钢-混凝土组合结构

山东科技大学钢结构工程研究所 王 来

第二章 压型钢板-混凝土组合板2.1 基本原理一、组合构件工作的基本原理非组合构件。以组合梁为例，若二者交界面处没有连接措施，则在竖向荷

载作用下，混凝土板截面和钢梁截面的弯曲变形相互独，各自有中和轴。 若忽略摩擦力，交界面上仅有竖向压力，二者之间必定发生相对水平滑 移错动。所以，其受弯承载力M=M1+M2

组合构件。如果在钢梁上翼缘设置足够的抗剪连接件并伸入混凝土板形成整 体，阻止板和钢梁之间的相对滑移，使二者的弯曲变形协调，共同承担荷载的 作用，则称为组合梁。在荷载作用下，组合梁截面仅有一个中和轴，混凝土板 主要承受压力，钢梁主要承受拉力。与非组合梁相比，组合梁的中和轴高度和 内力臂增大，其受弯承载力显著提高 。组合梁的截面高度大，因而刚度也大。

M Tz Cz

掀起作用。一般在板梁交界面上的竖向分布力为压力。当 荷载作用于钢梁上时，交界面上竖向分布力为拉力，将引起 板、梁的分离。组合梁中这种上下层分离的趋势称为掀起作 用。由于掀起力远小于交界面上的剪切力，而且抗剪连接件 的形状具有一定的抗掀起作用，在设计中一般不进行抗掀起 计算。在压型钢板-混凝土楼板中，钢板和混凝土的组合作用不 是通过抗剪连接件，而是依靠压型钢板的纵向波槽，钢板上 的压痕、开的小洞、冲成的孔眼或在钢板上焊接的横向钢筋 等措施实现的。

二. 完全抗剪连接和部分抗剪连接

根据抗剪连接件的布置、数量和受剪承载力，可把组合构件分为完全抗剪连接和部分抗剪连接两类。 完全抗剪连接是指即使在组合构件(梁)产生弯曲破坏的最 不利截面处再增加连接件的数量，构件的受弯承载力也不再 增加时的抗剪连接设计。 抗剪连接件的数量少于完全抗剪连接所需要的数量时，称为 部分抗剪连接。在实际工程中，在满足设计要求的情况下， 采用部分抗剪连接可以取得较好的经济效益。

三. 钢-混凝土组合梁板结构的计算方法 钢-混凝土组合楼盖的计算方法有弹性理论方法以及考虑截面塑性变 形发展的塑性理论方法。 弹性理论方法就是工程力学方法，适用于组合梁、组合板构件的施 工阶段计算，组合板承载力计算，直接承受动力荷载的组合梁承载 力计算及变形计算。计算时，采用换算截面，即根据应变协调和总 内力不变的原则，把混凝土面积 Ac除以αE换算成等效的钢材截面面 积(αE为钢材与混凝土的弹性模量之比)。当考虑荷载长期作用 (混凝土徐变、收缩等)的影响(例如变形控制验

算)时，混凝土 面积 Ac应除以2αE换算成等效钢材截面积。 塑性理论方法适用于计算承受静力荷载或间接动力荷载组合梁的承 载力，计算时，考虑结构的内力重分布和构件的应力重分布。吊车 梁以承受动力荷载为主，静力荷载(自重)仅占一小部分，所以它 是直接承受动力荷载的构件。

2.2 压型钢板-混凝土组合板一.压型钢板-混凝土组合板的优点 非组合板。若仅考虑把压型钢板作为浇注混凝土时的永久性模板使用，则压型 钢板只需要满足施工阶段的承载力和变形要求。施工完成后，全部使用荷载由 混凝土板承受。其设计方法与钢筋混凝土板相同，对压型钢板的截面构造也无 特殊要求。 组合板。若压型钢板除在施工阶段作为模板使用外，在使用阶段还作为混凝土 板的受力钢筋或部分受力钢筋，与混凝土共同工作承担使用荷载。此时，为保 证混凝土与压型钢板的共同工作，在压型钢板表面需设置抗剪齿槽或者采取开 孔洞、焊接短钢筋、横向钢筋等措施，以抵抗交界面的纵向剪力和竖向揿起力。 此外，还要考虑对板的防火性能和耐久性能的要求。常见的压型钢板和混凝土 的组合形式见图

压型钢板-混凝土组合板具有下列优点： ① 压型钢板可作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及支撑； ② 压型钢板非常轻便，堆放、运输及安装都非常方便； ③ 使用阶段，压型钢板可代替受拉钢筋，减少钢筋的制作与安装工作。 ④ 刚度较大，省去许多受拉区混凝土，节省混凝土用量，减轻结构自重； ⑤ 有利于各种管线的布置、装修方便； ⑥ 与木模板相比，施工时减小了火灾发生的可能性； ⑦ 压型钢板也可以起到支撑钢梁侧向稳定的作用。

二.压型钢板-混凝土组合板的构造要求 组合板的总厚度不应小于90mm,压型钢板翼缘以上混凝土的厚度不应 小于50mm。混凝土强度等级不宜低于C20,骨料尺寸不应大于0.4hc、压型 钢板肋平均宽度的1/3和30mm三者中的较小值。 组合板中应设置分布钢筋网，以承受收缩和温度应力，提高火灾时的 安全性，并起到分布集中荷载的作用。分布钢筋两个方向的配筋率均不 宜少于0.002。 在有较大集中荷载区段和开洞周围应配置附加钢筋。当防火等级较高 时，可配置附加纵向受拉钢筋。 简支板的支座上部应配置构造负弯矩钢筋，以控制裂缝宽度。负弯矩钢 筋的配筋率不小于0.002,其截断点距支承边的长度不小于l/4(l为板的跨 度),且每米不少于5根。 悬臂板和连续板的支座负弯矩区段应配置纵向受拉钢筋，其计算与一 般钢筋混凝土板相同，但要考虑截面中由于压型钢板有波槽在受压区

所 形成的缺口。受压区钢板的受压屈曲，计算时忽略不计。

组合板在钢梁上的支承长度不应小于75mm,其中，压型钢板的支承长度不小 于50mm,(图 (a),(c))。支承于混凝土构件上时，组合板的支承长度不应小 于100mm,压型钢板的支承长度不应小于75mm(图 (b),(d))。连续板或搭接 板在钢梁上的最小支承长度为75mm,支承于混凝土构件上时则为100mm(图 (e),(f))。

压型钢板与钢梁的连接采用圆头栓钉，栓钉穿透压型钢板焊接于钢梁上，或 将钢板端部肋压平后焊接于钢梁上(图)。栓钉直径一般为：板跨度l<3m时， 取13-16mm;板跨l=3-6m时，取16-19mm。栓钉应高出压型钢板上翼缘35mm以 上。组合板中，栓钉仅作为压型钢板与混凝土交界面上的抗剪能力储备，不必 计算。

组合板端部的连接

压型钢板与混凝土梁连接。图(a):在压型钢板端部打孔，把钢筋插入预留孔 水泥浆中、或在压型钢板上用栓钉连接件将其固定在梁上；图(b):从梁内伸出 锚固钢筋与现浇混凝土接合在一起；图(c):在压型钢板端部冲出许多鱼尾状条 并拧成麻花状，浇筑在混凝土中。以上做法都能增强板的组合效果。

三. 组合板的计算 1.局部荷载作用的有效分布宽度

集中荷载的分布宽度：按沿荷载作用边缘沿45°线传递

b f 1 bf 2(hc h f )

bf1—荷载分布有效宽度；bf—组合板上集中荷载或线荷载的实际作用宽度； hc—压型钢板顶面以上混凝土的厚度； hf — 楼板饰面层厚度。

组合板在集中荷载作用下的有效宽度按下式计算：1)抗弯承载能力计算 简支板：

a bef b f 1 2a 1 l 4 a bef bf 1 a 1 3 l

连续板：

2)剪切计算取：

a bef b f 1 a 1 l

l为板跨；a为剪跨，取集中荷载作用点至较近支座间距离

2. 水平剪力的传递形式 依靠压型钢板的纵向波槽； 依靠压型钢板上的压痕、小洞或冲成的孔眼； 依靠压型钢板上焊接的横向钢筋； 设置于端部的锚固件，其中端部锚固件要求在任何情形

下都应当设置。

(a )

(b )

(c)

(d )

压型钢板与混凝土的连接

3. 组合楼板的设计(1) 楼板分类：组合板和非组合板组合楼板的设计不仅要考虑使用荷载，亦要考虑施工阶段荷载作用。 如果压型钢板的跨中挠度 w0 大于20mm 时，确定混凝土自重应考虑挠 曲效应，在全跨增加混凝土厚度0.7w0,或增设临时支撑。 (2) 施工阶段 ① 验算压型钢板——进行强度和变形验算 ② 永久荷载包括压型钢板、钢筋和混凝土的自重；可变荷载包括施工荷

载和附加荷载。当有过量冲击、混凝土堆放、管线和泵的荷载时，应增加附加

荷载。 ③ 验算采用弹性方法，单向板

M f sWs8 qk l04 f llim 384 Es I s

x

x

x x 轴

(3) 使用阶段① 非组合板：压型钢板仅作为模板使用，不考虑其承载作用，可按常规 钢筋混凝土楼板设计。无须防火。

② 组合板

荷载：永久荷载、可变荷载等 验算内容：强度和变形

变形验算的力学模型：单向弯曲简支板承载力验算的力学模型 ： 按压型钢板上混凝土的厚薄确定计算模型 验算包括：正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力和斜截面抗剪承载力

适筋板和超筋板。随弯矩的增大，组合板中压型钢板从受拉边开始屈服，并发展到整个高度，然后受压边缘混凝土达到极限压应变而压碎破坏，这种板为适 筋板。当板厚相对较小、含钢率较大时，受压区混凝土将先于钢板屈服而达到 极限压应变，压碎破坏，这种板为超筋板。有时超筋板难以避免，因为压型钢 板的面积和尺寸选择还取决于施工阶段的受力情况。

相对界限受压区高度和界限配筋率为：

b 1

0.8 f sy 0.0033Es

h hs h0

max

fc b f sy

(4)正截面抗弯承载力验算适筋板的受弯承载力按下式计算：

x M M u 0.8 As f sy (h0 ) 2x As f sy f cmb

(a)Apf fcmhcb( 塑性中和轴在压型钢板顶面以上的混凝土截面 内)

式中 x 组合板受压区高度，x=Apf / fcmb,当x>0.55h0时，取 0.55h0, h0为组合板有效高度；

系数 0.8 相当于将压型钢板钢材的抗拉强度设计值乘以折减系数 0.8 ,考虑到起受拉钢筋作用的压型钢板没有混凝土保护层，以及中和轴附近材料 强度发挥不充分等因素。 超筋板的受弯承载力计算较为复杂，一方面是由于压型钢板中的应力随

截面高度是变化的，另一方面还要考虑施工阶段是否受截。为简化起见，其受弯承载力可偏于安全地取界限破坏时的受弯承载力：

M M u 0.8 As f sy h0 (1 0.5 b )