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压型钢板-混凝土组合楼板的研究进展及应用现状

发布时间:2020/09/07 点击量:
钢结构凭借其显著的工业化特色、轻质高强和干式施工方式,不仅可以明显提高工程质量,实现绿色施工,还可以大幅度地提高建筑的工作性能、使用品质,增强城市的防灾减灾能力,符合我国“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念[1]。近年来,我国大力提倡装配式建筑,伴随钢结构装配式建筑发展起来的压型钢板-混凝土组合楼板也受到了工程界的广泛关注。
 
压型钢板-混凝土组合楼板是在压型钢板上现浇混凝土,并配置适量的钢筋所形成的一种板[2]。其充分结合了钢板与混凝土各自的优越性能,具有刚度大、承载力高、施工操作方便及经济效益显著等特性,因此被广泛应用于高层建筑、工业厂房、大跨度结构,以及大型桥梁结构等诸多领域中。
 
文章通过对压型钢板-混凝土组合楼板的研究进展进行梳理,指出了其研究与应用中存在的问题与不足,并对其未来的发展方向进行了分析,以期为相关研究与工程应用提供参考。
 
一、压型钢板-混凝土组合楼板的研究现状
 
压型钢板-混凝土组合楼板是将压型钢板直接铺设在钢梁上,用栓钉将压型钢板和钢梁翼缘焊接形成整体。压型钢板-混凝土组合楼板分为压型钢板-混凝土非组合板和压型钢板-混凝土组合板。压型钢板-混凝土组合板中的压型钢板不仅可作为永久性模板,且能代替传统钢筋混凝土板的下部受拉钢筋与混凝土共同工作;而压型钢板-混凝土非组合板中的压型钢板仅用作永久性模板,不考虑与混凝土共同工作[3]。
 
1、压型钢板-混凝土组合楼板的现有规范
 
目前,我国还没有压型钢板-混凝土组合楼板相关的强制性规范,现有的规范只是定性地给出一些引导性的建议。工程实践中,常以1992年冶金工业建筑研究总院主编的行业标准YB9238-92《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》为参考。文献[4]将压型钢板-混凝土组合楼板作为组合楼板的一种进行了阐述。本规范适用于建筑工程中的压型钢板组合楼板,不适用于直接承受动力荷载作用的情况。
 
压型钢板的材料可以参考GB/T12755-2008《建筑用压型钢板》[5]。压型钢板截面特性和结构要求参考GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[6]。组合板用的压型钢板,其钢材牌号可采用现行国家标准GBT700-2006《碳素结构钢》[7]和GB/T1591-2018《低合金高强度结构钢》[8]中规定的Q235、Q355钢材。
 
组合楼板应对其施工阶段和使用阶段分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计,并应符合现行国家标准,GB50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》[9]的规定。组合楼板的耐火性能应符合现行国家标准GB50016-2014《建筑设计防火规范》[10]、JGJ99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》[11]等标准的规定,其中对于非组合板,其耐火设计应采用普通钢筋混凝土楼板耐火设计方法。
 
2、压型钢板-混凝土组合楼板的性能研究
 
从近几年的研究情况来看,国内外研究者对压型钢板-混凝土组合板的研究主要针对其抗剪性能、抗弯性能、抗火性能、界面粘结性能和抗滑移性能等开展,涉及因素包括组合板跨度、端部锚固条件、组合板截面高度、压型钢板形式(开口型、闭口型和缩口型)、压型钢板厚度、压型钢板强度、混凝土种类、混凝土强度以及板底附加受拉钢筋等(图1)。
 
 
压型钢板形式
 
(1)抗剪性能
 
何敏娟等进行了不同厚度和不同剪跨的宝冶U76压型钢板-混凝土组合板纵向抗剪承载能力实验,分析得到了该类型板的纵向抗剪剪力粘结系数和纵向抗剪承载力计算式。聂建国等、章潇等[15]对闭口型压型钢板-混凝土组合板纵向抗剪承载力进行了研究,分析了其裂缝分布和端部滑移等情况。
 
马山积[16]研究了YXB65-185-555(B)型镀锌压型钢板-混凝土组合楼板的受力性能,得出了适用于YXB65-185-555(B)板型的纵向剪切粘结承载力计算的m、k系数。孟燕燕等[17]收集了国内外近120个组合板足尺试验数据,通过m-k方法对试验数据进行了回归拟合,分析讨论了影响压型钢板-混凝土组合板纵向抗剪承载力的主要因素。靳海江[18]对YX-76-344-688型压型钢板及陶粒混凝土压型钢板组合楼板力学性能进行了研究,分析了端部栓钉、横向抗剪钢筋分布间距等因素对纵向水平剪切粘结力的影响,并得出了相应的抗剪承载力计算公式。
 
(2)抗弯性能
 
李帼昌等[19-20]发现,闭口型组合板破坏形态以纵向剪切破坏和弯曲破坏为主,大跨度组合板的破坏形式均为弯曲破坏;未设置栓钉的开口型压型钢板-混凝土组合楼板发生脆性的纵向剪切破坏,而设有栓钉的开口型压型钢板-混凝土组合楼板发生延性的纵向剪切破坏。
 
谢飞等[21]在考虑滑移的情况下,研究了压型钢板厚度、组合板厚度及钢板强度等因素对压型钢板-轻骨料混凝土组合板受弯承载力的影响。
 
蔡飞[22]对采用U76型压型钢板-混凝土组合楼板进行了抗弯承载性能分析。结果表明,试件破坏过程可分为弹性、弹塑性和塑性3个阶段,对于抗弯承载能力较大的组合板,应考虑折减效应,否则全塑性设计法偏于不安全。
 
孙岳阳等[23]对设置抗剪钢筋和端部设置栓钉的压型钢板-轻骨料混凝土组合楼板受弯承载性能进行了试验研究。结果表明,试件承载力主要受弯曲破坏控制,抗剪钢筋间距对受弯极限承载力影响不大。
 
王森军等[24]分析了混凝土强度等级、组合板高度、组合板含钢率以及压型钢板高度对压型钢板-混凝土组合板抗弯承载力的影响。结果表明,含钢率和高度对组合板的抗弯承载力具有决定作用。
 
曹中[25]对采用YX-76-344-688型压型钢板-混凝土组合楼板进行了抗弯性能的有限元分析,研究了压型钢板厚度和压型钢板肋顶混凝土厚度,对非组合楼板抗弯极限承载力和变形性能的影响。
 
(3)抗火性能
 
石永久等[26]研究了不同厚度的Encondek闭口压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能。结果表明,采用闭口压型钢板的组合楼板温度上升速度明显低于开口压型钢板组合楼板,相较开口压型钢板组合楼板,闭口压型钢板组合楼板具有更好的耐火性能。
 
尹晓东等[27]对闭口式压型钢板-混凝土组合楼板开展了耐火试验研究。结果表明,在标准升温情形下Q235压型钢板-混凝土组合板具有较好的吸热性能和耐火性能,可达到一级建筑楼板的耐火极限要求。
 
黄永强等[28]基于大量数据分析,得到了耐火极限分别为1.5h和2.0h的闭口型压型钢板-混凝土组合楼板耐火承载力的简化计算公式。
 
徐朝晖等[29]对压型钢板-混凝土组合楼板抗火性能进行了非线性分析,在建立室内火灾传热模型的基础上,利用混合解法,编制计算程序解算出火灾下组合楼板在不同时刻的温度场,进而利用钢筋混凝土非线性有限单元法,对多种工况下组合楼板的抗火性能进行了研究。
 
刘桂德[30]通过有限元模拟分析了两跨连续压型钢板混凝土组合板在火灾下的挠度变化规律,以及混凝土和压型钢板的应力分布规律。
 
王怀阔[31]分析了结构钢和混凝土的高温材性特性以及压型钢板与混凝土的粘结强度随温度变化的规律,总结了高温下影响压型钢板-混凝土组合楼盖抗火性能的因素。
 
(4)界面粘结及抗滑移性能
 
肖瑞亚[32]研究了大跨度闭口型压型钢板-混凝土组合楼板的界面粘结滑移性能。研究结果表明,加载初期,压型钢板与混凝土之间粘结性能良好,体现出较好的协同工作状态,但当荷载增加至混凝土开裂时,压型钢板与混凝土间的化学胶结力与机械咬合力相继破坏,组合板出现竖向分离现象,滑移开始由加载点向板端传递。
 
许伟等[33]通过两块压型钢板-混凝土组合楼板足尺试件的静力加载试验,分析了组合楼板的破坏过程、破坏形态和滑移发展规律。
 
郭丰伟等[34]对大跨度开口型压型钢板-混凝土组合楼板抗滑移性能的研究发现,增大组合楼板高度和减少压型钢板厚度均可增强试件的抗滑移性能;随着剪跨比的增大,组合楼板的延性提高,端部滑移降低。
 
王彦开[35]研究了大跨度开口压型钢板-混凝土组合板的界面粘结性能,分析了组合板在加载过程中的破坏形态、截面应变分布规律、交界面滑移情况以及组合板上表面混凝土纵向应力等。
 
郝家欢[36]通过试验研究了组合楼板在荷载作用下的界面滑移及极限粘结承载力,并基于试验得到的组合楼板粘结应力和滑移分布规律,推导了考虑粘结滑移时组合楼板计算的平衡方程。
 
甄毅等[37-38]研究了配置横向剪力钢筋的压型钢板-轻骨料混凝土组合楼板的抗滑移性能,分析了其破坏形式,并提出了横向剪力钢筋连接的计算方法,计算中考虑了焊接形式、混凝土抗拉强度、横向钢筋直径等因素的影响。
 
杨巍等[39]利用弹性分析理论,建立了预应力FRP布压型钢板与混凝土组合楼板相对滑移微分方程,并求解了简支组合楼板在均匀荷载作用下的变形。
 
二、压型钢板-混凝土组合楼板的应用现状
 
文献[40]通过研究工程实践中压型钢板-混凝土组合楼板在设计和施工阶段的实际应用情况,得出了组合楼板的优点,概括为以下几点:
 
(1)组合楼板可作为浇灌混凝土的永久性模板,节省了模板拆卸安装工作,且在一层楼板浇筑完成后,无需等待楼板达到要求的混凝土强度等级,就可继续另一层楼板混凝土的浇筑,大大缩短了施工周期,节省了大量木模板及支撑材料,并减小了施工阶段木模板发生火灾的可能性。
 
(2)压型钢板安装完毕,表面还可用作工人、工具、材料、设备的安全工作平台。
 
(3)压型钢板的作用相当于抗拉主钢筋,能抵抗板面的正弯矩,进而减少钢筋的制作与安装工作量。
 
(4)压型钢板波纹间有预加工的槽,有利于水、电、通信管线的布置,装修方便。压型钢板平整的表面为混凝土楼层提供了平整的顶棚表面。压型钢板可叠放,易于运输、存储、堆放和装卸。
 
(5)组合楼板刚度较大,可节省受拉区混凝土用量,减轻结构自重,使地震反应降低。
 
正是由于压型钢板-混凝土组合楼板的上述优点,其在国际上特别是在西方发达国家已得到了广泛地应用。在国内,压型钢板-混凝土组合楼板也被广泛用在住宅建筑、工业厂房、大跨度结构,以及大型桥梁结构等多个领域中。
 
三、当前研究存在的问题
 
从前述分析可看出,目前对压型钢板-混凝土组合楼板的抗剪性能、抗弯性能、抗火性能、界面粘结性能和抗滑移性能等方面已开展了大量研究工作,并得到了较丰富的研究成果,但在以下几个方面还存在不足:
 
(1)对该类组合板各种性能的研究还不够系统、深入,试验研究成果运用在实际工程存在偏差。
 
(2)工程结构在使用过程中还可能遭受爆炸、冲击等偶然作用,而目前对于压型钢板-混凝土组合楼板的抗冲击性能和抗爆性能研究还鲜有报道。
 
(3)对压型钢板-不同混凝土组合楼板的研究还不足,如轻质混凝土、再生混凝土与压型钢板组合的研究工作。
 
四、结束语
 
压型钢板-混凝土组合楼板相对于普通钢筋混凝土楼板的发展时间较短,理论研究与实际工程运用相对滞后,但组合楼板的优点是传统混凝土楼板无法比拟的,在国家大力推进装配式建筑和注重环境保护的趋势下,压型钢板-混凝土组合楼板将逐步显现出它的优越性,拥有巨大的发展空间。同时,应加强轻质混凝土、再生混凝土与压型钢板组合的研究工作,推进压型钢板与混凝土组合楼板抗爆性能和抗冲击性能的研究进展。
 
编辑:郭正平(1974 ~ ),男,本科,高级工程师,研究方向为钢-混凝土组合结构、新型干法水泥生产线施工。
 
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