钢管桁架倒T形叠合板施工阶段短期刚度研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.032混凝土Concrete混凝土制品CONCRETEPRODUCTS钢管桁架倒T形叠合板施工阶段短期刚度研究杨旭杰，彭修宁，柯晓军，林焯铭，邹新(广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530 0 0 0)摘要：钢管桁架倒T形混凝土叠合板（GDTDB)是结合钢管桁架叠合板和倒T形底板混凝土叠合板的特点提出的一种新型钢筋混凝土叠合板，研究叠合板的预制底板在施工阶段的受力性能尤为重要。为研究预制板的短期刚度，设计并用ABAQUS建立4个GDTDB模型，模拟计算给出相应的荷载-跨中挠度曲线。按等效截面刚度法进行GDTDB预制板在施工阶段的短期刚度计算式的理论计算，其中钢管桁架中的灌浆钢管刚度按整体法考虑，并给出GDTDB预制板相应的理论荷载-跨中挠度曲线。研究表明：按等效截面刚度法计算的跨中挠度与模拟结果在预制板的刚度没有发生明显退化时，数值上较为吻合，该计算方法可应用于该类楼板的设计和验收阶段。关键词：GDTDB；短期刚度；灌浆钢管；跨中挠度中图分类号：TU528.7Study on short-term stiffness of steel tube truss inverted T-shaped composite slab during construction stageAbstract:The steel tube truss inverted T-shaped concrete composite slab(GDTDB)is a new type of reinforced concrete compositeslab,which combines the characteristics of steel tube truss composite slab and inverted T-shaped concrete composite slab.It is particularlyimportant to study the mechanical performance of prefabricated composite slab in the construction stage.In order to study the short-termstiffness of prefabricated panels,four GDTDB models were designed and established by ABAQUS,and the corresponding load-deflectioncurves were obtained by simulation calculation.According to the equivalent section stiffness method,the short-term stiffness calculationformula of GDTDB prefabricated plate in the construction stage is theoretically calculated.The grout steel pipe stiffness in steel pipe truss isconsidered as a whole method,and the corresponding theoretical load-mid-span deflection curve of GDTDB prefabricated plate is given.The results show that the mid-span deflection calculated by equivalent section stiffness method are good match with the simulation resultswhen there is no obvious degradation of the prefabricated plate stiffness.The calculation method can be applied to the design andacceptance of this kind of floor slab.Key words:GDTDB;short-term stiffness;grouted steel pipe;mid-span deflection文献标志码：AYANG Xujie,PENG Xiuning,KE Xiaojun,LIN Zhuoming,ZOU Xin(School of Civil and Architectural Engineering,Guangxi University,Nanning 530000,China)文章编号：10 0 2-3550(2 0 2 3)0 6-0 159-0 4高混凝土预制底板抗弯刚度和承载力以及增强叠合层与0引言钢筋混凝土预制板在叠合面处的抗剪承载力的作用 4-7。因我国国情的需要，较传统建筑标准化程度高、施工效GDTDB是结合钢管桁架叠合板和倒T形底板叠合板率高、环保的装配式建筑在我国得以迅猛发展！,混凝土叠的特点提出的一类新型叠合板,GDTDB由倒T型钢筋混合板也因此在我国的装配式建筑结构中被大量的应用。混凝土预制板和上部的钢管桁架通过桁架的腹杆钢筋组合凝土叠合板是由预制板和后浇混凝土组成，二阶段成型的在一起共同受力。GDTDB和钢筋桁架叠合板的受力特性整体受力板件 2-3。我国国内目前的混凝土叠合板研究主要在机理上大致相同,不同点在于增加了混凝土肋和将上弦集中在三类叠合板，分别是钢筋、钢管桁架叠合板和预制钢筋用钢管架替代，增加了预制底板刚度。该新型叠合板带肋底板混凝土叠合板。钢筋、钢管桁架叠合板板件构造相具有刚度大，支撑少甚至无需支撑等优点。较普通钢筋桁架似，是由上部的钢筋、钢管桁架和下部的钢筋混凝土预制叠合板而言，该板增加跨中高度符合简支板跨中较危险的板通过桁架的腹杆钢筋作为连接件组合在一起共同受力受力特点，充分利用材料性能的同时有助于节约材料,更具的叠合板；预制带肋底板混凝土叠合板的预制板截面类似经济性。GDTDB预制板运输到施工现场按图纸摆放完成于T形或多个T形的组合，是在预制底板顶、底面加设混后，贴近底板顶面布置叠合层的底部横向受力钢筋，当板凝土肋的叠合板。钢筋、钢管桁架或混凝土肋都能够起到提件为单向叠合板时，仅需按构造布置分布钢筋。最后浇筑混收稿日期：2 0 2 2-0 3-15基金项目：国家自然科学基金（5116 8 0 0 2,5150 8 112）159凝土叠合层，形成钢管桁架倒T形混凝土叠合板。预制底板的受力性能研究是十分重要的,预制底板作为“二次受力”的永久模板，其还会影响混凝土叠合板在使用阶段的受力性能，所以进行钢筋混凝土预制板施工过程中的受力性能研究尤为必要。目前叠合板的研究主要集中在钢筋、钢管桁架混凝土叠合板，其中已有大量关于在施工阶段钢筋桁架混凝土叠合板短期刚度的文献 8-11,其短期刚度的理论公式已经趋于成熟。而GDTDB这种新型叠合板尚未开展研究，施工阶段的受力性能如短期刚度尤为重要，需要进行探讨。本文结合现有的规范公式,对GDTDB在施工阶段的短期刚度进行了理论公式推导和建模验证。1GDTDB施工阶段刚度数值模拟1.1基本假定基于混凝土与钢材之间的黏结滑移特性,本文作如下的简化假定：(1)混凝土与钢筋充分黏结,无相对滑移。(2)钢管与高强砂浆之间充分黏结,无相对滑移 12-13。1.2有限元建模本文的GDTDB模型参照标准图集15G366-1桁架钢筋混凝土叠合板（6 0 mm厚底板）14中板宽12 0 0 mm，跨度30 0 0、36 0 0 mm的单向板模板和配筋，试件参数见表1，试件尺寸见图1。编号跨度/mmGDTDB13600GDTDB23600GDTDB33000GDTDB430003.000(3 600)100(120)21200图1试件尺寸（单位：mm）钢管桁架倒T形叠合板中的混凝土和高强砂浆均采用实体C3D8R单元；纵向受力筋、分布筋和腹杆钢筋均采用Beam单元；桁架钢管采用Shell单元，以精确模拟桁架钢管的刚度贡献。结合GB50010一2 0 10 混凝土结构设计规范 15,参照刘巍 1、张劲 17 、郭明 18 基本损伤假定,采用CDP(混凝土塑性损伤)本构关系；钢筋采用文献中的二折线弹塑性本构关系 19。GDTDB预制底板的边界约束采用铰支座，跨中不设置160支撑；纵向受力筋和分布筋采用Embedded命令内嵌于混凝土底板中,桁架腹杆与混凝土Embedded连接,高强砂浆和桁架钢管之间采用Tie命令来协同受力。为确保模型的计算精度，有限元模型的单元尺寸控制在10 2 0 mm，有限元模型如图2 所示。图2 钢管桁架倒T形叠合板有限元模型2GDTDB施工阶段刚度理论分析2.1预制底板抗弯刚度计算考虑到桁架腹筋主要承受剪切力，对叠合板抗弯刚度的提升微乎其微，可以忽略，所以一般不考虑腹杆钢筋对叠合板施工阶段短期刚度的影响。采用换算截面法来计算GDTDB预制板施工阶段的短期刚度。预制板的抗弯刚度可分为4部分组成，分别是灌浆钢管的抗弯刚度，倒T形混凝土板的抗弯刚度，纵向受力筋的抗弯刚度以及灌浆钢管横截面面积与灌浆钢管形心位置和预制底板中性轴距离平方的乘积。因为预制板在施工过程中摆置时板的两端一般摆放在钢梁或者临时支撑上，表1试件参数所以其跨中挠度可按简支梁的结构形式采用挠度式板宽/mm肋宽/mm120010012001201200100120012000L05ql4进行计算。384BsGDTDB预制底板的计算简图见图3,换算惯性矩的计算如式(1)(7):1o=/i;+/2+1;+14TD4I,-Esc64Bbt+Bt2t212-yo+Bt(ti+t2-yo)2十12 12l;=A,(er-1)(yo-y1)2I=EscTD4(ha-yo)24EEsCE。EfE=E。式中：1o-预制板的换算惯性矩；灌浆钢管的横截面换算惯性矩；12一佳倒T形混凝土板的横截面换算惯性矩；13纵向受力筋的换算惯性矩；14-灌浆钢管横截面换算惯性矩的平行移轴部分；D-钢管外径；B预制底板的宽度；6混凝土肋肋宽；混凝土肋肋高；(1)(2)2(3)(4)(5)(6)(7)算式(16)(17)进行短期刚度计算。钢管桁架预制板的短期DDOB图3GDTDB预制底板的计算简图底板的厚度；t2换算截面的形心轴与底面的距离；yo纵筋形心与底面的距离；Ap纵筋的横截面面积；ha灌浆钢管形心与底面的距离；Es灌浆钢管的弹性模量；E混凝土的弹性模量；E一纵筋的弹性模量。灌浆钢管的结构形式与钢管混凝土相似,弹性模量Ec可参考钢管混凝土计算弹性模量的公式。查阅已有国内外叠合板的相关资料可以发现，钢管混凝土刚度的计算公式虽有不同，但可以在大类上分为“叠加理论”和“整体理论”。叠加法对混凝土外部钢管的环箍约束不予考虑，分别计算刚度再进行数值上的叠加，或考虑混凝土的刚度折减系数再叠加。整体法则考虑混凝土外部钢管的环箍约束作用，以复合弹性模量来进行考虑。本文采用考虑灌浆料外部钢管的环箍约束的整体法，根据DL/T5085一19 9 9 钢-混凝土组合结构设计规程2 0 的钢管混凝土刚度式进行计算：(8)(9)fsp=(0.192f,/235+0.488)fsey8so=0.67f,/Esfse=(1.212+ns5o+neS)fekm=0.175 9f,/235+0.974me=-0.103 8fk/20+0.030 95o-.f,lfk=A,/A。式中：E灌浆钢管组合构件的弹性模量；f组合构件的弹性极限；8sp组合构件的弹性极限应变；E.钢材的弹性模量；组合构件的轴心抗压强度标准值；灌浆材料的轴心抗压强度标准值；钢材的屈服强度；50构件横截面的套箍系数设计值；截面内含钢率；sAsA。灌浆料的横截面面积。GDTDB预制底板的短期刚度选用GB50010一2 0 10混凝土结构设计规范 15在7.2.3-1对钢筋混凝土受弯构件的刚度计算式为B二1.15+0.2+1+3.5%fE=E,/E赵磊2 1研究发现,上述式(16)(17)并不适用于计算自承式钢筋桁架叠合板的短期刚度，故此，本文不采用上述计刚度B,根据文献 2 2 可以分为开裂前的短期刚度Bs和开裂后的短期刚度B2,其中,预制底板开裂前短期刚度Bs1为Bsi=0.85EJo(18)预制板出现裂缝后，短期刚度B为B2-BE.Jo本文取0.7 1。2.2GDTDB预制板跨中挠度计算GDTDB参照梁板在均布荷载作用下材料力学关于跨中挠度的计算式：(20)384B;底板的挠度计算结果与ABAQUS模拟结果的对比如图4所示。6理论值模拟值(u/N)/体鼎4206理论值模拟值(10)(u/N)/体典4(11)(12)(13)(14)(15)钢管的横截面面积；E.Aha6ep(19)5q1412挠度/mm(a)GDTDB1206理论值模拟值(u/NX)/薄果4206(u/NX)/体界4(16)2(17)0图4GDTDB跨中挠度理论值与模拟值对比312挠度/mm(b)GDTDB2L10.51.01.52.02.53.03.54.0挠度/mm(c)GDTDB3一理论值一模拟值0.51.01.52.02.53.03.5挠度/mm(d)GDTDB443456J5161在GDTDB预制板出现裂缝之前，最大误差仅为7.0 8%，度的理论值和ABAQUS模拟值较吻合。在GDTDB预制板出现裂缝后，荷载-跨中位移挠度曲线没有明显拐点（刚度发生较大退化）之前，板件GDTDB1、G D T D B2、G D T D B3、GDTDB4的跨中挠度的最大误差分别为7.0 5%、4.6 7%、4.34%、6.7 3%，说明挠度理论值与模拟值仍然较为吻合。在预制板开始出现较大的刚度退化后，跨中挠度理论值和模拟值的差值较大。钢管桁架叠合板在施工过程中，需严格管控裂缝的产生，或仅允许板件出现细微的裂缝。出现细微裂缝的叠合板的抗弯刚度退化较小，可忽略不计，因此仍可按整体板考虑,可以用上述公式(1)(19)来计算GDTDB的短期刚度和挠度值。3结论通过ABAQUS对钢管桁架倒T形混凝土单向叠合板预制板的模拟及GDTDB预制板在施工阶段刚度和挠度的理论计算，可以得到下述结论：(1)GDTDB进行施工阶段短期刚度计算时，灌浆钢管的刚度部分计算宜按组合结构中的整体法考虑，应对灌浆料外部钢管的环箍约束作用予以考虑。(2)计算板宽1.2 m，跨度3.6 m以内的钢管桁架倒T形混凝土单向叠合板出现裂缝后的短期刚度B，时,刚度折减系数建议取值0.7 1。（3)G D T D B在施工阶段短期刚度尚未发生较大退化时，采用本文提出的公式(1)(19)进行计算的跨中挠度计算值和模拟值较为吻合，可按本文提出的公式对GDTDB板件进行设计和短期刚度验算。参考文献：1徐柳.房屋建筑装配式混凝土结构的经济效能探讨 ,混凝土，2018(5):115-117,122.2 CHENG Y M.Optimum design of omnia reinforcement truss con-crete plankJ.Advances in Engineering Software,1994,21(3):135-147.3 马相,黄炜,罗斌,等.混凝土叠合板研究综述一一受力性能和设计方法 J.混凝土，2 0 2 0(2)：12 9-133.4中国人民共和国住房和城乡建设部.装配式混凝土结构技术规程：JGJ12014S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 14.5中国人民共和国住房和城乡建设部.预制带肋底板混凝土叠合行业资讯为推动河南省混凝土行业绿色低碳高质量发展，引领企业学习先进的企业管理经验和技术，2 0 2 3年5月30 日5月31日河南省建筑业协会混凝土分会带领近百名商砼代表齐聚江苏苏博特新材料股份有限公司，开展了为期两天的“河南省混凝土行业绿色低碳高质量发展论坛暨现场观摩活动”。本次论坛也邀请了河南省混凝土企业代表就行业发展现状与应对策略、企业经营管理、混凝土行业高质量发展等问题进行了深人讨论，分享了各自的实践经验。在现场观摩活动中，与会人员走进了苏博特展厅和高性能土木工程材料国家重点实验室，深人了解土木工程材料前沿技术攻关、创新成果规模化生产、重大工程技术服务、产学研融合等方面的情况。此次绿色低碳高质量发展论坛暨现场观摩活动取得了圆满成功，参会代表学习了绿色低碳高质量发展的宝贵经验和知识，也为进一步推动河南省混凝土行业绿色、低碳、可持续发展指明了方向。162楼板技术规程：JGJ/T258一2 0 11 S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 11.6侯和涛,蓝如海,冯明远,等.灌浆钢管桁架混凝土叠合板抗弯性能试验研究 .工业建筑，2 0 17,47(7)：2 9-33.7吴方伯,黄海林,陈伟,等.预制带肋薄板混凝土叠合板件受力性能试验研究 J.土木建筑与环境工程,2 0 11,33(4):7-12,19.8 American Concrete Institute,ACI 318-14.Building code require-ments for structural concreteSJ.USA,2014.9 CSA Group,A23.3-14.Design of concrete structuresS.Canada,2014.10JStandards Association of Australia,AS 3600-2018.Australian stan-dard for concrete structuresSJ.2018.11JEN 1992-1-1:2004.Eurocode 2:design of concrete structuresS.Part 1-1:general rules and rules for buildings,CEN,2004.12赵明,苏三庆,周希茂,等.钢筋混凝土黏结滑移相关问题 施工技术,2 0 0 9,38(S1):5-9.13赵羽习,金伟良.钢筋与混凝土黏结本构关系的试验研究 ,建筑结构学报,2 0 0 2(1):32-37.14中国建筑标准设计研究院.桁架钢筋混凝土叠合板（6 0 mm厚底板),15G3661S.北京：中国计划出版社,2 0 15.15中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB500102010S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 15.16刘巍,徐明.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数标定及验证 工业建筑,2 0 14,44(S1)：16 7-17 1,2 13.17张劲,王庆扬,胡守营,等.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证 J.建筑结构,2 0 0 8(8)：12 7-130.18郭明.混凝土塑性损伤模型损伤因子研究及其应用 .土木工程与管理学报,2 0 11,2 8(3)：12 8-132,16 3.19叶英华,刁波.钢筋混凝土结构非线性分析中的本构关系 ,哈尔滨建筑大学学报，1995（3）：7-12.20中华人民共和国国家经济贸易委员会.钢-混凝土组合结构设计规程：DL/T5085一1999 S.北京：中国电力出版社，1999.21赵磊.自承式钢筋桁架混凝土叠合板设计计算方法研究 D长沙：中南大学,2 0 0 7.22赵顺波.混凝土叠合结构设计原理和应用 M.北京：中国水利电力出版社,2 0 0 1.第一作者：杨旭杰(1997-）,男,硕士,主要从事装配式建筑叠合板方面的研究。联系地址：广西壮族自治区南宁市西乡塘区广西大学(530 0 0 0)联系电话：[phone]通讯作者：豆彭修宁(197 3-),男,教授,博士。联系电话：18 0 7 0 90 7 519河南省混凝土行业绿色低碳高质量发展论坛暨现场观摩活动成功举办