采用,可以在三个个方向向定义义不同同的双双折线线应力力一应应变关关系以以及不不同的的拉伸伸、压压缩和和剪切切特性性。五.有限元元模型型的建建立对压型型钢板板一混混凝土土组合合楼板板的建建模,可采用用实体模模型。在组合楼楼层中中,组合板板通常常可以以按简简支板板设计计,为便于于阐述述,下面就就简支支组合合板来来介绍绍有限限元模模型的的建立立。以以完全剪力连接组合合板为例：36六.完全剪力连接组合合板的建模—模型1.压型钢板的等效压型钢板等价为正交各向异性平平板的等价条件是:在板边缘施加水平力时,压型钢板产生的位位移和变形与平板板产生的位移与变形相等,且具有相同的尺寸和厚度度。37式中分分别为局部坐标系系：轴轴方向的等效弹弹性模量;是因y向的应变而导致向应变的泊松比,是。是与与垂直直的y向的泊松比;是等效剪切模量,如图3.7所示。这5个量中只有4个是独立的,它们之间存在着关关系式.根据基本材料的弹弹性模量及压型钢钢板的断面几何参参数,利用等价条件可以以得到：3839图3.7等价各向异性板的的两个方向图3.8矩形波压型钢板剪剪切变形及几何尺尺寸式中b的值要通过等效原则来确定,即压型钢板的惯性矩矩与矩形板的惯性性矩相等的原则来确定,取计算结果中的较较大值。402.压型钢板-混凝土组合截面壳体单元SHELL91非线性多层壳单元元SHELL91是一个8节点的壳单元,每个节点有六个自自由度:沿节点坐标系的x,y,z方向平动,绕节点坐标系的x,y,z方向转动。该单元元用于分层壳模型型或者用来模拟厚厚的夹层结构,最多可定义100个不同的层,并具有塑性功能。。该单元的几何形形状、节点位置以以及局部坐