壓型鋼板與混凝土組合板PPT

1、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 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 9 3.3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)計和計算 163.6組合板的計算原則和方法 2223.7組合樓板的振動控制 263.8構(gòu)造要求 273.9組合板的有限元分析 313.10組合板研究的熱點和難點問題 43 33.1概述1.基本概念：壓型鋼板與混凝土組合板是20世紀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

2、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）：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)范進行施工階段和使用階段計算。壓型鋼板僅作為澆筑混凝土的永久性模板，并作為施工時的操作平臺?？紤]施工階段荷載，按鋼結(jié)構(gòu)計算。使用階段僅考慮混凝土，按按混凝土規(guī)范計算混凝土板。以上兩類均屬于非組合板?？紤]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。使用階段，

3、壓型鋼板相當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。74) 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

4、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 壓型鋼板的形式及截面特征3.3.1 壓型鋼板的形式： (1)閉口形槽口的壓型鋼板(圖3.1a) (2)軋齒槽或開小孔的壓型鋼板 (圖3.1b) (3)加焊鋼筋的壓型鋼板(圖3.1c) 圖3.1113.3.2 壓型鋼板的截面特征1. 受壓翼緣的有效計算寬度 在與腹板交接處應(yīng)力最大，距腹板愈遠，應(yīng)力愈小，呈曲線遞減。實用上常把翼緣的應(yīng)力分布簡化成在有效寬度上的均布分布?？山迫?，t為壓型鋼板板厚

5、。2 對壓型鋼板的要求 壓型鋼板的厚度一般不應(yīng)小于0.75mm。 為便于澆灌混凝土，要求壓型鋼板的平均槽寬不小于50mm。當在槽內(nèi)設(shè)置帶頭栓釘時，壓型鋼板的總高，包括刻痕在內(nèi)不應(yīng)大于80mm.12 3.4. 組合板的破壞模式 （見圖3.4）1. 彎曲破壞（沿1-1） 當組合板中含鋼量適當時，破壞是從受拉區(qū)壓型鋼板及受拉鋼筋開始，及受拉鋼板及鋼筋首先屈服，板的變形裂縫迅速發(fā)展，受壓區(qū)不斷減小，最后由于混凝土被壓碎而告破壞。通常應(yīng)以含鋼率或x值控制。2. 縱向水平剪切粘結(jié)破壞（沿2-2） 13 主要由于混凝土與壓型鋼板的界面抗剪切滑移強度不夠，使兩界面成為組合板薄弱環(huán)節(jié)。破壞特征：首先在靠近支座附

6、近的集中荷載處混凝土出現(xiàn)斜裂縫，混凝土與壓型鋼板開始發(fā)生垂直分離，隨即壓型鋼板與混凝土喪失抗剪切粘結(jié)能力，產(chǎn)生較大的縱向滑移。3. 斜截面的剪切破壞（沿3-3） 這種破壞一般發(fā)生在當組合板的高跨比很大、荷載比較大、尤其是在集中荷載作用時，發(fā)生支座最大剪力處沿斜截面剪切破壞。14圖3.4 組合板破壞模式15 3.5組合樓板設(shè)計計算：1、正截面承載力計算當塑性中和軸在壓型鋼板上翼緣以上的混凝土內(nèi)， 即 時：16式中：組合板受壓區(qū)高度，當 時，取 ； 組合板的有效高度，即從壓型鋼板重心至混凝土受壓 邊緣的距離；壓型鋼板截面應(yīng)力合力至混凝土受壓區(qū)截面應(yīng)力合力 的距離；壓型鋼板肋間距；單位寬度內(nèi)壓型鋼板

7、的截面面積；混凝土的抗壓強度設(shè)計值。當塑性中和軸在壓型鋼板內(nèi)，即 時：17由由式中：塑性中和軸以上的壓型鋼板面積；18壓型鋼板受拉區(qū)截面拉應(yīng)力合力至受壓區(qū)混凝土板截面壓 應(yīng)力合力的距離；壓型鋼板受拉區(qū)截面拉應(yīng)力合力至壓型鋼板截面壓應(yīng)力合 力的距離；2、斜截面承載力計算組合板斜截面抗剪承載力應(yīng)滿足下式要求：式中：組合板一個波距內(nèi)斜截面最大剪應(yīng)力設(shè)計值；混凝土的抗拉強度設(shè)計值。193、縱向抗剪承載力計算式中：組合板的簡跨（mm)，一般可取Lv=M/N，對均布荷載下 的板可取為板垮的1/4；組合板的平均肋寬；壓型鋼板的厚度（mm)；組合板的抗剪承載力（kN/m)；組合板的縱向剪力設(shè)計（kN/m)；剪

8、力粘結(jié)系數(shù)，由實驗確定，可參考下列數(shù)值：20、組合板在達到抗彎承載力極限狀態(tài)時，縱向剪力設(shè)計值為：4、受沖切承載力計算組合板在集中荷載作用下的沖切力為V1，應(yīng)滿足下式要求：式中：臨界周界長度，如下圖。壓型鋼板頂面以上的混凝土計算厚度。213.6 組合板的計算方法和原則 1施工階段 壓型鋼板作為澆筑混凝土的模板，采用彈性方法計算。強邊（順肋）方向的正、負彎矩和撓度應(yīng)按單向板計算，弱邊（垂直肋）方向不計算。 施工活荷載一般按等效均布荷載，根據(jù)施工實際情況確定，但應(yīng)不小于1.5kN/m2。 考慮到未和混凝土“組合”前，壓型鋼板剛度較小，變形較大，因此混凝土體積可能超過圖紙所標的標準體積，因此將混凝土

9、自重乘以1.1的系數(shù)22 2使用階段（1）實用設(shè)計法當壓型鋼板頂面以上的混凝土厚度為50mm至100mm時，組合板強邊（順肋）方向的正彎矩和撓度，按承受全部荷載的簡支單向板計算，強邊方向負彎矩按固端板取值，不考慮弱邊（垂直肋）方向的正、負彎矩。 23（2）雙向組合板 周邊支承條件 當雙向組合板的跨度大致相等，且相鄰跨是連續(xù)時，板的周邊可視為固定邊。當組合板相鄰跨度相差較大，或壓型鋼板以上的混凝土板不連續(xù)時，應(yīng)將板的周邊視為簡支邊。 各向異性雙向板 對于各向異性雙向板的彎矩，可將板形狀按有效邊長比加以修正后視作各向同性板的彎矩。強邊方向的彎矩，取等于弱邊方向跨度乘以系數(shù)后所得各向同性板在短邊方向

10、的彎矩；弱邊方向的彎矩，取等于強邊方向跨度乘以系數(shù)后所得各向同性板在長邊方向的彎矩。24 四邊支承雙向板強邊（順肋）方向按組合板設(shè)計，弱邊（垂直肋）方向，僅取壓型鋼板上翼緣以上的混凝土板進行設(shè)計。（3）連續(xù)組合板對于連續(xù)組合板，當采用彈性方法進行內(nèi)力分析時，若允許支座混凝土開裂，則可按考慮塑性內(nèi)力重分布的計算方法，中間支座處的負彎矩可適當?shù)剡M行調(diào)幅。支座負彎矩降低之后，跨中正彎矩亦相應(yīng)地增加，即應(yīng)滿足靜力平衡條件。 253.7 組合板的振動控制 組合板的自振頻率不能過小，否則容易受外力干擾而發(fā)生較大振動，影響結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用。 板的自振周期應(yīng)滿足： 可按下列近似方法計算自振頻率： (3.

11、50)(3.51)由永久荷載產(chǎn)生的撓度（mm）。 263.8 構(gòu)造要求 1.壓型鋼板的板厚不小于0.75mm，一般為0.752.5mm。2.組合板的全高不小于90mm,壓型鋼板頂面至組合板頂面的高度不小于50mm.3.簡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)板及懸臂板的負彎矩區(qū)應(yīng)按計算配置負鋼筋,總量不小于0.002bh0 .275.在集中荷載或線性荷載作用下的組合板，應(yīng)在有效寬度bef的范圍內(nèi)配置分布筋，其總面積不少于組合板截面的0.2%。當板上開洞較大時，應(yīng)在洞口周圍附加鋼筋。附加鋼筋不少于被削弱部分的面積。6.為了防止混凝土收縮及溫度影響,也為了分布荷載,混凝

12、土內(nèi)應(yīng)配分布鋼筋網(wǎng),其設(shè)置滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求.7.沿墻的四周及角部,板伸入墻內(nèi),可按混凝土規(guī)范配置板頂面的附加鋼筋.28圖 組合板的支承要求 29圖 組合板與支座連接栓釘圖 壓型鋼板端部的橫向鋼筋30 3.9 組合板的有限元分析 一.有限元概述1. 由于壓型鋼板一混凝土組合樓板是由兩種不同性質(zhì)的材料混凝土和鋼板組合而成的,因此它的性能明顯地依賴于這兩種材料的性能,特別是在非線性階段。2.混凝土和鋼板本身的各種非線性性能,都不同程度地在這種組合結(jié)構(gòu)中反映出來。3.在用傳統(tǒng)的解析方法分析鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的非線性問題時只能解決一些非常簡單的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的計算,對于大量的組合結(jié)構(gòu)的分析問題,

13、只能用數(shù)值分析方法解決。有限元法作為一個強有力的數(shù)值分析工具,在對結(jié)構(gòu)的非線性分析中發(fā)揮了越來越大的作用。31 4.用有限元法對鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)進行分析時,可以在計算模型中分別反映混凝上和鋼筋材料的非線性特性;可以用特殊的單元模擬兩者之間的組合作用;可以在一定程度上模擬節(jié)點的構(gòu)造和邊界條件;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)開裂以后的各種狀態(tài);借助先進的計算機圖形顯示技術(shù),還可以直觀地看到結(jié)構(gòu)受荷后從彈性變形到開裂、破壞的全過程,為進行合理的設(shè)計提供形象的依據(jù).32 有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。離散后的單元與單元間通過節(jié)點相聯(lián)系,所有力和位移都通過節(jié)點進行計算。對每個

14、單元,選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù),使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、子域分界面上(內(nèi)部邊界)以及子域與外界分界面(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來,就得到了整個結(jié)構(gòu)的方程。求解該方程組,就可以得到結(jié)構(gòu)的近似解。 6.有限元法的一個突出優(yōu)點就是能夠有效地考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,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)變化時產(chǎn)生的影響,允許進行參數(shù)分析計算,使分析更符合實際。337.有限元模擬分析實際上就是對實際結(jié)構(gòu)的合理簡化然后進行數(shù)值分析,其成功與否主要取決于以下幾方面的工作:（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

15、加（5）非線性求解34 二.單元類型對壓型鋼板一混凝土組合樓板的建模,ANSYS中提供的多層殼單元,忽略壓型鋼板與混凝土之間的滑移.三.材料特性 本構(gòu)關(guān)系所基于的理論模型主要有:彈性理論、非線性彈性理論、彈塑性理論、粘彈性理論、粘塑性理論、斷裂力學(xué)理論、損傷力學(xué)理論、內(nèi)時理論等。慮到鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的特點及計算分析的方便,在鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)非線性有限元分析中應(yīng)用較多的是非線性彈性理論和彈塑性理論。35 四.壓型鋼板材料特性 對于壓型鋼板來說,由于平板被壓成凹凸肋,這樣就使得板的兩個方向的彈性模量和泊松比有很大的差異:順肋方向具有一定的抗彎能力,而垂直于肋的方向上抗彎能力較差。因此,壓型鋼板

16、的本構(gòu)關(guān)系采用 ,可以在三個方向定義不同的雙折線應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系以及不同的拉伸、壓縮和剪切特性。五.有限元模型的建立 對壓型鋼板一混凝土組合樓板的建模,可采用實體模型。在組合樓層中,組合板通?？梢园春喼О逶O(shè)計,為便于闡述,下面就簡支組合板來介紹有限元模型的建立。以完全剪力連接組合板為例：36六.完全剪力連接組合板的建模模型1.壓型鋼板的等效 壓型鋼板等價為正交各向異性平板的等價條件是:在板邊緣施加水平力時,壓型鋼板產(chǎn)生的位移和變形與平板產(chǎn)生的位移與變形相等,且具有相同的尺寸和厚度。37式中 分別為局部坐標系： 軸方向的等效彈性模量; 是因y向的應(yīng)變而導(dǎo)致 向應(yīng)變的泊松比, 是。 是與 垂直的y向

17、的泊松比; 是等效剪切模量,如圖3.7所示。這5個量中只有4個是獨立的,它們之間存在著關(guān)系式.根據(jù)基本材料的彈性模量及壓型鋼板的斷面幾何參數(shù),利用等價條件可以得到：3839圖3.7等價各向異性板的兩個方向圖3.8矩形波壓型鋼板剪切變形及幾何尺寸式中b的值要通過等效原則來確定,即壓型鋼板的慣性矩與矩形板的慣性矩相等的原則來確定,取計算結(jié)果中的較大值。40 2.壓型鋼板-混凝土組合截面 殼體單元SHELL91非線性多層殼單元SHELL91是一個8節(jié)點的殼單元,每個節(jié)點有六個自由度:沿節(jié)點坐標系的x,y,z方向平動,繞節(jié)點坐標系的x,y,z方向轉(zhuǎn)動。該單元用于分層殼模型或者用來模擬厚的夾層結(jié)構(gòu),最多

18、可定義100個不同的層,并具有塑性功能。該單元的幾何形狀、節(jié)點位置以及局部坐標系如右圖所示。4142 3.10組合板研究的熱點和難點問題 目前,國內(nèi)外常用的壓型鋼板形式有許多種,在與混凝土組合時,混凝土板的厚度、強度也有很多選擇。不同形式的壓型鋼板一混凝土組合樓板的承載力是不一樣的,但在選用壓型鋼板形式時,往往以加工方便為首要因素,而忽略了對承載力的有利影響。因此,分析比較各個因素對組合板承載力的影響,為工程上組合板各參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)是很有必要的。 到目前為止,各國規(guī)范都規(guī)定,壓型鋼板一混凝土組合樓板界面的抗剪強度計算必須以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。利用試驗進行研究是很重要的,取得的資料是第一手的、客觀的,而且在某種狀態(tài)下,組合板的剪切強度可以通過大量試驗直接確定。但是要獲得比較客觀準確的數(shù)據(jù),必須進行大量的試驗。而組合板的試驗,尤其是足尺寸模型試驗代價很高,因此試驗的數(shù)量往往受到經(jīng)濟原因的制約。43 同時,試驗只能反映組合板的整體性能,很難在試驗中確定一些單個因素的影響,多個變量綜合作用下,很難將它們準確區(qū)分開。隨著