压型钢板-混凝土组合板的受力性能及其计算
聂建国 易卫华
[提要] 压型钢板-混凝土组合板的承载能力主要由其纵向抗剪能力控制,同时与其竖向抗剪能力及抗弯承载能力也有一定关系。纵向抗剪能力的影响因素众多,综述有关的研究成果。结合算例,说明组合板的设计计算方法。
[关键词] 钢-混凝土组合板 压型钢板 纵向抗剪 设计 计算方法
压型钢板组合板目前被广泛应用于国内外的建筑楼板及桥面板。为了解组合板的性能和设计方法,American Iron and Steel Institute (AISI) 在Iowa 大学开展了广泛的研究,美国土木工程师协会(ASCE) 关于组合板的标准即基于这些研究。Iowa 大学的Schuster 发展了基于剪力极限状态的承载力表达式, 现已作为ASCE 标准的一个完整部分。但ASCE 标准也有一些不太合理的地方,对组合板的研究仍在进行。国内关于组合板的研究起步于上世纪70 年代中期。工程实践中大部分情形是将压型钢板作为永久性模板使用,将压型板作为结构的安全储备,而没有利用压型钢板代替板中的钢筋。
一组合板截面形式
一般压型钢板厚约0.7 ～1.4mm , 板高约75 ～200mm ,大部分按单向板设计,其与混凝土的组合作用发挥了钢板抗拉及混凝土抗压的优点,对截面刚度提高作用也很大。目前压型钢板与混凝土组合板的截面形大致有开口型和闭口型两种。在开口型截面中,压型板可按其翼缘大小分为两类:翼缘上大下小,俗称正扣,上小下大,俗称反扣。闭口型则可以发展为缩口型。另外,提高承载能力的方法有:补充横向钢筋,改做波纹式钢板, 轧制出凹凸槽纹,板上焊接横向钢筋,板上焊接抗剪栓钉等。
二、组合板的破坏模式
压型钢板与混凝土之间的组合效应主要依靠它们之间的粘结效应产生的沿板受力方向的纵向抗剪强度来实现。在不同截面及受力状态下,组合板的破坏可能有三种主要模式。
图1 破坏模式示意图
(1) 弯曲破坏 图1 所示的1-1 截面,组合板在达到抗弯承载力极限时,纵向抗剪承载力依然满足,表现为抗弯承载力不足。这种破坏模式与一般钢筋混凝土受弯构件的适筋梁类似。
(2) 纵向剪切破坏 见图1 中的2-2 截面的破坏,欧洲规范4 ( Eurocode 4) 中关于组合板的承载力控制即以此破坏为基础。其破坏特征是:首先在靠近支座附近的集中荷载处的混凝土出现斜裂缝,混凝土和压型钢板开始垂直向分离,随即压型钢板和混凝土之间丧失剪切粘结力,并产生相对滑移。由于滑移的产生,楼板变形非线性增加,构件立即丧失承载力。一般情况下,当组合楼板弯曲破坏时,它的端部滑移极其微小。因此,压型钢板端部是否发生滑移,是区别弯曲或纵向水平剪切粘结破坏模式的主要标志。
(3) 垂直剪切破坏 见图1 中的3-3 截面的破坏这种破坏一般只有在板的跨高比较小,而荷载又很大的时候才出现。表现为支座处混凝土垂直剪切破坏。组合板的受力性能大致可分为三个阶段[2 ] 。第一阶段:组合板在受力后,混凝土受拉区并没有拉裂,截面为无裂缝组合断面,弯曲应力与承载能力成一定比例,并与钢板、混凝土弹性模量有关,此时其纵向粘结应力一般可保证混凝土与钢板完全协同工作,可按下式计算截面剪应力:
τ = V S/ Ib (1)
式中V 表示剪力, S 表示无裂缝组合板面积矩, I 表示无裂缝组合板惯性矩, b 表示钢板展开宽度。
第二阶段:混凝土受拉区出现裂缝,开裂断面处弯曲应力和粘结应力突然增大,这时组合板弯曲应力与钢筋混凝土开裂后的情况相似。在裂缝区,粘结应力不能用通常公式计算,剪应力已不完全与剪力有关,而与钢板相邻断面间的拉力差关系密切,其计算公式为:
式中dd 为压型钢板厚度,dσ表示压型钢板沿跨度方向d x 微段间的应力差。应力差dσ增加时,使粘结应力增加,直至最终达到并超过粘结强度极限。此时,组合作用下降,弯曲应力增大,粘结应力瞬时降至零,压型钢板与混凝土之间开始出现相对滑移,最大的粘结应力的位置向支承方向转移。第三阶段:配置了锚固栓钉或采取了其他方式高粘结强度的组合板,一般可进入此阶段。这时将发生较大的持续变形,应力增大速率下降,荷载2位移曲线出现屈服阶段,组合板呈现塑性变形,随着最终滑移量的出现,端部栓钉抗滑移作用耗尽而破坏。
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