钢筋桁架模板混凝土结构的开发与设计方法

钢筋桁架模板混凝土结构的开发与设计方法浙江杭萧钢构股份有限公司杨强跃2006年6月内容纲要•一、开发背景•二、产品概述•三、受力特点•四、设计方法•五、试验研究•六、工程应用一、开发背景•为充分发挥钢结构施工周期短的优点，多高层钢结构楼板一般采用肋高51mm和76mm，板厚0.8～1.2mm的闭口式或开口式压型钢板的组合和非组合楼板。这种楼板虽然省去了支模，但有以下不足之处：•造价偏高；•楼板厚度比现浇混凝土楼板厚20～50mm，使得建筑楼层净高降低或需增加层高；•其下表面不平整；•抗火与防腐性能有待研究探讨；•楼板的双向刚度不同，对传递水平力有一定的影响；•现场有较大的钢筋绑扎工作量，且支座处上部负筋位置不易保证准确。开口式楼承板组合楼板150(130)74(54)76(51)闭口式楼承板组合楼板11065(40)钢筋桁架混凝土楼板51110缩口式楼承板组合楼板100•如何将免支模的压型钢板组合或非组合楼板与现浇混凝土楼板的优势能综合发挥呢？钢筋桁架模板（也称自承式模板）混凝土楼板就是在这种背景下进行开发，并成功地将二者优势结合在一起，还具备其自身的一些特点。二、产品概述•钢筋桁架模板是将现浇混凝土楼板中的上、下层纵向钢筋（上、下弦杆），与弯折成形的小直径钢筋（腹杆）焊接，组成具有一定刚度且能够承受荷载的小桁架，再将该小桁架的弯脚与肋高仅2mm，板厚为0.4～0.6mm的压型钢板焊接。所有这些加工操作均是在工厂内利用自动化生产线完成的。钢筋桁架混凝土楼板纵剖面图钢筋桁架混凝土楼板横剖面图•钢筋桁架模板在施工阶段，将底下的压型钢板相互扣接，以托住混凝土，由钢筋桁架提供强度和刚度；在使用阶段，钢筋桁架就是混凝土楼板的配筋，以承受使用荷载。因此，它具有压型钢板组合或非组合楼板的施工速度快的优势，又具有现浇整体刚度大，抗震性能好的优点，具有广阔的使用前景。底模上弦钢筋腹杆钢筋下弦钢筋钢筋桁架间距下弦钢筋上弦钢筋底模腹杆钢筋支座竖筋钢筋桁架节点间距支座水平筋桁架高度范围70mm≤ht≤270mm桁架长度范围1m～12m钢筋保护层厚度c=15mm，30mm上下弦直径6mm～12mm腹杆直径4mm～7.5mm底模厚度0.5mm综合起来，钢筋桁架模板混凝土楼板有以下特点：•（1）现场绑扎工作量减少60％～70％，可进一步缩短工期。•（2）比普通压型钢板—混凝土组合楼板的厚度减少约20～50mm,混凝土用量减少，室内净高增加。•（3）栓钉焊接质量更容易保证。•（4）底面平整，感观好，钢板损耗少。•（5）力学性能与现浇楼板基本相同，使用阶段板底基本不开裂。•（6）与现浇楼板的防火性能相当。钢板不参与使用阶段受力，不需考虑防腐问题。•（7）钢筋排列均匀，保护层厚度有可靠保证。•（8）通过改变桁架高度拟适用跨度较大的楼板。•（9）楼板的双向刚度相近，有利于建筑物抗震，也可做成双向板。•（10）桁架受力模式合理，综合造价低。三、受力特点•3.1楼板的刚度•普通现浇钢筋混凝土楼板，施工阶段因下部支模故基本没有挠度，待混凝土达到一定强度后拆模，在自重作用下，楼板下挠，板底混凝土产生拉力、甚至出现裂缝。而钢筋桁架混凝土楼板根据是否设临时支撑分为两种情况：•（1）设临时支撑时，与普通现浇钢筋混凝土楼板基本相同。•（2）不设临时支撑时，在混凝土结硬前，楼板强度和刚度即钢筋桁架的强度和刚度，模板自重、混凝土重量及施工荷载全由钢筋桁架承受。混凝土结硬是在钢筋桁架模板变形下进行的，所以楼板自重不会使板底混凝土产生拉力，在除楼板自重以外的永久荷载及楼面活荷载作用下，板底混凝土才产生拉力。这样，楼板开裂延迟，楼板的刚度比普通现浇钢筋混凝土楼板大。•3.2楼板的承载力•在使用阶段，钢筋桁架上下弦钢筋与混凝土一起共同工作，此楼板与钢筋混凝土叠合式楼板具有相同的受力性能，虽然受拉钢筋应力超前，但其承载力与普通钢筋混凝土楼板相同。•3.3压型钢板的作用•做为底模的压型钢板厚度较薄，而且考虑经济性，钢板下部不做防火处理，所以计算楼板承载力时不应考虑钢板的作用；但在正常使用情况下，钢板的存在增加了楼板的刚度，改善了楼板下部混凝土的受力性能。•以上观点已被试验结果证实。四、设计方法•混凝土从浇筑到达到设计强度过程中，楼板受力明显不同，所以应进行使用及施工两阶段计算。使用阶段计算包括楼板的正截面承载力计算、楼板下部钢筋应力控制验算、支座裂缝控制验算以及挠度验算。•施工阶段计算采用桁架模型，内容包括上下弦杆强度验算、受压弦杆和腹杆稳定性验算以及桁架挠度验算。混凝土达到设计强度后，楼板上承受的施工荷载大于使用荷载、楼板下又无可靠的临时支撑时，应参照使用阶段计算方法验算此阶段楼板的强度和变形。钢筋桁架混凝土楼板根据具体工程情况可设计为单向板，也可设计为双向板•4.1单向板设计•1.使用阶段•（1）楼板的正截面承载力计算•楼板正截面承载力应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)及《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》(JGJ95—2003)有关规定。•（2）楼板下部钢筋应力控制验算•楼板下部钢筋的拉应力应符合下列规定：•（1）•式中为楼板下部钢筋的拉应力；为钢筋抗拉强度设计值。yskf9.0skyf•（2）•式中为楼板自重标准值作用下钢筋桁架下弦的拉应力；为在除楼板自重以外的永久荷载及楼面活荷载标准值作用下，楼板下部钢筋的拉应力。•（3）•式中为楼板自重标准值作用下钢筋桁架下弦的拉力；为计算宽度范围内杆件截面面积。•（4）•式中为使用阶段除楼板自重以外的永久荷载及楼面活荷载标准值作用下在计算截面产生的弯矩值；为截面有效高度。kskssk21skksAN1102287.0hAMskkskM2ks1ks2kN1sA0h•公式（1）是参照叠合式受弯构件给出的受拉钢筋应力控制条件。该条件属正常使用极限状态的附加验算条件。该验算条件与裂缝宽度控制条件和变形控制条件不能相互取代。这是由于在施工阶段先以截面高度小的钢筋桁架承担该阶段全部荷载，使得受拉钢筋中的应力比假定楼板全截面承担同样荷载时大。这一现象称为“受拉钢筋应力超前”。当楼板混凝土达到强度后，在使用阶段荷载作用下，钢筋桁架混凝土楼板与同样截面普通楼板相比，钢筋拉应力及曲率偏大，并有可能使受拉钢筋在弯矩标准值作用下过早达到屈服。这种情况在设计中应予以防止。kM（3）楼板支座裂缝控制验算•楼板支座的最大裂缝宽度限值按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)有关规定执行。其裂缝控制验算应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)中相关公式执行，其中应为除楼板自重以外的永久荷载以及楼面活荷载作用下按荷载效应标准组合计算的弯矩值。kM（4）楼板挠度验算•使用阶段钢筋桁架楼板的最大挠度应按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响进行计算，挠度限值按以下规定采用：•①施工阶段设临时支撑时，楼板挠度限值按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)有关规定执行。•②施工阶段不设临时支撑时，楼面活荷载作用下楼板的挠度不应超过计算跨度的1/350，楼板自重、除楼板自重以外的永久荷载以及楼面活荷载作用下楼板的挠度不应超过计算跨度的1/250。•在楼板挠度计算中，刚度按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)中相关公式计算。2.施工阶段•当施工阶段设有可靠临时支撑时，设计时无需进行施工阶段验算；当施工阶段不设临时支撑时，钢筋桁架模板中桁架杆件的内力以及模板的挠度，采用桁架模型计算。承载能力极限状态按荷载效应基本组合，重要性系数取0.9。挠度采用荷载的标准效应组合计算。•此阶段荷载包括钢筋桁架模板自重、湿混凝土重量以及施工荷载。施工荷载采用均布荷载为1.5kN/m2和跨中集中荷载沿板宽为2.5kN/m中较不利者，不考虑二者同时作用。0•（1）上下弦杆强度应按下式计算：•（5）•式中为上下弦杆的应力；为杆件轴心拉力或压力。•（2）受压弦杆及腹杆稳定性应按下式计算：•（6）•式中为轴心受压构件的稳定系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017—2003)附录C采用，其中受压弦杆的计算长度取0.9倍的受压弦杆节点间距，腹杆的计算长度取0.7倍的腹杆节点间距；为钢筋抗压强度设计值。•（3）桁架挠度验算•施工阶段钢筋桁架模板的最大挠度应按荷载的标准组合进行计算，挠度限值为/180及20mm较小者，为楼板计算跨度。ysfAN9.0'ysfANN'yf0l4.2双向板设计•为节约钢材，双向板在施工阶段应沿垂直于桁架方向设可靠临时支撑。施工阶段无需验算；使用阶段应按普通现浇钢筋混凝土双向板计算。五、试验研究•为充分验证设计方法的可行性，委托浙江大学进行了试验，试件有A、B二组。A组试件（四个）：宽度为600mm，跨度3000mm。上下纵向钢筋轴线距离为58mm，下部纵向钢筋轴心距离底部钢板25mm。试件底部钢板为带肋钢板（厚度为0.4mm）；腹杆和横向钢筋分别为5mm和4mm的冷拔低碳钢丝；端部竖杆钢筋为φ12；上下纵向钢筋均为φ12B组试件（三个）：宽度为600mm，跨度3600mm。上下纵向钢筋轴线距离为77mm，下部纵向钢筋轴心距离底部钢板25mm。试件底部钢板为带肋钢板（厚度为0.4mm）；腹杆和横向钢筋分别为5mm和4mm的冷拔低碳钢丝；端部竖杆钢筋为φ12；上部纵向钢筋为φ14，下部纵向钢筋为φ12。5.1施工阶段的试验试件编号荷载情况平均值(mm)理论值(mm)1234浇注完毕后12.2412.6912.4112.3311.54误差（％）6.09349.99397.5676.8735集中活荷载17.2017.1517.4917.4916.97误差（％）1.34341.04883.05213.0521均布活荷载16.9817.6517.5017.3517.06误差（％）-0.53.44632.56711.688A组挠度测试结果试件编号荷载情况平均值/理论值/1234浇注完毕后330.7330.5365343.8341误差(%)-3.03-3.087.0380.806集中活荷载479.5491476.5493.8538误差(%)-10.9-8.74-11.4-8.22均布活荷载489.7468.1555468518误差(%)-5.47-9.637.143-9.65A组试验下弦钢筋应变值试件编号荷载情况平均值/理论值/1234浇注完毕后-424-464-394-447-411误差(%)3.16312.895-4.1368.759集中活荷载-627-766-641-656.6-657误差(%)-4.56616.590-2.435-0.061均布活荷载-624-628-608-619.8-625误差(%)-0.1600.48-2.72-0.832A组试验上弦钢筋应变值试件编号荷载情况平均值/理论值/123浇注完毕后-229.75-256-256.67-265误差(%)-13.302-3.3962-3.1447集中活荷载-288.25-319.75-310.33-357误差(%)-19.258-10.434-13.072均布活荷载-323.75-348.25-318.67-398误差(%)-18.656-12.5-19.933A组试验腹杆应变值试件编号平均值(mm)理论值(mm)123浇注完毕后16.3916.3216.0215.076误差（％）8.7248.2186.261集中活荷载20.7820.6820.6319.802误差（％）4.9584.4334.156均布活荷载22.3621.6921.6520.893误差（％）7.0273.7913.599B组挠度测试结果试件编号荷载情况平均值/理论值/123浇注完毕后409.71410.29415.43470误差(%)-12.828-12.704-11.611集中活荷载581.00589.71590.57643误差(%)-9.642-8