波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋性能分析

周國棟 高東東 楊凱

摘要：波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋是一種新型的鋼-混凝土組合樓蓋，該樓蓋由上下鋼筋混凝土板與中部的波形鋼腹板結合而成，是用波形鋼腹板代替鋼筋混凝土肋梁的一種空心組合板結構。結構形式與傳統密肋梁樓蓋相同，其波紋鋼腹板主要承受橫向剪力，波形鋼腹板與上下混凝土板之間通過抗剪連接件組合在一起。波形腹板-混凝土空心樓是在鋼結構和鋼筋混凝土結構的基礎上發展起來的一種新型結構，它揚長避短，充分利用了鋼結構和混凝土結構各自的優點，減輕了結構自重，增加了使用空間，縮短了施工周期，增加了結構的延性。

關鍵詞：波形腹板，新型結構，豎向剪力，減小自重，增大跨度

中圖分類號： TU37文獻標識碼： A

引言

在現在的建筑結構中，為了滿足人們對建筑物的使用功能和外觀有了越來越高的要求，我國城市化進程的深入發展，要求在有限的空間里實現最優的建筑使用功能，并實現最大的投資回報，這就使各種現代化多樣化的建筑類型趨于大跨度、大柱網、大開間、多功能的方向發展。實現大跨度大開間的關鍵在于樓蓋結構的設計，經過長時間的發展，目前實際工程中的樓蓋結構形式主要有主次梁樓蓋體系、平板無梁樓蓋體系、雙向密肋樓蓋、預應力樓蓋體系以及組合樓蓋體系等，從理論到實踐的不斷發展，促使樓蓋形式不斷創新，各種樓蓋結構形式的性能不斷提高【1】。但是，就鋼筋混凝土結構而言，隨著建筑曾數的增加和柱網尺寸的增大，單柱荷載的提高必然要求加大截面，形成對抗震不利的短柱，而混凝土本身的延性較差，需要通過很多構造措施來加以控制。隨著我國鋼產量的不斷提高，用鋼量已不再成為制約結構發展的瓶頸，鋼結構在我國的建筑應用正在蓬勃興起。但是鋼結構在應用中仍有一些問題有待解決，如鋼結構防火和防腐至今仍是一個難以很好解決問題，還有其他諸如剛度小，震動幅度大，正常使用舒適度較差等問題尚需攻克和解決。

因此，技術和社會的發展催生了鋼-混凝土組合結構的發展，通過組合的概念，充分的發揮了鋼材和混凝土材料的特性，形成了一種新型的高效的樓蓋形式—波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋。波形腹板-混凝土空心樓蓋基于傳統的混凝土空心樓蓋，同時與傳統的鋼筋混凝土結構相比，波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋由于減輕了結構自重，從而可以做到板厚更小，跨度更大，增加了有效使用空間，降低了基礎造價，方便安裝縮短施工周期，增加了構件和結構的延性，更加有利于結構抗震。本文針對該結構體系，進行整體結構受力性能分析，建立新的計算模型，并結合我國相關設計準則提出設計方法!

一、有限元分析方法及驗證

由于實驗室空間條件以及大量的人力和物力資源限制，本實驗采用有限元分析作為首選的理論研究方法。

由于鋼-混凝土組合樓蓋的頂板和底板都是連續的，而中部的波紋形鋼肋梁是非連續體，使鋼-混凝土組合空心樓蓋的受力變為空間受力，給結構分析帶來難度。我們采用擬夾層板法進行分析把中部的鋼肋梁等代成連續的正交各向同性的板，即將整塊板考慮成連續的夾層板，按照彈性板理論建立偏微分方程，用三角級數法進行求解，從而可以求出鋼-混凝土組合空心樓蓋各處的撓度和內力，因為中間層比上下板的厚度大，因此不能把板看做彈性薄板而忽略剪切變形，這里所采用的擬夾層板法要考慮中間夾層的剪切變形。鋼-混凝土組合空心樓蓋結構中上下層混凝土板的自身剛度不可忽略，因此這里采用Hoff理論為依據進行推導。按照Hoff理論，把鋼-混凝土組合空心樓蓋假設為一塊夾層板，建立擬夾層板法的計算模型，并做出擬夾層板法的相應的基本假定。即考慮表層抗彎剛度的各向同性夾層板理論，來建立擬夾層板法的基本方程，分析計算鋼-混凝土組合空心樓蓋，從而得到其在豎向均布荷載作用下的內力和撓度求解方法。

根據鋼-混凝土組合空心樓蓋的結構特點，建立的鋼-混凝土組合空心樓蓋的計算模型，將其簡化為擬夾層板，采用Hoff夾層板理論建立擬夾層板法方程，既考慮了夾心層的橫向剪切變形，又考慮了上下表層的抗彎性能；將四邊簡支夾層板在豎向荷載作用下的彎曲問題分解為兩類問題的疊加，物理意義明確，求解簡單，為鋼-混凝土組合空心樓蓋這一結構形式的分析及應用提供了理論參考。

二、波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋受力變形性能影響因素

根據以往的實驗數據現在采用8400mmx8400mm柱網尺寸，腹板厚度為10mm，其他材料條件均相同。通過ansys分析不同的參數變量發現，波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋受力性能主要受以下四個方面的因素的影響：1) 波形鋼腹板波幅大小的影響; 2) 波形鋼腹板高度的影響; 3) 波形鋼腹板-混凝土空心樓蓋上下混凝土板的厚度的影響。

波形鋼腹板波幅大小對樓蓋受力性能的影響。通過限制相同的腹板高度和上下混凝土板的厚度，僅改變波形腹板波幅大小這一變量。在本實驗中，初步采用波取組合空心樓蓋上下板厚度為50mm，肋梁高度為400mm，波幅高度為10mm，20mm，30mm，40mm四個不同的值，通過ansys建立不同的模型分析發現，其跨中最大撓度分別為0.296mm，0.337mm，0.315mm，0.297mm。可見波形鋼腹板波幅大小對波形腹板-混凝土空心樓蓋的變形性能影響并不是很大。根據已有的數據和理論分析，波形鋼腹板波幅大小對板的受力變形性能貢獻很小，更主要的是其厚度對厚度對抗剪性能貢獻。

波形鋼腹板高度對樓蓋受力性能的影響。在本實驗中，仍采用上下混凝土板厚為50mm，波形鋼腹板的波幅為40mm，波形腹板的高度分別采用200mm，250mm，300mm，350mm，400mm。通過ansys分析，板的跨中撓度分別為1.168mm，0.620mm，0.608mm，0.469mm，0.296mm。通過數據可以發現，腹板高度對板的變形性能影響顯著，板的跨中撓度隨著腹板高度的增加而顯著減小，正常的撓度幅值減小量接近一半，而此時跨高比達到21，遠遠地大于傳統的梁板結構。綜合以上結論，可見組合空心樓蓋在大荷載、大跨度、需要較大肋梁高度的結構中可體現出良好的受力變形性能。

波形鋼腹板高度對樓蓋受力性能的影響。取組合空心樓蓋肋梁高度為400mm，肋梁寬度為10mm，上下板取同樣的厚度，分別取40mm，50mm，60mm，70mm，80mm作為參照。通過分析，跨中撓度分別為0.472mm，0.296mm，0.274mm，0.257mm，0.220mm。從上面的數據中可以看出，樓蓋的中點撓度隨著上下板厚度的增加而減小，說明上下板厚度會直接影響樓蓋結構的剛度；整體來看，上下板厚度對樓蓋跨中撓度的影響并不大，只有在板厚由40mm增大到50mm時，樓蓋中點撓度變化較為明顯，過薄的板厚會使翼緣內力分布不均，而且不利于鋼肋梁抗剪連接件的受力性能；

三、結語

自20世紀80年代初以來，隨著我國經濟建設的快速發展，鋼產量的大幅度提高，鋼材品種的增加，科研工作的深入，應用實驗的積累，鋼-混凝土結構在我國也得到了迅速的發展和越來越廣泛的使用，1995年日本阪神地震震害調查顯示，與鋼筋混凝土結構和鋼結構相比，組合結構的破壞率最低。組合結構的總造價介于鋼結構和混凝土結構之間，如北京國際技術培訓中心就是一個實例，它采用鋼-混凝土組合樓蓋，因自重減輕，節省模板等效益，綜合造價節省5%。波形鋼腹板-混凝土組合空心樓蓋可以用傳統的施工方法和簡單的施工效益就獲得優良的結構性能，技術經濟效益和社會效益顯著，非常適合我國高速發展的現代化社會主義建設，是一種具有廣闊應用的新型結構體系。

參考文獻

[1]謝遵冉. 鋼-混凝土組合空心樓蓋的理論分析[J]．山東建筑大學

[2]沈蒲生． 樓蓋結構設計原理[M]． 北京：科學出版社，2003,3

[3]聶建國，劉明，葉列平. 鋼-混凝土組合結構 [M] ．中國建筑工業出版社

[4]謝靖中．空心板樓蓋受力特性及受力島設計理論[C].全國現澆混凝土空心樓蓋結構技術交流會，2005:139-151