某钢结构住宅闭口型压型钢板组合楼板设计分析 精灵论文.doc

某钢结构住宅闭口型压型钢板组合楼板设 计分析刘小蔚，付越，李玥，陈婷（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州 221116） 摘要：本文针对某钢结构住宅设计实例中的楼板设计进行了选项分析比较，说明使用闭口型 压型钢板组合楼板的优势所在。在结构设计阶段采用刚度修正方法对其施工和使用阶段强 度、挠度进行了计算，验证了其良好的受力性能，为工程实践结构设计和计算提供了参考。 关键词： 钢结构住宅；组合楼板；闭口型压型钢板；结构计算中图分类号：TU318Structural Design and Calculation of a Steel ResidencesClosed Profiled Steel Sheeting Composite SlabsLIU Xiaowei, FU Yue, LI Yue, CHEN Ting(School of Mechanics and Civil Engineering, CUMT, XuZhou, Jiangsu221116)Abstract: In this paper, an analysis and comparison of options of the slabs adopted in the steel residence was applied, in order to describe the advantages of the closed profiled steel sheeting composite slabs. In the structural design phase, siffness modification method was adopted to calculate the strength and deflection of the composite slabs, which proved the good mechanical performance of the slabs, providing a reference for the structural design and calculation of this kind of composite slabs.Key words: Steel residence, Composite slabs, Closed profiled steel sheeting, Structure calculation0引言钢结构住宅易于实现工厂化、现代化、标准化，其建筑材料可再生重复利用，节能、环 保，同时具有重量轻、抗震性能好、施工周期短等优点，是我国在“十二五”规划中大力倡 导的住宅体系。本工程是为节能型住宅建筑推广体系和推动住宅产业化而兴建的钢结构住宅 试点工程。为满足不同住户要求，本住宅有 A、B 两种户型，共有三个单元，为 6 层多层 住宅，位于 7 度抗震设防区。总建筑面积为 4458m2，建筑总高度为 20.6m，层高 3.0m。采 用纯钢框架结构，楼板采用 YX40-185-555(BD40)闭口型压型钢板组合楼板，墙板采用 NALC（加钢筋蒸压轻质混凝土）板。1楼板选型1.1结构布置结构布置本工程结构平面为一字形，且水平和竖向都为规则布置，没有大的刚度突变， 主梁沿纵向和横向均有布置。结合建筑使用功能要求进行次梁布置，由三个相同结构单元组 成，单元结构平面布置简图如下图 1 所示。钢框架构件采用热轧型 H 型钢，各尺寸分别为： 主梁 HN 350 175 7 11，次梁 HN250 150 6 9。框架柱 HW350 350 12 19，钢构件作者简介：刘小蔚（1987-），女，硕士，主要研究方向：钢结构设计理论，抗地表变形理论. E-mail:涂抹热浸锌和热喷铝复合喷涂技术等防腐、防锈及防火保护层材料，此外独立钢柱采用 外包覆石膏板防火。楼梯房间11.2钢结构住宅楼板选型图 1 单元结构平面布置图Fig.1 Unit Structural Plan Arrangement在多层钢结构住宅中，楼盖结构的选择至关重要，它不仅起到将竖向荷载传给梁柱，保 证抗侧力结构的空间协同作用，而且还影响到建筑的使用功能和造价以及施工进度。因此在 确定多层钢结构住宅楼盖方案时，考虑到以下几点要求：（1） 保证楼盖有足够的刚度、强 度和整体稳定性；（2）减轻楼盖结构的自重及减小楼盖结构层的高度；（3）有利于现场安 装方便及快速施工；（4）良好的防火、隔音性能，并便于敷设电力、通讯管线设施。钢结 构住宅中，楼板体系一般有以下几种：压型钢板混凝土组合楼板、预制混凝土叠合板、现浇 钢筋混凝土楼板。参考有关研究人员通过对工程实践进行总结，得出以上四种楼板进行了相 关性能的比较1，如下表.1 所示。表 1 四种楼板的综合性能比较Tab. 1 Comparison of Four Kinds of Floors Comprehensive Performance方面/类型 现浇钢筋混凝土楼板 预制混凝土叠合板 压型钢板混凝土组合板 SP 板预应力空心板 平面刚度 好 较好 最好 较差模板支撑 需要 不需要 不需要 不需要施工进度 慢。大量现场湿作业， 施工效率低一般。现场湿作业， 叠合层需现场浇注一般。现场湿作业，但省 去支模工作量最快。细石混体土 或砂浆灌缝管线布置 一般 不好 好 最好 楼板开洞 容易 容易 不易 不易 防火性能 好 好 差。钢板需防火处理 一般 防水性能 最好 一般 好 不好 结构自重 大 大 中等 小 造价 最低 低 最高 高工厂化 无 部分装配化 较低 大部分装配化空间效果 板底刮腻子喷涂，净 空较大板底抹灰即可，净 空较大底面凹凸不平，需做吊 顶，净空减小厚度大，占用层高 脚多综合结构承载力、刚度、抗震设防烈度和建筑功能等要求进行选择，本设计选择压型钢 板混凝土组合楼板。1.2.1闭口型压型钢板型号选择闭口型压型钢板如下图 2、3 所示2，主要具有如下优点的优点3：( 1) 强劲的混凝土握裹抗剪：特殊设计的闭口肋型和腹板上的嵌扣, 提供压型板和混凝 土间非常优异的握裹, 根据剪力载重试验结果, 这种组合楼板在它的极限允许设计载重状况 下, 未曾产生压型板与混凝土滑脱现象。( 2) 优越的组合楼板断面：此类压型板的形心非常接近板底, 在相同楼板厚度的条件下, 此类压型板的组合楼板比其它板型的组合楼板具有更大的楼板有效深度, 也因此提供了更 强劲的正弯矩抵抗力矩。( 3) 板底卡槽式悬吊系统：闭口型压型钢板组肋底沟槽提供了一种施工简易、经济、而 且永久使用的两片式悬吊零件,方便水电暖等方面使用, 而且在建筑物使用寿命期间, 可依 需要任由移动、拆除, 或重新安装。( 4) 施工简单、 迅速：这种组合板的闭口肋形,混凝土浇置过程中都不会产生漏浆现象,省却安装堵头的繁琐工作, 不仅降低施工成本, 又可缩短压型钢板的施工周期。( 5) 平整的板底外观：此类压型板平整的板底处理上要比现浇楼板更加的经济、 方便,完成后也更加的美观。图 2 闭口型压型钢板组合楼面 图 3 组合楼板底面Fig2. Closed profiled steel sheeting composite slabs Fig3. The bottom of the composite slabs根据建筑设计防火规范 4规定，由于要满足楼板 1.5 小时的防火要求，其上须浇80 厚的混凝土，采用开口型压型钢板楼板总厚度将达 130150mm,且用于居住建筑时，室 内需另加吊顶，如采用劲扣式闭口型的压型钢板楼板厚度可减为 110mm。故本结构采用 YX40-185-555(BD40)闭口型压型钢板组合楼板，如下图 4 所示截面尺寸，其肋高仅为 40mm, 且内口封闭，不需要再做吊顶，仅需在缝隙处加贴绷带即可。由于组合楼板担负着传递水平 力的作用，故而钢梁与压型钢板连接处应设置必要的栓钉，设计时考虑钢梁与楼板的组合作 用，可显著提高梁的承载力及稳定性，有效降低梁高，同时由于板底平整，无须吊顶，只要 板底喷涂即可，充分保证室内有效净空。图 4 YX40-185-555(BD40)闭口型压型钢板截面尺寸Fig4. The sectional dimension of YX40-185-555(BD40) closed profiled steel sheeting2组合楼板结构计算本文选用的 YX40-185-555(BD40)闭口型压型较开口型压型钢板产生的挠度小得多，因 此可加大钢梁的跨度，减少钢材用量。本设计其构件特性为：板厚t =0.75mm,全截面惯性矩 I = 289400mm 4 /m，采用 Q235 钢2材，强度设计值 f sy = 205N/mm。其上浇 110 厚 C30 混凝土，钢筋采用三级钢 HRB400，f yk2= 400 N/mm 。根据清华大学聂建国教授57等对闭口型压型钢板的刚度、受弯性能和纵向受剪性能的 研究结论。压型钢板在组合板中的作用与纵筋在混凝土板中的作用相似，不同的是锚固作用 比钢筋差在纯弯段，随着弯矩的增大，拉区裂缝陆续出现并显示一定的等间距性分布。可以 近似认为压型钢板组合板与钢筋混凝土板相似，因此可以将压型钢板视作混凝土板中的钢 筋，采用与普通钢筋混凝土受弯构件刚度相似的计算方法，但需修正一些系数，以期更符合 组合板挠度计算。计算时对 BD40 闭口压型钢板的截面抗弯刚度按混凝土结构设计规范 中式 8.2.3-1 进行计算8 ：Bs =2E s As h0式中： 为开裂截面内臂系数； + E 为受压边缘混凝土平均应变综合系数； 组合板中可认为是压型钢板受拉不均匀系数， 计算该刚度各参数取值参考混凝土结构第 9.3.5 节9。根据论文5中的研究结论中可2知本设计选取的 0.75mm 厚的 BD40 闭口型压型钢板单位长度的截面积为：As =1250 mm忽略板肋间隙影响组合板有效高度 h0 为板厚 110mm。 则纵向受拉钢筋配筋率（压型钢板视为底部受拉钢筋）：/m,计算截面抗弯刚度为：2 = Asbh05=12501000 1102= 0.0114 ；Bs =E s As h0 =2.06 101250 110= 1.89 1012 Nmm 2 ； + E 1.15 0.85 + 6 6.87 0.01142.1施工阶段验算2.1.1正截面受弯承载力验算 在施工阶段应对周围浇注混凝土底模的压型钢板按弹性方法进行强度和变形验算，计算宽度取单位宽度。以轴和 CD 跨间的压型钢板进行验算，将板看成承受均布荷载的简支板，强边方向最大跨距为 2.1 m。施工阶段 1m 板宽内的均布荷载包括： 恒荷载标准值（混凝土自重和板自重）： 2.85kN/m 2 ；施工荷载标准值：1.5kN/m 2 ；q =1.2 2.85+1.4 1.5=5.52kN/m 2 ， M = 1 ql 2 = 1 5.52 2.12 =3.04kNmfWs =fIh0 / 25=205 2.894 10110 / 28=10.79 1068Nm=10.93 kNm 3.04 kNm5满足要求。2.1.2挠度验算前文已求出压型钢板的受弯刚度计算值，根据结构力学计算方法可知：2满足要求。f = 5Ml48Bs5 3.04 106 21002=0.74mm Min l / 200, 20 = 10.5 mm；48 1.89 1012本设计其他房间的跨度有变化，根据闭口型压型钢板作用原理同普通钢筋混凝土板，且 能提高其承载力，其跨度可增大，但目前规范并没给出详细计算公式，所以只能参考国内相 关的研究结论进行计算，结果偏保守。结合目前已存在的工程实例，闭口型的压型钢板的性 能完全能够满足施工阶段要求。2.2使用阶段计算组合楼板，在使用阶段，共同承担永久荷载和活荷载。验算如下：2.2.1正截面受弯承载力验算楼面自重均布荷载：3.8kN/m 2 ；楼面活载：2.0kN/m 2 ，计算跨度 2.1m，取单位宽度。g k = 1.2 3.8 = 4.56 kN/m； qk= 1.4 2 = 2.8 kN/mM = 1 ( g + q)l802 = 4.06 kNm；V = 1 ( g + q)l202= 7.73kN。2f sy = 205 N/mm， Es = 2.06 10N/mm 2， f c = 14.3 N/mm， h0 = 110 mm，计算各参数如下： b =1 +0.8f sy0.0033Es h hsh0=0.81 + 2050.0033 2.06 105 70110=0.412As f syx =f c b= 1250 205 = 17.92 mm； = x14.3 1000h0= 17.92 = 0.163 Mu满足要求。s sy0222.2.2受弯承载力验算取一个波宽（185mm）进行计算，混凝土轴心受拉强度设计值 f t= 1.43 N/mm 2 。承受剪力V1 = V 185 /1000 = 1.43kN,忽略闭口型钢板肋板影响，混凝土平均宽度取为波 宽 185mm。0.7 f t bbm h0 = 0.7 1.43 185 110 =20.37kN V1满足要求。2.2.3变形验算根据混凝土结构设计规范第 8.2.2 条规定8：受弯构件的刚度 B,可按下列公式计算：sB =M kB M q ( 1) + M k式中： M k 按荷载效应的标准组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值；M q 按荷载效应的准永久组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值；Bs 荷载效应的标准组合作用下受弯构件的短期刚度，前文已求出； -考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数，按规范第 8.2.5 条取用。标准组合下弯矩为： M k= 1 ( g8k + qk9)l 2 =3.20 kNm；查建筑结构荷载规范表 4.1.1可知，住宅楼面活荷载的准永久值系数 q =0.4，则：准永久组合弯矩为： M q= 1 ( g8 k+ q qk)l 2=2.54 kNm；sB =M kB M q ( 1) + M k=3.202.54 (2 1) + 3.20 1.89 1012 =1.06 1012Nmm 2 ；则在标准组合荷载效应作用下压型钢板的挠度：5M l 25 3.2 106 2100 2f = k =48B48 1.06 1012=1.59mm Minl / 200, 20 = 10.5 mm；在准永久组合荷载效应下：25M q l f =5 2.54 106 21002=0.89mm Minl / 200, 20 = 10.5 mm；48B2.2.4构造要求48 1.06 101210根据钢结构住宅设计规程相关构造要求，要满足如下要求：（1）组合楼板应设置钢筋网，以承受收缩和温度应力，提高火灾时的安全性，并起到 分别集中荷载的作用，主梁、墙支座的负弯矩区也应该配置钢筋；本设计双向布置三级钢8200。（2）为防止压型钢板与混凝土之间的滑移，组合楼板的端部应设置栓钉；（3）压型钢板在钢梁上的支撑长度应不小于 50mm；（4）压型钢板及钢梁的表明处理：压型