波形钢腹板-混凝土空心楼盖性能分析

周国栋 高东东 杨凯

摘要：波形钢腹板-混凝土空心楼盖是一种新型的钢-混凝土组合楼盖，该楼盖由上下钢筋混凝土板与中部的波形钢腹板结合而成，是用波形钢腹板代替钢筋混凝土肋梁的一种空心组合板结构。结构形式与传统密肋梁楼盖相同，其波纹钢腹板主要承受横向剪力，波形钢腹板与上下混凝土板之间通过抗剪连接件组合在一起。波形腹板-混凝土空心楼是在钢结构和钢筋混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，它扬长避短，充分利用了钢结构和混凝土结构各自的优点，减轻了结构自重，增加了使用空间，缩短了施工周期，增加了结构的延性。

关键词：波形腹板，新型结构，竖向剪力，减小自重，增大跨度

中图分类号： TU37文献标识码： A

引言

在现在的建筑结构中，为了满足人们对建筑物的使用功能和外观有了越来越高的要求，我国城市化进程的深入发展，要求在有限的空间里实现最优的建筑使用功能，并实现最大的投资回报，这就使各种现代化多样化的建筑类型趋于大跨度、大柱网、大开间、多功能的方向发展。实现大跨度大开间的关键在于楼盖结构的设计，经过长时间的发展，目前实际工程中的楼盖结构形式主要有主次梁楼盖体系、平板无梁楼盖体系、双向密肋楼盖、预应力楼盖体系以及组合楼盖体系等，从理论到实践的不断发展，促使楼盖形式不断创新，各种楼盖结构形式的性能不断提高【1】。但是，就钢筋混凝土结构而言，随着建筑曾数的增加和柱网尺寸的增大，单柱荷载的提高必然要求加大截面，形成对抗震不利的短柱，而混凝土本身的延性较差，需要通过很多构造措施来加以控制。随着我国钢产量的不断提高，用钢量已不再成为制约结构发展的瓶颈，钢结构在我国的建筑应用正在蓬勃兴起。但是钢结构在应用中仍有一些问题有待解决，如钢结构防火和防腐至今仍是一个难以很好解决问题，还有其他诸如刚度小，震动幅度大，正常使用舒适度较差等问题尚需攻克和解决。

因此，技术和社会的发展催生了钢-混凝土组合结构的发展，通过组合的概念，充分的发挥了钢材和混凝土材料的特性，形成了一种新型的高效的楼盖形式—波形钢腹板-混凝土空心楼盖。波形腹板-混凝土空心楼盖基于传统的混凝土空心楼盖，同时与传统的钢筋混凝土结构相比，波形钢腹板-混凝土空心楼盖由于减轻了结构自重，从而可以做到板厚更小，跨度更大，增加了有效使用空间，降低了基础造价，方便安装缩短施工周期，增加了构件和结构的延性，更加有利于结构抗震。本文针对该结构体系，进行整体结构受力性能分析，建立新的计算模型，并结合我国相关设计准则提出设计方法!

一、有限元分析方法及验证

由于实验室空间条件以及大量的人力和物力资源限制，本实验采用有限元分析作为首选的理论研究方法。

由于钢-混凝土组合楼盖的顶板和底板都是连续的，而中部的波纹形钢肋梁是非连续体，使钢-混凝土组合空心楼盖的受力变为空间受力，给结构分析带来难度。我们采用拟夹层板法进行分析把中部的钢肋梁等代成连续的正交各向同性的板，即将整块板考虑成连续的夹层板，按照弹性板理论建立偏微分方程，用三角级数法进行求解，从而可以求出钢-混凝土组合空心楼盖各处的挠度和内力，因为中间层比上下板的厚度大，因此不能把板看做弹性薄板而忽略剪切变形，这里所采用的拟夹层板法要考虑中间夹层的剪切变形。钢-混凝土组合空心楼盖结构中上下层混凝土板的自身刚度不可忽略，因此这里采用Hoff理论为依据进行推导。按照Hoff理论，把钢-混凝土组合空心楼盖假设为一块夹层板，建立拟夹层板法的计算模型，并做出拟夹层板法的相应的基本假定。即考虑表层抗弯刚度的各向同性夹层板理论，来建立拟夹层板法的基本方程，分析计算钢-混凝土组合空心楼盖，从而得到其在竖向均布荷载作用下的内力和挠度求解方法。

根据钢-混凝土组合空心楼盖的结构特点，建立的钢-混凝土组合空心楼盖的计算模型，将其简化为拟夹层板，采用Hoff夹层板理论建立拟夹层板法方程，既考虑了夹心层的横向剪切变形，又考虑了上下表层的抗弯性能；将四边简支夹层板在竖向荷载作用下的弯曲问题分解为两类问题的叠加，物理意义明确，求解简单，为钢-混凝土组合空心楼盖这一结构形式的分析及应用提供了理论参考。

二、波形钢腹板-混凝土空心楼盖受力变形性能影响因素

根据以往的实验数据现在采用8400mmx8400mm柱网尺寸，腹板厚度为10mm，其他材料条件均相同。通过ansys分析不同的参数变量发现，波形钢腹板-混凝土空心楼盖受力性能主要受以下四个方面的因素的影响：1) 波形钢腹板波幅大小的影响; 2) 波形钢腹板高度的影响; 3) 波形钢腹板-混凝土空心楼盖上下混凝土板的厚度的影响。

波形钢腹板波幅大小对楼盖受力性能的影响。通过限制相同的腹板高度和上下混凝土板的厚度，仅改变波形腹板波幅大小这一变量。在本实验中，初步采用波取组合空心楼盖上下板厚度为50mm，肋梁高度为400mm，波幅高度为10mm，20mm，30mm，40mm四个不同的值，通过ansys建立不同的模型分析发现，其跨中最大挠度分别为0.296mm，0.337mm，0.315mm，0.297mm。可见波形钢腹板波幅大小对波形腹板-混凝土空心楼盖的变形性能影响并不是很大。根据已有的数据和理论分析，波形钢腹板波幅大小对板的受力变形性能贡献很小，更主要的是其厚度对厚度对抗剪性能贡献。

波形钢腹板高度对楼盖受力性能的影响。在本实验中，仍采用上下混凝土板厚为50mm，波形钢腹板的波幅为40mm，波形腹板的高度分别采用200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。通过ansys分析，板的跨中挠度分别为1.168mm，0.620mm，0.608mm，0.469mm，0.296mm。通过数据可以发现，腹板高度对板的变形性能影响显著，板的跨中挠度随着腹板高度的增加而显著减小，正常的挠度幅值减小量接近一半，而此时跨高比达到21，远远地大于传统的梁板结构。综合以上结论，可见组合空心楼盖在大荷载、大跨度、需要较大肋梁高度的结构中可体现出良好的受力变形性能。

波形钢腹板高度对楼盖受力性能的影响。取组合空心楼盖肋梁高度为400mm，肋梁宽度为10mm，上下板取同样的厚度，分别取40mm，50mm，60mm，70mm，80mm作为参照。通过分析，跨中挠度分别为0.472mm，0.296mm，0.274mm，0.257mm，0.220mm。从上面的数据中可以看出，楼盖的中点挠度随着上下板厚度的增加而减小，说明上下板厚度会直接影响楼盖结构的刚度；整体来看，上下板厚度对楼盖跨中挠度的影响并不大，只有在板厚由40mm增大到50mm时，楼盖中点挠度变化较为明显，过薄的板厚会使翼缘内力分布不均，而且不利于钢肋梁抗剪连接件的受力性能；

三、结语

自20世纪80年代初以来，随着我国经济建设的快速发展，钢产量的大幅度提高，钢材品种的增加，科研工作的深入，应用实验的积累，钢-混凝土结构在我国也得到了迅速的发展和越来越广泛的使用，1995年日本阪神地震震害调查显示，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，组合结构的破坏率最低。组合结构的总造价介于钢结构和混凝土结构之间，如北京国际技术培训中心就是一个实例，它采用钢-混凝土组合楼盖，因自重减轻，节省模板等效益，综合造价节省5%。波形钢腹板-混凝土组合空心楼盖可以用传统的施工方法和简单的施工效益就获得优良的结构性能，技术经济效益和社会效益显著，非常适合我国高速发展的现代化社会主义建设，是一种具有广阔应用的新型结构体系。

参考文献

[1]谢遵冉. 钢-混凝土组合空心楼盖的理论分析[J]．山东建筑大学

[2]沈蒲生． 楼盖结构设计原理[M]． 北京：科学出版社，2003,3

[3]聂建国，刘明，叶列平. 钢-混凝土组合结构 [M] ．中国建筑工业出版社

[4]谢靖中．空心板楼盖受力特性及受力岛设计理论[C].全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会，2005:139-151