钢-混凝土组合桥梁（7压型钢板-混凝土组合板）（张阳1204012）

钢-混凝土组合桥梁 Steel-Concrete Composite bridge 主讲：张 阳（副教授、PHD） 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 0731-88822221 zhangbridge@163.com 湖南大学硕士研究生教学讲义 之七：压型钢板-混凝土组合楼板 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 Ⅶ、压型钢板-混凝土组合板 7.1 概 述 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 7.1.1 压型钢板分类 按压型钢板在组合楼板的作用，将压型钢板组合楼板分为三类： ①第一类(非组合楼板 ) 压型钢板作为楼板的主要承重构件，而混凝土只是作为楼板的面 层以形成平整的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面及起到分布荷载的作用。这种压型钢板在施工阶 段承受湿混凝土的重量及全部施工荷载。在使用阶段则承受混凝土及 其面层的自重(屋面则尚有其上构造层的重量)及外荷载等活荷载作用。 按照《钢结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规范》进行设计计算。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 压型钢板只作为浇筑混凝土的永久性模板，并作为施工时的操作 平台。施工阶段，考虑混凝土及压型钢板的自重、施工荷载的作用，如 第一类压型钢板，按钢结构计算。 在使用阶段只考虑钢筋混凝土的作用，不考虑压型钢板的作用。遵 照《混凝土结构设计规范》进行设计与施工。 ③第三类(组合楼板 ) 考虑组合作用的压型钢板混凝土组合楼板。施工阶段压型钢板作为模 板及浇筑混凝土的作业平台，因此有如第一、二类压型钢板一样按照 《钢结构设计规范》进行施工阶段强度、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，在全部静载及活载作用下，考 虑二者的组合作用，因此按照组合板进行设计计算。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 上海环球金融中心 上海世博会演艺厅 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 与普通钢筋混凝土楼板相比，压型钢板-混凝土组合板优势： 压型钢板可做施工模板，省安装和拆除模板、加快施工速度； 可做施工平台，不必临时支撑，且压型钢板自重轻、运输安装方便； 可部分代替钢筋； 刚度大，可减少受拉区混凝土，减轻楼板自重； 肋部便于敷设水电、电讯管道； 施工时可作为钢梁的侧向支撑，提高钢梁整体稳定性； 压型钢板可直接作为顶棚，槽内可直接固定吊顶挂钩； 与木模相比，减小施工期间发生火灾的可能性。 压型钢板与混凝土之间的组合效应，是通过叠合面之间采用适当的连 接形成的。要求叠合面上的连接件具有足够的抗剪切粘结强度，以抵 抗楼板在外荷载作用下产生的纵向水平剪力，同时还要确保压型钢板 与混凝土能在垂直方向掀起力。 7.1.2 压型钢板-混凝土组合板优势 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 7.1.3 压型钢板、混凝土组合措施 ①采用带压痕、冲孔或加劲肋的压型钢板， 靠压痕、冲孔或加劲肋为 叠合面提供必要的抗剪能力。 ②采用闭合式压型钢板，依靠楔形混凝土块为叠合面增强抗剪能力。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ③在钢板上翼缘加焊横向受力钢筋，加焊钢筋以承受钢板与混凝土叠 合面的纵向剪力。钢筋与压型钢板的连接应采用喇叭形坡口焊接。 ④压型钢板端部设剪力钉，增加组合板端部锚固。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 压型钢板-混凝土组合板的设计计算  施工阶段计算：对作为浇筑混凝土底模的压型钢板进行强度和 变形计算。 （1）正截面受弯承载力验算 （2）压型钢板的弯曲变形  使用阶段计算：验算组合板在永久荷载和使用荷载作用下的强 度和变形。 （1）正截面受弯承载力 （2）纵向受剪承载力 （3）斜截面受剪承载力 （4）受冲切承载力 （5）变形计算 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 7.2 施工阶段压型钢板设计 施工阶段，压型钢板作为模板，应对其强度和变形进行验算，施工荷载： 钢板、钢筋和混凝土永久性自重荷载，施工荷载（工人、施工机械和堆载、 冲击和振动）、附加荷载等可变荷载。 7.2.1 压型钢板截面特征 压型钢板与混凝土未组合前，需防止压型钢板挠度过大情况！ 计算原则： ①当压型钢板的受压翼缘的宽厚比bt/t小于容许最大截面宽厚比时， 其截面几何特征值按全截面 进行计算。 ②压型钢板的受压翼缘的宽厚比bt/t大于容许最大截面宽厚比时，其 截面特征值按有效截面进 行计算。 ③压型钢板的截面特征按材料力学的方法计算。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 截面特性计算： 压型钢板的截面可以划分为三部分：即水平板元、 斜板元、弧板元。 板上、下 翼缘平板部分为水平板元； 腹板或卷边板斜部分为斜板元； 腹板或卷边板与翼缘板 之间的弧形部分为弧板元。 计算截面特征时，压型钢 板各板元的截面可取各自 中心线，并由中心线代替 板元。按线元计算各板的 截面几何特征， 求其总和 、再乘厚度，即求的压型 钢板的实际的截面特征。 水平板元 斜板元 弧板元 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ①水平板元特性计算 1-1轴惯性矩 2 1 0 1 4 bI b h 2-2轴惯性矩 2 2 0bI b h ②斜板元特性计算 1-1轴惯性矩 2 3 2 1 sin 1 12 12 w w wI b b h    2-2轴惯性矩 2 2 20 2 1 0( ) ( ) 2 4 3 w w w h b h I b I h    张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ③弧板元特性计算 1-1轴惯性矩 1 1 1 1 2 3 1 1 sin , , 2 sin cos sin ( ) 2 c c f c c rt r r b r c I r                 2-2轴惯性矩 2 2 1 1 1( )c c wI r r c b I   1fb  张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 受压翼缘有效宽度： ①压型钢板受压翼缘的宽厚比超过下表所规定的最大 的宽厚比时，受压翼缘按有效计算宽度进行计算。 ②压型钢板受压翼缘的宽厚比不超过下表所规定的最 大的宽厚比时，受压翼缘按实际宽度进行计算。 / /t tb t b t    / /t tb t b t    张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 压型钢板受压翼缘有效计算宽度： 压型钢板厚度 有效计算宽度 50eb t 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 受压翼缘纵向加劲肋： 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 7.2.2 施工阶段压型钢板强度和刚度验算 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 （1）施工阶段，压型钢板正截面抗弯承载力验算： 压型钢板抗拉、抗压强度设计值 弯矩设计值 sM f W  —压型钢板截面抵抗矩，取受压区 与受拉区 较小值。 sW stWscW / /( ) sc s c st s a c W I X W I h X     张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 （2）施工阶段，压型钢正常使用极限状态挠度验算：   4 5 384 s s s S L w w EI   均布荷载下简支板：   4 1 185 s s s S L w w EI   均布荷载下两跨连续板：   min( /180,20 )w l mm 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 7.2.3 使用阶段压型钢板-混凝土组合板设计 1、压型钢板-混凝土组合板破坏模式 1)正截面弯曲破坏（主要）； 2)纵向水平剪切粘结破坏 （主要，但可构造解决）； 3)斜截面剪切破坏（该破坏模式在板中一般不常见 ）； 4)局部荷载作用下的冲切破坏（局部/集中荷载）。 在正常设计情况下，应当使得弯曲破坏先于其他破坏。这一方面 因为弯曲破坏一般来讲(正常设计的情况)是属于延性破坏，在破坏前 有明显的预兆，足以使人们引起警惕并采取有效的加固措施：另一方 面避免其他因局部破坏而使楼板完全不能正常工作，甚至发生危险， 使得材料能充分发挥其作用，结构经济合理。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ① 正截面弯曲破坏 a) 如果压型钢板与混凝土之间连接可靠（完全剪切粘结情况），则 组合板最有可能沿着最大弯矩的垂直截面1—1发生弯曲破坏。 b) 与一般钢筋混凝土板类似，根据组合板中受拉钢材(包括压型钢板 与受拉钢筋)的含钢率多少可能发生少筋、超筋与适筋破坏的情况。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ②纵向水平剪切粘结破坏 a）混凝土与压型钢板的界面抗剪切粘结滑移强度不足，使两者界面 成为组合板薄弱环节。在组合板尚未达到极限弯矩以前，界面丧失抗剪 切粘结能力，产生过大的滑移，失去了组合作用。 b）这种破坏的特征是，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。 c）一般滑移常在一端出现，其值可达15 ～ 20mm。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ③沿斜截面剪切破坏 a）只有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(3—3截面)沿斜截面剪切破坏。 b）在较厚的组合板中，当混凝土的抗剪能力不足时也应设置钢箍以 抵抗剪力。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ④局部荷载作用下的冲切破坏 在局部(集中)荷载作用下，组合板尚有可能生冲切破坏。这在荷载 作用范围较小、局部荷载大，而板较薄的情况下容易发生。冲切破坏一 般沿着荷载作用周边的45°斜面破坏。冲切破坏实质上是在受拉主应力 作用下，沿着45°斜面混凝土的受拉破坏。破坏时形成一个四面具有 45°斜面的冲击体。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 在使用阶段，混凝土已硬化，压型钢板与混凝土组合在一起，共 同承担永久荷载和使用活荷载。使用阶段计算内容包括： 正截面受弯承载力 斜截面受剪承载力 交界面纵向抗剪承载力 局部荷载下的受冲切承载力 变形 自振频率估算 2、压型钢板-混凝土组合板使用阶段设计计算 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 基本假定（组合板发生适筋破坏） ①达到极限状态(组合板发生适筋破坏)时，沿着截面高度混凝土受 压区应力呈抛物线分布，计算时可以折算成等效矩形应力图形。方法 同钢筋混凝土结构。 ②达到极限状态(组合板发生适筋破坏) 时，受拉区压型钢板及受 拉钢筋的应力均能达到屈服强度。 ③忽略受拉混凝土的作用，因为混凝土抗拉强度很低。 ④符合平截面假定。对于纵向剪切粘结足够的完全组合板，在混凝 土与压型钢板的界面上滑移很小，混凝土与压型钢板始终保持共同作 用，因此直至达到极限状态。 （1）正截面承载力计算 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土  塑性中和轴在压型钢板上翼缘板以上 :p c cA f f bh 0 / 2py h x  c p c p A f f bx A f x f b    0.8 c pM f xby 正截面抗弯承载力： 单位宽度压型 钢板截面积 混凝土板受压区高度 组合板有效高度，压型钢板 重心到混凝土受压边缘距离 压型钢板应力合力到 受压区应力合力间距 压型钢板肋间距 钢板面积折减系数，考虑制造误差、暴露无保 护、中和轴附近材料不能充分发挥作用等因素 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土  塑性中和轴在压型钢板内 p c cA f f bh 2 22( ) ( / ) / 2p p p c c p p c cA A f bh fA A f A f f bh      1 2 20.8( )c c p p pM f h by A fy  正截面抗弯承载力： 单位宽度压型 钢板截面积 压型钢板受压区截面积 混凝土压应力合力、压型钢板受压区合力至压 型钢板受拉区合力的间距 压型钢板肋间距 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 （2）斜截面承载力计算 00.7in tV f bh 斜截面抗剪承载力： 组合板有效高度，压型钢板 重心到混凝土受压边缘距离 组合板一个波距内斜 截面最大剪力设计值 压型钢板肋间距 小剪跨：斜截面剪切破坏 中等剪跨：纵向剪切破坏 大剪跨：弯曲破坏 混凝土轴心抗拉强度设计值 当板的高跨比很大、荷载很大时，斜截面承载能力的计算不可忽视。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 （3）纵向抗剪承载力计算 纵向水平剪切粘结强度与压型钢板外形尺寸、表面加工情况、剪跨、混 凝土抗压强度、压型钢板翼缘与腹板上轧制的槽纹剪力件尺寸间距等诸 多因素有关。很难得出一个精确理论计算公式，一般都是通过大量试验、 回归分析得出组合板的纵向水平剪切粘结承载力计算公式。 V l 1 1 a PP a Apf 验算纵向剪切粘结面1-1：当达到弯曲承载能力极限状态时，压型钢板 达到f ，拉应力合力 。根据力平衡，1-1面上的纵向水平剪力： fAp fAV pl  张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ①英、美及欧洲规范的组合板纵向水平剪切承载力公式 ] 2 [8.0 100 lW fk a hm s bh V cu          这是根据455块组合板实验回归并考虑到可靠度指标的要求得出的。 其中各单位均采用英制单位： 为含钢率 ；b为组合板 单位计算宽度（inch)；h0为组合板有效高度（inch) ；s为剪力件间距 （inch) ，若剪力件为凹凸槽纹且等距布置时取s=1。 a为剪跨，如前述为集中荷载取集中荷载作用点至邻近支座的距离。 若为均布荷载可取： a=l/4 若为复杂荷载可取： a=M/V 0/( )pA bh  m,k为系数，应根据不同形式的压型钢板通过试验回归确定。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 ②我国原冶金部建筑研究总院根据试验的建议公式 为剪切粘结系数，由试验确定，根据该院的建议: a 为剪跨(mm)，取法同前。 为平均槽宽(mm)，t 为压型钢板厚度(mm) ， h0 为组合板有效高度(mm) 。 同样验算时应有: 625.38,0036.0,098.0,142.78 3210  aaaa 3210 ,,, aaaa rW tahWaaaaV ru 30210  ul VV  fAV sf  组合板达到抗弯承载力极限状态时，纵向剪力设计值： 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 当集中荷载较大，荷载作用范围很大，组合板比较薄的情况下，有时发生 冲切破坏。冲切破坏和钢筋混凝土板类似，是沿着荷载作用区周边45o 斜 锥面冲切破坏。 冲切承载力计算公式： Fl—局部集中荷载设计值； ft—混凝土轴心抗拉强度设计值； hc—压型钢板顶面以上混凝土厚度； ucr—临界截面的周长，即距离集 中荷载作用面积周边处板垂 直截面的周长。 （4）受冲切承载力计算 h u6.0 ccrtl fF  张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 为了使局部荷载尽量发 布在有效宽度范围内， 应当在混凝土板中，在 有效宽度bef 范围内配置 一定数量的横向分布钢 筋，其截面积与不小于 混凝土截面积的0.2%。      2 cccccr hahbu  其中，ac、 bc分别为集 中荷载作用面的长和宽。 张 阳 湖南大学土木工程学院桥梁教研室 13974810242 钢-混凝土组合桥梁 (Steel-Concrete Composite Bridges) Ⅵ、钢管混凝土 待 续 .....