压型钢板组合楼板
第二章 压型钢板组合楼板
§2.1 概述
1.定义
组合楼板由压型钢板、混凝土板通过抗剪连接措施共同作用形成。
2．组合楼板的优点
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。
3．组合楼板的发展
二十世纪30-50年代
早在三十年代，人们就认识到压型钢板与混凝土楼板组合结构具有省时、节力、经济效益好的优点，到50年代，第一代压型钢板在市场上出现。
二十世纪60年代－70年代
六十年代前后，欧美、日本等国多层和高层建筑的大量兴起，开始使用压型钢板作为楼板的永久性模板和施工平台，随后人们很自然的想到在压型钢板表面做些凹凸不平的齿槽，使它和混凝土粘结成一个整体共同受力，此时压型钢板可以代替或节省楼板的受力钢筋，其优越性很大。
二十世纪80年代－现在
组合板的试验和理论有了新进展，特别是在高层建筑中，广泛地采用了压型钢板组合楼板。日本、美国、欧洲一些国家相应的制定了相关规程。
我国对组合楼板的研究和应用是在20世纪80年代以后，与国外相比起步较晚，主要是由于当时我国钢材产量较低，薄卷材尤为紧缺，成型的压型钢板和连接件等配套技术未得到开发。近年来由于新技术的引进，组合楼板技术在我国已较为成熟。
4 常用的压型钢板的截面形式
给出了几种实际工程中采用的压型钢板，通过图片使学生对压型钢板有感性的认识，图中所示设置凹槽的压型钢板，设置凹槽后可明显提高钢板和混凝土板的组合作用。
2.1.1 常用压型钢板截面形式
§2.2 组合楼板的材料及受力特性分析
组合板：由压型钢板和混凝土板两部分组成；压型钢板按其在组合板中的作用可以分为三类：（一）以压型钢板作为组合板的主要承重构件，混凝土只是作为楼板的面层以形成平整的表面及起到分布荷载的作用；（二）压型钢板作为浇筑混凝土的永久性模板，并作为施工时的操作平台；（三）考虑组合作用的压型钢板组合楼板，这种结构构件在工程中最为广泛应用。本章主要讲述第三类考虑组合作用的压型钢板混凝土组合楼板，在施工阶段压型钢板作为模版及浇筑混凝土的作业平台，在施工阶段仅进
行强度和刚度验算；在使用阶段
，压型钢板相当于钢筋混凝土板中的受拉钢筋，在全部静载及活荷载作用下，考虑两者的组合作用，因此按照组合楼板进行计算。
§2.3组合楼板的设计
组合板的计算可分施工与使用两个阶段进行。组合板的施工阶段，需对压型钢板作为浇注混凝土底模的强度和挠度进行验算；组合板的使用阶段，对组合板在全部荷载作用下的强度和挠度进行计算。
组合板或非组合板在施工阶段，只计算顺助(强边)方向压型钢板强度和挠度。
1 施工阶段
当不加临时支撑时，压型钢板的正截面抗弯承载能力应满足以下要求：
(2.3.1)
(2.3.2)
M－弯矩设计值；
fay－压型钢板强度设计值；
Ws－压型钢板截面抵抗短，取受压区Wsc或受拉区Wst的较小值；
Is －单位宽度压型钢板对荷载重心轴的惯性矩；
xc－从压型钢板受压翼绕外边缘到中和轴的距离；
hs－压型钢板截面抵抗短，取受压区Wsc或受拉区Wst的较小值。
压型钢板在施工阶段，应进行挠度计算，当均布荷载时：
对于简支板
(2.3.3)
Pz－单位宽度均布短期荷载值，取荷载标准值；
Es－压型钢板弹性模量；
Is－单位宽度压型钢板的惯性矩；
L－板的计算跨度；
对于双跨连续板
(2.3.4)
[w]－板的允许挠度，取L／200及20mm的较小值。
2. 使用阶段
组合板强边方向的正弯矩和挠度，均按全部荷载作用的强边(顺肋)方向单向板计算。此时，不论实际支承情况如何，均按简支板考虑。
压型钢板与混凝土形成整体共同工作。主要进行以下几个方面的验算：○1正截面抗弯能力；○2叠合面抗剪能力；○3抗冲切能力；○4斜截面抗剪能力；○5变形验算。
1）正截面抗弯能力
采用塑性设计方法，计算中考虑作为受拉区的压型钢板没有混凝土保护以及中和轴附近材料强度发挥不充分等原因，对压型钢板的强度设计值乘以折减系数0.9；对混凝土抗压强度乘以折减系数0.8。
a）当 时
塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上的混凝土内，组合板的抗弯强度按下式计算：
(2.3.5)
(2.3.6)
式中x为组合板受压区高度。当 时，取 ； 为组合板的有效高度；y为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，取 ；b为压型钢板的波距；As为压型钢板波距内的截面面积；f为压型钢板的抗拉强度设计值；fcm为混凝土弯曲抗压强度设计值；hc为压型钢板上翼缘以上浇筑混凝土厚度。
b）当 时
塑性中和轴在压型
钢板内，组合板横截面抗弯强度按下列公式进行计算：
(2.3.7)
(2.3.8)
其中Asc为塑性中和轴以上压型钢板面积；y1、y2为
压型钢板受拉区截面拉应力的合力分别至受压区混凝土板截面和压型钢板压应力合力的距离。
图2.3.1 组合板正截面抗弯能力计算图
2）叠合面抗剪承载力
通过对国内压型钢板加工的组合板叠合面抗剪能力进行试验研究，并对试验结果进行一次回归正交方差分析，得出组合板叠合面抗剪强度公式如下：
且 (2.3.9)
式中Vu为组合板的抗剪能力；V为组合板叠合面的纵向剪力设计值；a0－a3为剪力粘结系数由试验确定或者参考下列数值：
a为组合板剪跨， ，均布简支板取 （L为板的计算跨度）；M为与剪力设计值相对应的弯矩设计值；Wz组合板平均槽宽；h0组合板的有效宽度；t压型钢板厚度。
3）斜截面抗剪承载力
组合板的斜截面受剪承载力应按下式计算：
(2.3.10)
Vv－组合板斜截面上的最大剪力设计值；
fc－混凝土轴心抗压强度设计值；
b－计算宽度。
4）抗冲切计算
图2.3.2 组合板中的抗冲切面积
组合板在集中荷载作用下的抗冲切强度按下式计算：
(2.3.11)
um－临界周边长度，见图2.3.2；
ft －混凝土轴心抗拉强度设计值；
hc－混凝土板最小厚度；
h0－组合板有效高度，即压型钢板截面重心轴至混凝土受压区最外边缘的距离。
5）变形验算
组合板的变形按弹性理论进行，按短期荷载作用时，可将混凝土面积除以钢材与混凝土弹性模量比n换算为钢面积；按长期荷载作用时，将截面中的混凝土的弹性模量除以2n换算成钢截面。
组合板全截面发挥作用时的短期荷载作用下等效截面惯性矩I
(2.3.12)
(2.3.13)
－全截面有效时组合板中和轴至受压区边缘的距离；
As－压型钢板截面面积；
Ac－混凝土截面面积；
h0－组合板有效高度(组合板受压边缘至压型钢板截面重心的距离)；
－组合板受压边缘至混凝土重心距离；
Is－压型钢板对其中和轴惯性矩；
Ic －混凝土对其中和轴惯性矩。
把上式中的n用2n来替代，即可得到在长期荷载作用下组合截面的等效惯性矩。组合板的挠度，应按荷载的短期效应组合，并考虑永久荷载的长期作用的影响。对于承受均布荷载的简支组合板，其挠度可以按照下列公式进行计算：
(2.3.14)
(2.3.15)
(2.3.16)
其中q为均布可变荷载；g为均布永久荷载；I0换算成钢截面的组合截面惯性矩； 考虑永久荷载长期作用影响的组合截面惯性矩； 为全截面有效时组合板中和轴至受压区边缘的距离 ；As为压型钢板截面面积；Ac为混凝土截面面积；h0为组合板有效高度； 为组合板受压边缘至混凝土重心距离；Is为压型钢板对其中和轴惯性矩。
6)自振频率控制
振动感
觉与环境条件有关，组合板理想的自振频率在20Hz以上，如果自振频率在12Hz以下，则产生振动的可能性较大。因此对组合板或钢筋混凝土板的自振频率控制在15Hz以上。自振频率和板的刚度及端部支撑条件有关。
自振频率v的计算：
(2.3.17)
T－自振周期；
K－由支撑条件确定的系数；两端简支，K＝0.178；一端简支一端固定，K＝0.177；两端固定，K＝0.175；
-仅为自重与恒载所产生的挠度。
§2.4 构造要求
1. 压型钢板
组合板中采用的压型钢板净厚度不小于0.75mm，最好控制在1.0mm以上。为便于浇筑混凝土，要求压型钢板平均槽宽不小于50mm，当在槽内设置圆柱头焊钉时，压型钢板总高度（包括压痕在内）不应超过80mm。组合楼板中压型钢板外表面应有保护层以防御施工和使用过程中大气的侵蚀。
2. 配筋要求
以下情况组合板内应配置钢筋：
1） 连续板或悬臂板的负弯矩区应配置纵向受力钢筋；
2） 在较大集中荷载区段和开洞周围应配置附加钢筋；
3） 当防火等级较高时，可配置附加纵向受力钢筋；
4） 为提高组合板的组合作用，光面开口压型钢板，应在剪跨区（均布荷载在板两端L/4范围内）布置直径为6mm间距150至300mm的横向钢筋，纵肋翼缘板上焊缝长度不小于50mm。
5） 组合板应设置分布钢筋网，分布钢筋两个方向的配劲率不宜少于0.002。
3. 混凝土板裂缝宽度
连续组合板负弯矩的开裂宽度，室内正常环境下不应超过0.3 mm，室内高温度环境或露天时不应超过0.2mm。
连续组合板按简支板设计时，支座区的负钢筋断面不应小于混凝土截面的0.2％；抗裂钢筋的长度从支承边缘起，每边长度不应小于跨度的1/4，且每米不应小于5根。
4. 组合板厚度
组合板总厚度h不应小于90mm，压型钢板翼缘以上混凝土厚度hc不应小于50mm。支撑于混凝土或砌体上时，支撑长度分别为100mm和75mm；支撑于钢梁上连续板或搭接板，最小支撑长度为75mm。
图2.4.2 组合板厚度构造要求
参考文献：
1. 周起敬，姜维山，潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册.中国建筑工业出版社.1991
2. 赵鸿铁，张素梅. 组合结构设
计原理. 高等教育出版社. 2005.
3. 赵鸿铁. 钢与混凝土组合结构. 科学出版社. 2001
4. Johnson, R.P., Composite Structures of Steel and Concrete: Beams, Slabs, Columns, and Frames for buildings. Blackwell Scientific Publications, 3nd ed., 2004 (Paperback)
5. Oehlers, D.J. and Bradford, M.A., Elementary Behavior of Composite Steel and Concrete Structural Members, Butterworth Heinemann, Feb. 2000 (Paperback)
6. Gaylord, E.H.Structural Engineering Handbook, 4th ed. Mcgrow-Hill, 1997(Paperback)