钢梁混凝土楼板组合楼盖设计

摘要：沈阳皇朝万鑫大厦是集车库、办公、酒店、休闲会所为一体的综合性楼。本文通过对钢梁混凝土楼板组合楼盖设计的介绍，阐述组合梁在国内的具体应用。

关键词：钢梁混凝土；组合楼板；楼盖；设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1组合楼板的的设计原则及构造要求

组合楼板分为非组合板和组合板，组合板是指压型钢板除用作浇筑混凝土的永久性模板外还充当底板受力钢筋的现浇混凝土楼板。非组合板是指压型钢板仅作为混凝土楼板的永久性模板，不考虑参与结构受力的现浇混凝土楼板。

1.1组合楼板的设计原则

组合楼板应对施工阶段和使用阶段的2个阶段分别进行设计。①施工阶段：a组合楼板中对作为混凝土底模的压型钢板按弹性方法进行强度和变形验算。b计算时应考虑临时支撑的影响。但考虑到下料的不利情况，也可按两跨连续板或单跨简支板进行计算。c永久荷载为组合楼板自重。当压型钢板变形w大于20mm时，在全跨应增加0.7w厚的混凝土均布荷载或增设临时支撑。可变荷载为施工荷载和其它附加荷载，施工荷载应不小于1.5KN/m2。d压型钢板的挠度限值可取L/180（L为板跨度）②使用阶段：非组合板按钢筋混凝土楼板的设计方法进行设计。组合板应验算正截面抗弯承载力，纵向抗剪承载力，斜截面抗剪力。当有较大集中荷载作用时尚应进行局部荷载作用下的抗冲切承载力的验算。挠度不应超过L/360（L为板跨度）。负弯矩区的最大裂缝宽度不应超过0.3mm（在正常环境下）及0.2mm（在室内高湿度环境和室外环境下）。

1.2组合楼板的构造要求

组合楼板的构造要求如下：①组合楼板压型钢板宜采用带有特殊波槽、压痕的开口板，缩口板及闭口板。非组合板的压型钢板不要求采用特殊波槽、压痕的板型。②组合楼板的强度等级不宜低于C25。混凝土的粗骨料最大粒径不应超过以下数值中的较小值：0.4hc1，bw/3及30mm。③组合楼板在钢梁上的的支撑长度不小于50mm。组合楼板端部应设置栓钉锚固件，栓钉应设置在端支座的压型钢板凹肋处，穿透压型钢板并焊牢于钢梁上。栓钉直径按下列规定采用：板跨

2组合梁设计

楼盖自身跨度大，承担荷载相对较小。组合梁两端与混凝土边梁采用铰接连接，组合梁按简支梁设计，由挠度控制，抗弯和抗剪能力相对富裕量较多。组合梁楼盖平面布置如图1所示。钢梁SL-1采用Q345-B焊接工字钢如图2所示，组合梁翼板为压型钢板－混凝土组合楼板如图3所示。组合梁采用的压型钢板对楼盖自身的承载力和施工方式都有不同程度的影响，所以选择合适的压型钢板是组合盖梁楼盖设计中首先需要考虑的问题。该工程中采用闭口式YXB65-185-555型压型钢板，承载力高，施工期间无需支模，板肋与钢梁铺设方向呈正交垂直关系。

图1组合梁平面楼盖布景

图2钢梁SL-1 图3压型钢板组合楼盖

2.1闭口式压型钢板

压型钢板组合楼盖施工速度快，节省建筑高度，特别是与组合梁一起共同使用，经济效益明显，在当前的工程中应用不少。特别是最近几年，闭口式压型钢板的出现，使得组合楼盖的应用越来越广泛。

压型钢板常见形式有三种：开口式、缩口式和闭口式。闭口式压型钢板与前两者相比，其截面形心距离板底小，有效截面高度大，按截面塑性理论分析组合楼板承载力时，混凝土压力合力作用点与钢板拉力合力点具有更大的内力臂，二者的材料强度都能得到充分发挥，具有更大的抗弯承载力。根据《钢与混凝土组合楼(屋)盖结构构造》05SG522和厂家提供的技术参数，该工程采用YXB65-185-555，Q345，钢板厚度t=1.0mm，组合楼板厚度h=120mm，C30，正向抗弯承载力值可达34kN·m，约是相同厚度，按构造配筋率0.20%配置的普通钢筋混凝土楼盖抗弯承载力的4倍，足见其良好的抗弯承载力。

闭口板型板底平整，装修之后能更大限度地满足建筑装饰需求。耐火试验表明，这种钢承板能够替代楼板中正弯矩受拉钢筋而且不用喷刷防火涂料就能达到1.5h耐火极限的要求，具有良好的耐火性能。闭口式压型钢板与混凝土之间具有更良好的协调变形能力。闭口板型正是基于上述多项优点，使得它在压型钢板市场中占据着主导地位。

2.2组合钢梁抗剪连接键设计

抗剪键的设计对整个钢－混凝土组合梁能否充分发挥作用，有着至关重要的作用，应引起足够的重视。栓钉焊于钢梁上翼缘，作为直接的抗剪件，主要传递混凝土翼板和钢梁之间的纵向水平力，还能抵抗翼板与混凝土之间掀起的作用。栓钉直径d=13～25mm，长度L=65～100mm，在加腋梁中可能更长。英国规范规定用于建筑和桥梁中栓钉钢材延伸率＞18%，屈服强度＞400MPa。这种栓钉在与其垂直的各方向具有相同的剪切刚度和强度。栓钉直径不宜取得过大，当直径d＞19mm时，会增加焊接的困难和费用。其次，栓钉的直径d与施焊钢板厚度t有关。根据ACI的相关规定，只有当d/t＜2.7时，栓钉才能发挥其静力强度。英国规范规定d/t≤2.0。在重复荷载作用下，这一限值更小。根据试验，在脉动拉应力作用下，d/t≤1.5。

一个栓钉仅受纵向剪力的剪切承载能力可按下式估算：

当h/d在3.0～4.2之间，可用线性插值法确定。

式中：h-栓钉全长；d-栓钉直径；As-栓钉截面面积；fc-混凝土轴心抗压强度设计值；Ec-混凝土弹性模量；f-栓钉抗拉强度设计值。

该工程抗剪连接件采用Q235圆柱头栓钉，直径d=19mm，长度L=90mm。由于组合梁与预埋件采用铰接，可将整个组合梁划分为两个剪跨区，每个剪跨区栓钉的数量按规范公式并考虑压型钢板对栓钉承载力的折减。通过计算，该工程按计算所需栓钉数目为24个，实际配置为64个，满足计算需要。试验研究还表明，栓钉具有良好的剪力重分布能力，剪力键可直接均匀地布置在剪跨区内。只有在剪跨区内有较大集中力的情况下，才将连接件总数按剪力图的面积进行分配，然后再各自均匀布置。

2.3组合梁承载力计算

基于材料力学的基本假定，在不考虑钢与混凝土之间的相对滑移；不考虑混凝土开裂后对承载力的影响，将组合钢梁受压混凝土翼板的有效宽度bce换算成与钢材等效的beq，形成单一材质的换算截面，然后根据规范提供的抗弯承载力公式进行计算。抗弯强度验算时，其截面可考虑部分的塑性变形，前提是梁的受压翼缘自由外伸宽度与其厚度之比（b/t）需满足一定的限值条件。本工程中钢梁采用焊接组合截面，b/t=3.8＜10.7，取截面塑性发展系数γx=1.05，γy=1.20。如果考虑混凝土在长期荷载下的徐变影响，则其换算截面还将有所区别。组合梁剪力假定由钢梁的腹板全部承担。

2.4组合梁挠度验算

组合钢梁承载力计算时，钢与混凝土之间连接可靠，虽然存在一定量的微小滑移，但对承载力的影响很小，可忽略不计。挠度计算时，当楼板平面内产生水平剪力时，抗剪连接件会产生微小变形（因其自身刚度小，属于柔性连接件），这种变形必然会引起交界面上出现滑移应变，使组合截面曲率增大，最终导致组合梁的挠度也会加大。挠度计算时，应该考虑其滑移影响。《钢结构规范》[1]规定组合梁的刚度应采用考虑滑移效应的折减刚度B（组合钢梁截面一般采用等刚度原则），即：

B=EIeq/(1+ζ)(3)

公式中：Ieq表示组合梁的换算截面惯性矩；ζ表示刚度折减系数。钢与混凝土组合钢梁挠度应按荷载的标准组合和准永久组合进行计算，并取较大值。①按荷载标准组合计算挠度时，在不考虑混凝土徐变特性和非线性特征的影响下，其挠度计算值f=37.5mm；②按荷载准永久组合计算挠度时，考虑混凝土非线性和徐变的影响，挠度值f=38.2mm。两种情况下计算挠度值都小于规范限值L/400=62mm。可见，组合梁整体具有很大的抗弯刚度，容易满足工程需要。

3结构楼（屋）盖梁方案比较

针对大跨度结构楼（屋）盖梁的设计，国内外已作了很多研究，提出了不同的结构方案。每种方案之间各有优势，各有不足。本文以该工程为例，在结构方案设计阶段，分别采用单向密肋梁、预应力混凝土梁和组合钢梁进行试算分析和比较。单向密肋梁，截面350×1400，纵筋率1.1%，自重占总荷载比例52%；优势：刚度大，施工支模方便；劣势：自身荷载大，变形（挠度、裂缝）不易满足要求。预应力混凝土梁，梁截面300×1200，自重占总荷载比例46%；优势：刚度大，挠度和裂缝易满足规范要求；劣势：抗震性能较差，自身荷载大，不利于施工。组合钢梁，焊接工字型截面1300×250×350×30×20，自重占总荷载比例23%；优势：自重小，刚度大，施工无需支模；劣势：考虑耐久性和防火处理。与单向密肋梁和预应力混凝土梁相比，组合梁方案可有效减轻竖向荷载，缩小截面几何尺寸，且结构构件延性较好，施工快捷、方便。

4结束语

通过沈阳皇朝万鑫大厦钢梁混凝土组合梁的设计实例，表明钢－混凝土组合梁具有良好的抗弯承载力，尤其是在混凝土翼板硬化后，组合梁整体抗弯刚度很大，变形容易满足规范要求。通过各种大跨度结构方案的试算和比较，组合梁作为大跨度结构的楼盖梁具有良好的综合效益。此外，闭口式压型钢板以其自身的优势，值得推广应用。

参考文献：

［1］聂建国，孙彤，温凌燕，等．某会展中心大跨交叉钢-混凝土组合梁系楼盖设计［J］．建筑结构学报，2004，25(6)．

［2］赵振海，胥爱华.钢与混凝土组合楼盖结构施工方法［J］土木工程学报