一种新型钢肋-混凝土组合楼板有效翼缘的探讨.pdf

浙江建 筑 ， 第 2 7卷 ， 第 l 0期 ， 2 0 1 0年 1 0月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 7，No 1 0，O c t 2 0 1 0 一 种新型钢肋一 混凝土组合楼板有效翼缘的探讨 Di s c u s s i o n s o n t h e E f f e c t iv e Fl a n g e W i d t h o f a No v e l St e el Con c r e t e Co mp o s it e Floo r s l a b 赵 滇生 ， 陆 长春 ， 帅耀 锋 ZH AO Di a n - s h e n g，L U C h a n g c h u n ，S HU A I Y a o -f e n g ( 浙江工业大学建筑工程学 院， 浙江 杭州 3 1 0 0 3 2 ) 摘 要 ： 薄壁 型钢 一 混 凝 士组 合 梁是 在 钢一 混 凝 土组 合 梁 基 础 上 发 展起 来 的一 种 新 型 梁 。在 此 提 出一 种 新 型 薄 壁 型 钢 肋 一 混 凝 土组合板 ， 并采用非线性有限元法， 分析 了组合板承受不 同形式荷载下 的应力分布规律 ， 讨论 荷载形式及 连接件 间距 对组合板有 效翼缘宽度 的影响 。 关键词 ： 薄壁型钢一 混凝 土梁 ； 非线性 ； 连接件 ； 有效翼缘 中图分类号 ： T U 3 7 5 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 2 20 4 薄壁型 钢一 混凝 土组 合梁是 在钢一 混凝 土组合 结 构基础 上发展 起来 的一 种新 型 梁 ， 其 肋 梁采 用 薄 壁 型钢 ， 翼 板采用 混凝 土板 ， 两者 间用抗剪 连接 件连 成 整 体 。抗 剪连 接件是 钢梁 与混凝 土板共 同工 作 的基 础 ， 它沿钢 梁 与混 凝 土 板 的交 界 面设 置 。本 文 采 用倒 T型薄壁型钢梁， 将部分腹板按一定的间距弯曲 9 0 。 来充 当连接 件 ， 在倒 T型薄 壁 型钢梁 的两翼 缘上 铺加蒸压轻质加气 混凝 土 ( A L C ) 板充 当模板 ， 再在上 面浇筑普通钢筋混 凝土 ， 从 而形 成组 合楼板 ， 见 图 1 。 本文将着重分析这种组合 板设计时有效翼缘 的取值 。 抗剪连接件 抗 剪连接件 U U ( a ) 组合板横截面 ( b ) 组合梁沿 纵向连接件 图 1组 合 楼 盖 示 意 图 1组 合 楼 板 模 型 的 建 立 在本 文分 析 中 ， 认 为 AL C板 只起 到模 板 作 用 ， 不 考虑其 在组 合板 中 的抗 弯作 用 ， 但 考虑 其重 量 ， 有 限元 模型 见 图 2 ， 其 中 ， ( a ) 为组 合 楼 盖有 限元 模 型 图 ， ( b ) 为模 型 边 界 条 件 图。取 简 支 组 合 板 为 研 究 对象 ， 跨度 为 3 6 m， 考 虑 到 结 构 与 荷 载 的 对称 性 ， 取一半 建模 分 析 。薄 壁 钢 梁 的 问距 可 取 1 5 m 左 右， 因此翼板宽度 b取值在 1 5 m左右。 ( a ) 组合楼盖有限元模型 图 图 2 ( b ) 结构有 限元模型边界条件图 有 限 元模 型 图 采用 通用 软件 A N S Y S进行有 限元 分析 ， 钢筋 混 凝 土板采 用 S o l i d 6 5单 元 ， 并 采用 具有 由弥散 钢筋 单 元组 成 的整 体式 模 型 ， Wi l l i a m & Wa r n k e五参 数 破坏 准则 和多 线性各 向同性硬 化流 动律 ， 采 用这 种模拟 ， 既能 简单合 理地 模 拟 钢筋 的受 力性 能 ， 又可 有 效避 收 稿 日期 ： 2 01 00 32 6 作者简介： 赵滇生( 1 9 5 7 一)， 男， 浙江 义乌人 ， 副教授， 研究方 向为钢结构 、 空间结构 。 第 1 0期 赵滇生等 ： 一 种新型钢肋一 混凝土组合楼板有效翼缘的探讨 2 3 免应 力 的集 中。薄 壁 型 钢 梁 采 用 S h e l l l 8 1壳 单 元 ， 考虑 B a u s c h i n g e r 效应 ， 本 构 关 系采 用 双线 性 随动 强 化模 型 。薄 壁型 钢梁 上 的抗 剪连 接件 埋 在钢 筋混 凝 土里 ， 与钢 筋 混凝 土 板 交 界 面 上 滑 移 特 征 的 模 拟 采 用非 线性 弹 簧 C o mb i n 3 9单 元 。 弹簧 单 元 的 布 置 与 连接 件一 致 ， 连接 件 的布 置见 图 3 。 ( a ) 是组 合 楼 板 横截 面 网格划 分好 后 C o mb i n 3 9单 元 的 划分 ， ( b ) 是 组合 楼板 上 网格 划分 好 后 C o mb i n 3 9单 元 沿 纵 向划 分 的情 况 。在 有连 接 件 的位 置 ， 将 混 凝 土 节 点 和 钢 梁 节点 z向用 弹簧 单 元 连 接 ， 接 触 面上 所 有 重 合 节 点 的 向 和 Y向用 耦 合命 令 ， 使其 平 移 自由度 一 致 。 Co mb i n 3 9 单元 7 ( a )组合楼 板横截Co mb i n 3 9 ( b ) 组合楼板Co mb i n 3 9 单元划分图 单元沿纵向划分图 图 3组 合 板 连 接 件 的 布 置 对 于 在 组 合楼 板 上 施 加 集 中力 时 ， 为 避 免应 力 集 中 ， 在 模 型上 加 上 刚 性 垫 块 。垫 块 的 下层 节 点 与 楼 板 的上 层节 点 的三个 自由度 全部 耦合 。 2材 料 本 构 关 系 混 凝 土 的受 压 应力一 应 变关 系 曲线 方程 为 ： 1 1 一 ) s c o 0 k s0 s 式 中 ： 一 混 凝 土轴 心抗 压 强度 标 准值 。 参数 n ， s 。 和 。 的取值 n =2一 ( 一5 0 ) 2 0 ( 2) s 0=0 0 0 2+0 5( k 一5 0)1 0一 0 0 0 2 ( 3 ) s =0 0 0 3 3一( k 一5 0)x 1 0 0 0 0 3 3 ( 4) 式 中 一 混 凝 土立 方体 抗 压强 度标 准值 。 钢材 关 系 方程 s = 式 中 ： 一 与 相对 应 的应 力 ； E 一 钢材 的 弹性模 量 ， 取 2 0 61 0 N mm ； 一 钢 材 的屈 服点 ； 6 一 最 大 的应变 。 3 组 合 楼 板 有 效 翼 缘 宽 度 的分 析 钢一 混 凝 土组 合板 中 ， 钢梁 与混 凝 土板 之 间的水 平剪 力 由连 接 件 传 递 。 由 于剪 切 滞 后 ， 混 凝 土 板 中 的应力 分布 是不 均 匀 的 ， 中间大 ， 两侧 小 。 0 l 2l 9 2 4弼 3 65 7 4 87 6 6 o 95 7 3l 4 8 5 33 9 4 52 l O 图 4 组 合 板 应 力 云 图 图 5 组 合 梁 应 力 分 布 图 图 4是 经 A N S YS计算 得到 组合 板 的应 力云 图 。 图 5是 用 A N S Y S计算 得 到 的混 凝 土 翼 板 沿 宽 度 方 向的应 力分 布 。 于是 有 效翼缘 宽 度 b =s t r ( 6 ) 式 中 ： s A B C D E所包 围面积 ， 可用 辛 卜 生 方法 对 应 力分 布 曲线进 行 数值 积分 求得 。 根 据文 献 6 ， 影 响有 效 翼 缘 宽 度 的 主要 因 素 为 宽跨 比、 荷 载 类 型 、 滑 移 刚度 。 组 合 板 Z 为跨 度 ， h 为 钢梁 的 高 度 ， h 为 混 凝 土 翼 板 厚 度 。 各 种 荷 载 下作 用 ， 随宽跨 比 b l 增 大 ， 有效 翼缘 宽度 b 与实 际 宽 度 b 的 比值 卢减 小 。 文献 6 认 为 l h 、 h 、 连接 件 刚度 对 的影 响一般 不超 过 1 0 。 本 文 主要 研究 宽跨 比及荷 载类 型 变化 对有 效翼 缘 的影 响 。 模 型 中薄 壁 型 钢 梁 的翼 缘 板 厚 6 min ， 腹 板 厚 4 mm。采 用 Q 2 3 5钢 材 ， 混 凝 土翼 板 的强 度 等 级 为 C 3 0 。 根 据文 献 2 ， 取 现 浇 钢 筋 混 凝 土板 最 小 厚 E 立 E c o、 一 E 十 2 4 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 度 5 0 mm。 构件参 数 和材料性 能列 于表 1和表 2 。 表 1 构 件 的 参 数 表 2 材料 性 质 从 图 6可 以看 出 ， 不 同翼 板宽 度 的 荷载 位 移变 化情 况 。 Z HL 一 1的 F - u图基本 成直 线 ， 即 Z HB - 1还处 在 弹 性 阶 段 ， 材 料 强 度 难 以 充 分 发 挥 ； Z HB - 2和 Z H B 3的钢梁 都进 入 了塑性 ， 但 Z HL - 3很 快 就进 入 塑性 流动 ， 强度储 备 不 足 ， 工 程 的 实用 性 不 大 。 文 献 2 规定 ， 梁的挠度限制在 1 2 5 01 2 0 0 ， 对于跨 度 为 3 6 m的梁 其挠 度 限值 在 1 4 41 8 mm。 Z HB - 2 连接件 间距 为 6 0 l i i m， 在 位 移达 到 2 0 mm后 进 入 塑 性 状态 ， 而 Z HB 2在 连接 件 间距 为 3 0 m m 和板 与钢 梁无 滑移 以及 Z HB 1的 3种 不 同 连接 情 况 ， 材 料强 度并未 充分 发挥。从经 济和 正常 使用 角度 考虑 ， Z HB 一 2连接件 间距 为 6 0 m m， 具 有 较 好 的 工 程 实用 意 义。 v mm v r n m v mm ( a ) 翼板b = 8 0 m m ( b ) 翼板b = l 0 0 0 mm ( c ) 翼板b = l 2 0 0 mm 一 板与钢梁无滑移一 连接件间距3 0 m m口一 连接件间距6 0 m m 图 6 均布荷载下不同连 接情 况组合梁荷载位移 图 表 3和表 4是根 据公式 ( 7 ) 计 算 出组合 梁 的有 效翼 缘宽度 ， 表 中 为距 离跨 中截 面 的距离 ， 由表 可 见 ， 集 中荷 载对有 效翼 缘宽 度有较 大 的影响 。 支座处 截面 ( ：1 8 0 0 mm)的有效 翼 缘 宽度 为 最小 ， 跨 中 截面 ( z=0 m m)处有效 翼缘 宽度为 最大 。 集 中力作 用沿跨 度方 向的影 响不 明显 ， 而均布 荷载 较 明显 ， 主 要 是翼缘 板 中剪切 滞 后分 布 不 同。 不 同翼缘 宽 度 的 板 ， 有效 翼缘 的 比值 与翼 缘宽 度 比值 基本一 致 。 表 3 均 布 荷 载 下 不 同 截 面 的 有 效 翼 缘 宽 度 表 4 集 中荷载下不 同截面的有效翼缘宽度 z l 2 n ( a ) 均布荷载下有效翼缘宽度系数 ( b ) 集中荷载下有效翼缘宽度系数 r -b l = O 2 2 2 2 2 2 _【 卜 b l = O 2 7 7 7 7 8 卜b I - O 3 3 3 3 3 3 图 7 不 同 荷 载 下 有 效 翼 缘 宽 度 系 数 第 1 0期 赵滇生等 ： 一种新型钢肋一 混凝土组合楼板有效翼缘的探讨 2 5 由 图 7 ， 以 z l 为参数 对 J B 进 行拟 合得 式 ( 7 ) ( 均 布荷载 )和式 ( 8 ) ( 集 中荷 载 )： ：一 0 2 4 z l+0 9 ( 7) =一 0 0 8 z l+0 7 2 ( 8) 根据文献 3 规定组合梁混凝土翼板的有效宽度 b 取 肋 间 距 和 板 厚 1 2倍 的 较 小 值 。因 此 ， Z HB 1 、 Z H B 一 2 、 Z H B 3的 有 效 宽 度 b 都 为 6 0 5 m m， 显 然 不 合理。 文献 5 认 为 ， 宜 取 1 3跨 度 位 置 处 有 效 宽 度 作 为全跨 平 均有 效 宽度 ， 也 就 是上 表 中 z=6 0 0 mm 的有 效宽 度取 为全 跨 的平 均 有 效 宽 度 。 与 文 献 6 和文 献 3 相 比 ， 按 本文 计算 得 到有 效 宽度 略 大 。 文献 6 给 出了在 3种 不 同荷 载 形 式 下 ， 组 合 粱有效 翼 缘宽 度 系数 随宽 跨 比不 同 的 系数 公 式 ， 本 文模 型计 算值 见 表 5 。 表 5 文献 6 给出的 可 以 看 出加 载 形 式 对 组 合 梁 的有 效 翼 缘 宽 度 影 响 明 显 。 其 中 以 跨 中 集 中荷 载 有 效 翼 缘 宽 度 最 小 ， 这 是 由 于全 梁 所 有 截 面 剪 力 均 达 到 最 大 值 ， 剪 切滞 后 严 重 ， 均 布 荷 载 的 应 力 分 布 平 缓 些 ， 得 到 的 有 效 翼 缘 宽 度 值 会 大 一 些 。 三 分 点 集 中 荷 载 情 况 介 于 二 者 之 间 。 与 本 文 给 出 有 效 翼 缘 计 算 宽 度 较 相 符 。 4 结 论 根 据 分 析讨 论 ， 可 以 得 出本 文 所 提 新 型组 合 板 有 效翼 缘 宽度 的下 列 结论 ： ( 1 )荷载 形式 不 同 ， 翼 缘 剪 切 滞 后 的 分 布 规 律 不 同 ， 导致 混凝 土翼 缘 内应 力分 布不 同 ， 有效 翼缘 宽 度 也不 同。 ( 2 )组 合 板 宽 与跨 度 比 b l 是 影 响 有 效翼 缘 宽 度 b 的主要 因素 。 ( 3 )支座 处截 面 的 有 效 翼 缘 宽 度 为 最 小 ， 跨 中 截 面处有 效 翼缘 宽度 为 最 大 ， 简 支 板 强 度 计算 可 取 跨 中有效 翼 缘宽 度 ， 变 形 计 算 可 取 平 均 有 效 翼缘 宽 度 ， 即 1 3跨 度位 置处 。 ( 4 )不 同翼缘宽度 的板 ， 有效翼缘 的比值 与翼 缘宽 度 比值 基本 一致 。 ( 5 ) 本 文 给 出 了当 b l 在 一定 范 围内 ， 有效翼 缘 宽度 系数 计算 公式 。 参 考 文 献 1 聂建国 钢一 混 凝土 协 同工作 的分 析及试 验 J 建筑结 构学 报 ， 2 0 0 0 ， 1 5 ( 3 ) ： 4 2 5 1 2 李明顺 ， 徐有邻 ， 白生翔 ， 等 混凝 土结 构设计 规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 3 张启 文 ， 夏 志斌 ， 黄友 明 ， 等 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结 构设 计规范 s 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 4 聂建 国， 田春雨 考虑 剪力滞 后的组 合梁极 限承载力 计算 J 中国铁道科学 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 )： l 62 2 5 聂建 国， 田春雨 简支组合梁板体 系有效宽 度分析 J 土木工 程 学 报 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 8一l 2 6 郭杰华 钢一 混凝土组合 梁有 效翼缘研 究 D 哈尔滨 ： 哈 尔滨 工 程 大 学 建 工 学 院 ， 2 0 0 3