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闭口式压型钢板钢筋桁架楼承板施工阶段性能研究

发布时间:2019/11/15 点击量:
压型钢板-钢筋桁架楼承板具备刚度大、整体性好、生产工业化等优点,得以推广应用。本文通过对钢筋桁架楼承板结构形式的改进,有效避免其在实际工程中出现的漏浆、脱焊、板底剥离等缺陷。其中,结构形式的改进以底部钢板为主,采用闭口式压型钢板取代原先的微肋开口式压型钢板。在利用有限元App的基础上,对改进前后的钢筋桁架楼承板进行建模分析。通过对比二者在不同跨度条件下的受力情况,得出改进后的钢筋桁架楼承板在施工阶段能提供较大的刚度,为施工安全提供保证。
 
一、钢筋桁架楼承板的改进措施
 
1、现有钢筋桁架楼承板的特点
 
现有的钢筋桁架楼承板主要由钢筋三角空间桁架和镀锌压型钢板组成,在工厂预制加工成型的新型组合式楼承板。钢筋三角空间桁架是利用专业机械对钢筋进行压弯和焊接,底部钢板通常采用2mm高的微肋镀锌压型钢板。现有的钢筋桁架楼承板具备以下优势:运输和安装简易方便;相对现浇楼板,混凝土用量少;减少了现场施工模板支撑用量、钢筋绑扎量和用工量,缩短了工期;三角桁架布置合理,提供的刚度大;楼板的耐火性能和现浇钢筋混凝土板相似;设置双向板时双向刚度相似,有利于抗震。
 
现有的钢筋桁架楼承板存在以下几方面问题:①桁架腹筋弯曲不到位易造成虚假点焊;②钢筋桁架的支脚与钢板的肋部接触面积小易造成使用过程中焊点脱焊;③底部钢板较薄易引起焊点穿透;④由于虚假点焊、焊点脱焊和焊点穿透及钢板搭接不严密等因素引起的混凝土浇筑过程中漏浆问题;⑤使用阶段由于焊点受力破坏导致钢板从混凝土表面剥离,不能参与共同受力。传统钢筋桁架楼承板的这些缺陷往往导致工程事故的发生,值得高度重视。
 
2、钢筋桁架楼承板的改进措施
 
针对传统钢筋桁架楼承板存在的问题,本文提出使用闭口式压型钢板与三角桁架组合(图1)的方案,即组成闭口式压型钢板-钢筋桁架楼承板。改进的楼承板具备以下几个特点:①改进结构中的T型肋利用机械咬合和化学粘结力,提高了使用过程中钢板与混凝土的结合能力;②40mm高的板扣,有效保证了板与板之间的扣合面积,大大降低了施工过程中板扣拉裂发生漏浆的概率;③钢筋桁架的支脚与底部钢板水平接触,增大了电阻电焊的有效焊接面积,可克服虚焊和焊点抗剪能力弱的缺陷。需要指出的是,由于闭口式压型钢板T型肋的存在,使得垂直于T型肋的方向无法安顿底部钢筋,而顺着T型肋方向则不受影响。解决方法有两种:一种是考虑采用下部钢板参与受拉的计算模式;另一种是通过结构布置将楼板设置成单向板受力状态,从而垂直于T型肋方向的板底可以不配钢筋。
 
改进的钢筋桁架楼承板断面
图1 改进的钢筋桁架楼承板断面
 
二、闭口式压型钢板钢筋桁架楼承板施工阶段性能研究
 
1、分析模型的建立
 
(1)几何模型
 
在实际工程中,现浇钢筋桁架楼承板是由多个单榀钢筋桁架楼承板组合而成(图2)。本文主要研究单榀钢筋桁架楼承板改进前后的受力性能,并通过《组合楼板设计与施工规范》CECS273:2010和《钢筋桁架楼承板》JG/T368-2012对单榀钢筋桁架楼承板尺寸进行选取。①号板、③号板、⑤号板均为普通压型钢板-钢筋桁架楼承板,②号板、④号板和⑥号板分别为对应的闭口式压型钢板-钢筋桁架楼承板,各板具体尺寸如表1所示。
 
钢筋桁架楼承板
图2 钢筋桁架楼承板
 
(2)有限元模型
 
在有限元建模时,为建模方便对钢筋桁架楼承板模型进行了假定考虑:①对底部压型钢板建模时,忽略闭口式压型钢板复杂造型,对突出部分的用钢量进行换算,并根据其对应的尺寸位置添加到对应的结构杆件中去;②对闭口式压型钢板保证混凝土竖向位移小的特点,通过节点耦合、条件约束解决;③对钢筋桁架中腹杆钢筋的弯曲部分本模型采用直线构成,忽略钢筋圆弧影响。
 
有限元模型
图3 有限元模型
 
图3为改进后的钢筋桁架楼承板有限元模型。模型中,钢筋桁架中的钢筋统一采用BEAM188单元,底部压型钢板采用SHELL63单元,混凝土则采用SDLID65单元。在模拟钢筋桁架楼承板承受均布荷载的实际受力状况,模拟中对板两端采用简支约束,并依据等效荷载的原则,使支座剪力图的面积与集中荷载作用下板的剪力图面积相等;在荷载施加时,将均布荷载折算成两个线荷载,并作用在楼板的1/4处。
 
钢筋桁架楼承板模型尺寸
表1 钢筋桁架楼承板模型尺寸
 
2、施工阶段研究分析
 
为简便对比,本章主要采用挠度为主要控制因素,根据《组合楼板设计与施工规范》中的规定,计算出2.1m、3.3m、3.6m跨度下的挠度极限值分别为11.6mm、18.3mm、20mm。钢筋桁架楼承板在施工阶段的荷载,主要包括钢模板荷载G1k、混凝土自重G2k、钢筋自重G3k、施工荷载Q1k。施加荷载则根据《建筑结构荷载规范》中相应荷载值进行荷载组合,并把面荷载折算为点荷载施加在钢筋桁架的上部。经计算可得2.1m、3.3m、3.6m三种跨度规格下钢筋桁架楼承板初始施加的总荷载(=面荷载×板面积)分别为5.04kN、7.92kN、8.64kN。在模拟过程中,施加荷载以初始施加荷载为初始加载点进行分析,进行分段加载直至楼承板最大挠度值。
 
(1)第一组
 
本组模型由①号板和②号板组成,其中①号板为钢筋桁架楼承板,②号板为闭口式压型钢板-钢筋桁架组合楼承板。钢筋桁架楼承板的最大无支撑跨度为2.1m,实验荷载分别为5.04kN、9.0kN、10.8kN、13.2kN。经有限元App计算后得出改进前后钢筋桁架楼承板在不同荷载下的挠度值(表2),对挠度值数据进行处理分析后即可绘制出改进前后钢筋桁架楼承板挠度值变化图(图4)。
 
第一组钢筋桁架楼承板挠度变化
图4 第一组钢筋桁架楼承板挠度变化
 
第一组模型挠度值
表2 第一组模型挠度值(mm)
 
通过上述表2、图3可以看出,①号板在9.0kN附近达到极限承载力,而改进后的钢筋桁架楼承板在13.2kN附近达到最大承载力,在2.1m跨度下钢筋桁架楼承板的承载能力和刚度都得到了较大提升。
 
(2)第二组
 
本组模型中钢筋桁架楼承板的最大无支撑跨度为3.3m,实验荷载分别为7.92kN、9.0kN、11.4kN、14.4kN。经有限元App计算后,可得出各板件的挠度值(表3),对挠度值数据进行处理分析后即可绘制出改进前后钢筋桁架楼承板挠度值变化图(图5)。
 
第二组钢筋桁架楼承板挠度变化
图5 第二组钢筋桁架楼承板挠度变化

第二组模型挠度值
表3 第二组模型挠度值(mm)
 
从表3中可以得出,3.3m跨度下钢筋楼承板的最大承载力是11.4kN,而改进后的钢筋桁架楼承板最大承载力在14kN至15kN之间,所以本次钢筋桁架楼承板的最大承载能力提升为26.3%左右。较第一组承载能力提升比率有所降低,但该提升比率依旧可观。总的来讲第一组的结论经第二组试验后成立。
 
(3)第三组
 
由前两组模拟试验可知,本次改进方案是切实可行的。为进一步研究改进后钢筋桁架楼承板的力学性能变化,本节将跨度为3.6m的模型定为第三组模型。实验荷载分别为8.64kN、9.6kN、10.8kN、12.6kN、16.8kN,经有限元App计算后得出改进前后钢筋桁架楼承板在不同荷载下的挠度值(表4),对挠度值数据进行处理分析后即可绘制出改进前后钢筋桁架楼承板挠度值变化图(图6)。
 
第三组模型挠度值
表4 第三组模型挠度值(mm)

第三组钢筋桁架楼承板挠度变化
图6 第三组钢筋桁架楼承板挠度变化
 
图6中两种板的挠度变化曲线可再一次证明,本次改进方法是切实有效的。再由表4可以得出⑤号板的最大承载力为12.6kN,⑥号板的最大承载力为16.8kN,相比而言提高了33.3%左右。由第二组结论可以发现,在钢筋规格条件相同条件下当增大钢筋桁架楼承板最大无支撑跨度时,改进后的钢筋桁架楼承板承载力能提升比率逐渐增大。
 
(1)本次针对钢筋桁架楼承板的改进方案是切实有效的,其改进后的钢筋桁架楼承板在施工阶段提供的刚度远大于现有钢筋桁架楼承板在施工阶段所提供的刚度。
 
(2)改进后的钢筋桁架楼承板通过增大焊点有效焊接面积,大大增加了施工阶段钢筋桁架楼承板的承载能力,2.1m无支撑跨度下的最大承载力为13.2kN左右,3.3m无支撑跨度下的最大承载力为14.4kN左右,3.6m无支撑跨度下的最大承载力为16.8kN左右。
 
(3)在钢筋规格相同条件下,当增大钢筋桁架楼承板最大无支撑跨度时,改进后的钢筋桁架楼承板承载力能提升比率逐渐增大。
 
结语
 
传统钢筋桁架的缺点比较明显,采用闭口式压型钢板代替普通压型钢板与钢筋桁架组成楼承板,可以增加钢筋桁架与压型钢板之间的连接可靠性以及压型钢板与混凝土之间的粘结性。采用AN-SYSApp对改进的压型钢板钢筋桁架楼承板进行施工阶段的有限元分析,初步验证了其可行性。(编辑:王林军,姜太荣,张翼虎,焦渊,宗兰)
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