压型钢板与混凝土组合楼板王鹏汇总.ppt

1,第三章压型钢板与混凝土组合板,组合结构理论,姓名王鹏,专业结构工程,学号152081402017,2,压型钢板与混凝土组合板,目录,3.1概述4,3.2压型钢板-混凝土组合板的类型9,3.3压型钢板的形式及截面特征11,3.4组合板的破坏模式13,3.5组合板的设计和计算16,3.6组合板的计算原则和方法22,3,3.7组合楼板的振动控制26,3.8构造要求27,3.9组合板的有限元分析31,3.10组合板研究的热点和难点问题43,4,3.1概述1.基本概念：压型钢板与混凝土组合板是20世纪60年代前后兴起的一种新型组合结构。压型钢板混凝土组合楼板：利用凹凸相间的压型薄钢板做衬板与现浇混凝土浇筑在一起支承在钢梁上构成整体型楼板，主要由楼面层、组合板和钢梁三部分组成。适用于大空间建筑和高层建筑，在国际上已普遍采用。,第三讲压型钢板与混凝土组合板,5,6,2.分类（压型钢板按其在组合板中的作用可分为三类）：,以压型钢板作为板的主要承重构件，混凝土只是作为板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用。按钢结构规范进行施工阶段和使用阶段计算。压型钢板仅作为浇筑混凝土的永久性模板，并作为施工时的操作平台。考虑施工阶段荷载，按钢结构计算。使用阶段仅考虑混凝土，按按混凝土规范计算混凝土板。以上两类均属于非组合板。考虑组合作用的压型钢板混凝土组合板。施工阶段压型钢板作为模板及浇注混凝土的作业平台。使用阶段，压型钢板相当于钢筋混凝土板中的受拉,7,钢筋，在全部静载及活载作用下，考虑二者的作用。本章主要讲第三类，即组合楼板。3.组合楼板优点1)压型钢板作为浇灌混凝土的模板，节省了大量木模板及其支撑。2)压型钢板工厂生产、运输、堆放方便，节省大量支模工作，并且改善了施工条件。3)在使用阶段，由于组合作用，可代替受拉钢筋。减少了钢筋的制作与安装工作。,8,4)刚度大，自重轻。5)便于敷设通信、电力、采暖等管线。6)便于立体作业，加快施工进度，缩短工期。7)可直接做顶棚。8)减小了发生火灾的可能性。,9,3.2压型钢板-混凝土组合楼板的类型有：1、在压型钢板上设置压痕，以增加叠合面上的机械粘结，如图（a)2、改变压型钢板截面形式，以增加叠合面上的摩擦粘结，如图（b)3、在压型钢板上翼缘焊接横向钢筋，如图（c)4、在压型钢板端部设置栓钉连接件，以增加柱和板端部锚固，如图（d),10,11,3.3压型钢板的形式及截面特征,3.3.1压型钢板的形式：(1)闭口形槽口的压型钢板(图3.1a)(2)轧齿槽或开小孔的压型钢板(图3.1b)(3)加焊钢筋的压型钢板(图3.1c),图3.1,12,3.3.2压型钢板的截面特征1.受压翼缘的有效计算宽度在与腹板交接处应力最大，距腹板愈远，应力愈小，呈曲线递减。实用上常把翼缘的应力分布简化成在有效宽度上的均布分布。可近似取，t为压型钢板板厚。2对压型钢板的要求压型钢板的厚度一般不应小于0.75mm。为便于浇灌混凝土，要求压型钢板的平均槽宽不小于50mm。当在槽内设置带头栓钉时，压型钢板的总高，包括刻痕在内不应大于80mm.,13,3.4.组合板的破坏模式（见图3.4）1.弯曲破坏（沿1-1）当组合板中含钢量适当时，破坏是从受拉区压型钢板及受拉钢筋开始，及受拉钢板及钢筋首先屈服，板的变形裂缝迅速发展，受压区不断减小，最后由于混凝土被压碎而告破坏。通常应以含钢率或x值控制。2.纵向水平剪切粘结破坏（沿2-2）,14,主要由于混凝土与压型钢板的界面抗剪切滑移强度不够，使两界面成为组合板薄弱环节。破坏特征：首先在靠近支座附近的集中荷载处混凝土出现斜裂缝，混凝土与压型钢板开始发生垂直分离，随即压型钢板与混凝土丧失抗剪切粘结能力，产生较大的纵向滑移。3.斜截面的剪切破坏（沿3-3）这种破坏一般发生在当组合板的高跨比很大、荷载比较大、尤其是在集中荷载作用时，发生支座最大剪力处沿斜截面剪切破坏。,15,图3.4组合板破坏模式,16,3.5组合楼板设计计算：1、正截面承载力计算当塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上的混凝土内，即时：,17,式中：,组合板受压区高度，当时，取；,组合板的有效高度，即从压型钢板重心至混凝土受压边缘的距离；,压型钢板截面应力合力至混凝土受压区截面应力合力的距离；,压型钢板肋间距；,单位宽度内压型钢板的截面面积；,混凝土的抗压强度设计值。,当塑性中和轴在压型钢板内，即时：,18,由,由,式中：,塑性中和轴以上的压型钢板面积；,19,压型钢板受拉区截面拉应力合力至受压区混凝土板截面压应力合力的距离；,压型钢板受拉区截面拉应力合力至压型钢板截面压应力合力的距离；,2、斜截面承载力计算组合板斜截面抗剪承载力应满足下式要求：,式中：,组合板一个波距内斜截面最大剪应力设计值；,混凝土的抗拉强度设计值。,20,3、纵向抗剪承载力计算,式中：,组合板的简跨（mm)，一般可取Lv=M/N，对均布荷载下的板可取为板垮的1/4；,组合板的平均肋宽；,压型钢板的厚度（mm)；,组合板的抗剪承载力（kN/m)；,组合板的纵向剪力设计（kN/m)；,剪力粘结系数，由实验确定，可参考下列数值：,21,、,、,、,组合板在达到抗弯承载力极限状态时，纵向剪力设计值为：,4、受冲切承载力计算组合板在集中荷载作用下的冲切力为V1，应满足下式要求：,式中：,临界周界长度，如下图。,压型钢板顶面以上的混凝土计算厚度。,22,3.6组合板的计算方法和原则,1施工阶段压型钢板作为浇筑混凝土的模板，采用弹性方法计算。强边（顺肋）方向的正、负弯矩和挠度应按单向板计算，弱边（垂直肋）方向不计算。,施工活荷载一般按等效均布荷载，根据施工实际情况确定，但应不小于1.5kN/m2。考虑到未和混凝土“组合”前，压型钢板刚度较小，变形较大，因此混凝土体积可能超过图纸所标的标准体积，因此将混凝土自重乘以1.1的系数,23,2使用阶段（1）实用设计法当压型钢板顶面以上的混凝土厚度为50mm至100mm时，组合板强边（顺肋）方向的正弯矩和挠度，按承受全部荷载的简支单向板计算，强边方向负弯矩按固端板取值，不考虑弱边（垂直肋）方向的正、负弯矩。,24,（2）双向组合板周边支承条件当双向组合板的跨度大致相等，且相邻跨是连续时，板的周边可视为固定边。当组合板相邻跨度相差较大，或压型钢板以上的混凝土板不连续时，应将板的周边视为简支边。各向异性双向板对于各向异性双向板的弯矩，可将板形状按有效边长比加以修正后视作各向同性板的弯矩。强边方向的弯矩，取等于弱边方向跨度乘以系数后所得各向同性板在短边方向的弯矩；弱边方向的弯矩，取等于强边方向跨度乘以系数后所得各向同性板在长边方向的弯矩。,25,四边支承双向板强边（顺肋）方向按组合板设计，弱边（垂直肋）方向，仅取压型钢板上翼缘以上的混凝土板进行设计。（3）连续组合板对于连续组合板，当采用弹性方法进行内力分析时，若允许支座混凝土开裂，则可按考虑塑性内力重分布的计算方法，中间支座处的负弯矩可适当地进行调幅。支座负弯矩降低之后，跨中正弯矩亦相应地增加，即应满足静力平衡条件。,26,3.7组合板的振动控制组合板的自振频率不能过小，否则容易受外力干扰而发生较大振动，影响结构的安全性和正常使用。板的自振周期应满足：可按下列近似方法计算自振频率：,(3.50),(3.51),由永久荷载产生的挠度（mm）。,27,3.8构造要求1.压型钢板的板厚不小于0.75mm，一般为0.752.5mm。2.组合板的全高不小于90mm,压型钢板顶面至组合板顶面的高度不小于50mm.3.简支组合板的跨高比不大于25,连续组合板的跨高比不大于35。4.连续板及悬臂板的负弯矩区应按计算配置负钢筋,总量不小于0.002bh0.,28,5.在集中荷载或线性荷载作用下的组合板，应在有效宽度bef的范围内配置分布筋，其总面积不少于组合板截面的0.2%。当板上开洞较大时，应在洞口周围附加钢筋。附加钢筋不少于被削弱部分的面积。6.为了防止混凝土收缩及温度影响,也为了分布荷载,混凝土内应配分布钢筋网,其设置满足混凝土结构设计规范的要求.7.沿墙的四周及角部,板伸入墙内,可按混凝土规范配置板顶面的附加钢筋.,29,图组合板的支承要求,30,图组合板与支座连接栓钉,图压型钢板端部的横向钢筋,31,3.9组合板的有限元分析一.有限元概述1.由于压型钢板一混凝土组合楼板是由两种不同性质的材料混凝土和钢板组合而成的,因此它的性能明显地依赖于这两种材料的性能,特别是在非线性阶段。2.混凝土和钢板本身的各种非线性性能,都不同程度地在这种组合结构中反映出来。3.在用传统的解析方法分析钢一混凝土组合结构的非线性问题时只能解决一些非常简单的构件或结构的计算,对于大量的组合结构的分析问题,只能用数值分析方法解决。有限元法作为一个强有力的数值分析工具,在对结构的非线性分析中发挥了越来越大的作用。,32,4.用有限元法对钢一混凝土组合结构进行分析时,可以在计算模型中分别反映混凝上和钢筋材料的非线性特性;可以用特殊的单元模拟两者之间的组合作用;可以在一定程度上模拟节点的构造和边界条件;可以提供大量的结构反应信息,如应力,变形的全过程,结构开裂以后的各种状态;借助先进的计算机图形显示技术,还可以直观地看到结构受荷后从弹性变形到开裂、破坏的全过程,为进行合理的设计提供形象的依据.,33,有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间通过节点相联系,所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元,选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、子域分界面上(内部边界)以及子域与外界分界面(外部边界)上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来,就得到了整个结构的方程。求解该方程组,就可以得到结构的近似解。,6.有限元法的一个突出优点就是能够有效地考虑结构的复杂性,如边界条件变化、构件刚度变化、材料属性变化、温度变化等,它还可以考虑各种参数变化时产生的影响,允许进行参数分析计算,使分析更符合实际。,34,7.有限元模拟分析实际上就是对实际结构的合理简化然后进行数值分析,其成功与否主要取决于以下几方面的工作:,（1）单元类型的选取,(2)线性材料的本构关系,(3)各种单元之间的协调,(4)载荷的施加,（5）非线性求解,35,二.单元类型对压型钢板一混凝土组合楼板的建模,ANSYS中提供的多层壳单元,忽略压型钢板与混凝土之间的滑移.,三.材料特性,本构关系所基于的理论模型主要有:弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性理论、粘塑性理论、断裂力学理论、损伤力学理论、内时理论等。,虑到钢一混凝土组合结构的特点及计算分析的方便,在钢一混凝土组合结构非线性有限元分析中应用较多的是非线性弹性理论和弹塑性理论。,36,四.压型钢板材料特性对于压型钢板来说,由于平板被压成凹凸肋,这样就使得板的两个方向的弹性模量和泊松比有很大的差异:顺肋方向具有一定的抗弯能力,而垂直于肋的方向上抗弯能力较差。因此,压型钢板的本构关系采用,可以在三个方向定义不同的双折线应力一应变关系以及不同的拉伸、压缩和剪切特性。,五.有限元模型的建立,对压型钢板一混凝土组合楼板的建模,可采用实体模型。在组合楼层中,组合板通常可以按简支板设计,为便于阐述,下面就简支组合板来介绍有限元模型的建立。以完全剪力连接组合板为例：,37,六.完全剪力连接组合板的建模模型,1.压型钢板的等效,压型钢板等价为正交各向异性平板的等价条件是:在板边缘施加水平力时,压型钢板产生的位移和变形与平板产生的位移与变形相等,且具有相同的尺寸和厚度。,38,式中分别为局部坐标系：轴方向的等效弹性模量;是因y向的应变而导致向应变的泊松比,是。是与垂直的y向的泊松比;是等效剪切模量,如图3.7所示。这5个量中只有4个是独立的,它们之间存在着关系式,.,根据基本材料的弹性模量及压型钢板的断面几何参数,利用等价条件可以得到：,39,40,图3.7等价各向异性板的两个方向,图3.8矩形波压型钢板剪切变形及几何尺寸,式中b的值要通过等效原则来确定,即压型钢板的惯性矩与矩形板的惯性矩相等的原则来确定,取计算结果中的较大值。,41,2.压型钢板-混凝土组合截面壳体单元SHELL91非线性多层壳单元SHELL91是一个8节点的壳单元,每个节点有六个自由度:沿节点坐标系的x,y,z方向平动,绕节点坐标系的x,y,z方向转动。该单元用于分层壳模型或者用来模拟厚的夹层结构,最多可定义100个不同的层,并具有塑性功能。该单元的几何形状、节点位置以及局部坐标系如右图所示。,42,43,3.10组合板研究的热点和难点问题目前,国内外常用的压型钢板形式有许多种,在与混凝土组合时,混凝土板的厚度、强度也有很多选择。不同形式的压型钢板一混凝土组合楼板的承载力是不一样的,但在选用压型钢板形式时,往往以加工方便为首要因素,而忽略了对承载力的有利影响。因此,分析比较各个因素对组合板承载力的影响,为工程上组合板各参数的选择提供理论依据是很有必要的。到目前为止,各国规范都规定,压型钢板一混凝土组合楼板界面的抗剪强度计算必须以试验数据为基础。利用试验进行研究是很重要的,取得的资料是第一手的、客观的,而且在某种状态下,组合板的