张艺，刘锡军,2，胡望

小间距钢梁混凝土空心楼盖刚度研究

张艺1，刘锡军1,2，胡望1

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201；2.湖南软件职业学院建筑工程学院，湖南湘潭411201)

为了研究小间距钢结构楼盖现浇混凝土空心板的作用，通过一榀1/2简化框架模型，对有板和无板两种不同框架的刚度进行竖向加载试验，获得了两种不同结构的竖向变形特征．实验结果和理论分析表明，混凝土空心楼板能明显提高钢梁的等效刚度，减小楼盖变形．在实验结果和理论分析的基础上，提出了考虑现浇混凝土空心楼板作用的小间距钢结构楼盖变形计算方法，该方法可供此类楼盖设计参考．

小间距钢梁；混凝土空心楼盖；刚度

小间距钢梁混凝土空心楼盖是为适用马克俭院士研发的盒式钢结构应用于住宅中的一种新型楼盖，其结构特点主要体现在梁的间距较小，间距为2 m，梁采用H型钢梁．小间距钢梁现浇混凝土空心楼盖，结合了钢结构楼盖和现浇混凝土空心楼盖的特点，是一种新型的结构类型．钢结构楼盖具有承载能力高，抗震性能好，便于施工等特点．现浇混凝土空心楼板具有节省混凝土用量，自重轻，良好的保温、隔音、隔热性能，并对钢梁楼盖刚度具有一定的贡献[1-3]．将现浇混凝土与钢梁楼盖结合，弥补了小间距钢梁楼盖承载力大而刚度不足的缺点[4]．但目前混凝土楼板对钢梁楼盖的刚度贡献的文献较少，课题组通过试验和理论分析，获得了此类楼盖的变形或刚度特征和计算方法．

1 试验模型设计和试验概况

1.1试验模型设计

由于试验场地、试验经费等条件的限制，加工制作一榀1/2缩尺小间距钢梁框架并浇捣混凝土空心板[5-7]，对其进行竖向加载试验，研究混凝土空心板对钢梁刚度的影响．试验模型层高1 500 mm，柱距为4 000 mm，空心板板宽为500 mm，板厚为120 mm，空心板配HRB335级钢筋，直径为6 mm，间距100 mm，柱为焊接H型钢，柱截面尺寸为120×100×5×5，梁为焊接H型钢，梁截面尺寸为120×100(80)×5×5，钢材材质为Q235，均采用采用螺栓连接，螺栓为M14，等级为4.8级，支座是钢筋混凝土结构，如图1所示，图中单位为mm．混凝土空心板采用PVC管成型空心管道，PVC管外径75 mm，空心管平行横向方向布置，每块空心板布置4根PVC管，PVC管长为900 mm,管与管之间间隔30 mm，PVC管的管顶距空心板的顶面有22.5 mm的距离，PVC管的管底距空心板的底面有22.5 mm的距离．

图1 试验模型

1.2加载制度

该试验分两个阶段进行，待钢框架安装完毕之后进行第一阶段的试验，第二阶段试验在浇捣混凝土空心板并且达到其龄期(标准条件养护28天)后进行，因此，在不同的试验阶段采用不同的加载制度．

1.2.1 第一阶段试验

试验开始前，首先施加最大竖向荷载（43.68 KN）的10%，然后卸载，检查各个螺帽，并将其拧紧，如此反复两次，观察加载装置是否出现异样，并检查各仪器是否正常，若不正常需及时调整，以保证试验结果的准确性．如无问题就开始试验．采用力控制加载，每级加载2.5 KN．

主要步骤如下．

（1）先施加最大竖向荷载的10%，稳定荷载．检查仪器,试验设备是否接触良好，并查看水平测量仪器装备是否正常工作，然后卸载为零．

（2）逐级加载试验，每级加载2.5 KN，每一级荷载施加到位时稳住荷载，并记录位移计数据．

（3）直到加载到最大竖向荷载时，试验停止．

1.2.2 第二阶段试验

采用力位移混合加载，在力控制加载阶段，每级加载2.5 KN，直到构件达到屈服，之后采用位移控制加载，按1.5 mm位移逐级加载，直到构件破坏．

主要步骤如下：

（1）先施加最大竖向荷载的10%，稳定荷载．检查仪器,试验设备是否接触良好，并查看水平测量仪器装备是否正常工作，然后卸载为零．

（2）逐级加载试验，每级加载2.5 KN，每级荷载施加到位时稳住荷载，并记录位移计的数据．

（3）构件达到屈服后，采用位移控制加载，按1.5 mm位移逐级加载，每一级位移施加到位时稳住荷载，并记录传感器对应的数据．

（4）当构件达到破坏状态时，试验停止．

图2 第一阶段试验现场

图3 第二阶段试验现场

2 试验现象

2.1第一阶段试验

因构件加工与制作等原因，试验中，结构所承受的荷载强度远低于理论计算值．因此，该阶段试验以主梁跨中挠度是否达到l/200（即20 mm）来控制，当主梁跨中挠度达到l/200（即20 mm）时终止试验．在实际试验中，当荷载达到22.5 KN时，主梁开始屈服．此阶段钢梁处于弹性工作阶段，在试验过程中观测到钢梁的竖向位移与荷载基本呈线性关系，与理论基本相符．

2.2第二阶段试验

在荷载控制阶段，荷载达到20 KN时，混凝土空心板底板与次梁的接触面开始出现一条细小裂缝，随着荷载的增加裂缝渐渐扩展，但在混凝土空心板上没有出现裂缝，也没有局部破坏等现象．随后采用位移加载，位移加载3 mm时，混凝土空心板底板与钢梁的接触面出现明显的裂缝，平行于主梁方向的混凝土空心板底板与钢梁的接触面开始出现裂缝；位移加载4.5 mm时，板底已产生的裂缝不断开展，裂缝主要垂直主梁分布；位移加载6 mm时，板的侧面开始产生裂缝，裂缝开裂方向与次梁腹板成450夹角分布；随着位移增大，主梁变形不断变大，当跨中位移达到39 mm时，竖向荷载达到最大值45.02 KN；此后，结构的承载能力逐渐降低．

3 试验结果及分析

根据试验结果，分别得到结构一和结构2（将没浇捣混凝土板前的结构称为结构1，之后的称之为结构2）的荷载-位移曲线，如图4和图5所示．由图4可知，当荷载小于20 KN时，荷载-位移曲线趋于直线，斜率基本保持不变，结构1处于弹性工作阶段．由结构2的荷载-位移曲线，如图5所示可知，曲线在位移为20 mm时出现明显的拐点，说明混凝土空心板开始逐渐退出工作，由于钢材的延性良好，主梁跨中的挠度仍不断增加，但结构所承受的荷载的增加值较小．

图4 结构1荷载-位移曲线

图5 结构2荷载-位移曲线

图6 结构1荷载比值-挠跨比曲线

将图4和图5的横坐标和纵坐标换算成无量纲，横坐标用挠跨比表示，纵坐标用与极限荷载45.02 KN的比值表示，得到图6和图7．由图6可知，结构1在挠跨比l/200时曲线接近直线，结构处于弹性工作阶段．由图7可知，当挠跨比为l/200时，曲线出现拐点，说明挠跨比达到l/200时，混凝土板开始退出工作，对主梁刚度的加强效果逐渐减弱．

图7 结构2荷载比值-挠跨比曲线

通过对两阶段试验的荷载-位移曲线进行对比，如图8所示，结构2主梁的等效刚度要高于结构1的，并且在不同的阶段结构2主梁的等效刚度比结构1的差值不一样，当加载荷载为18 KN时，结构1主梁的跨中位移是9.7 mm，结构2主梁的跨中位移是15.5 mm，结构2主梁的等效刚度比结构1增加63%．将图8的横纵坐标换算成无量纲值，如图9所示，当结构承受荷载与极限荷载的比值为0.4时，结构1的挠跨比为0.003 9，结构2的挠跨比为0.002 4，此时，结构2主梁的等效刚度与结构主梁1的刚度的比值为1.63．由此可见，混凝土空心板对主梁等效刚度的提高效果十分明显．

通过理论分析及实验现象可知，荷载是直接加载到主梁上，而没有加载到混凝土板和次梁上，混凝土板嵌固在钢梁翼缘板内，由于混凝土空心板本身具有一定刚度，主梁发生变形时，对其产生制约的效果，从而对主梁的等效刚度有一定的提高作用，因混凝土板与钢梁之间没有设置剪力栓，混凝土板开裂后不具有与钢梁共同工作的条件，故不能提高楼盖的承载力．

图8 结构1与结构2荷载-位移曲线对比

图9 结构1与结构2荷载比值-挠跨比曲线对比

通过对结构1与结构2的荷载-位移曲线进行对比，可以发现：

（1）在第一阶段，结构2中混凝土板还未开裂，两者都处于弹性工作阶段，荷载-位移曲线近似为直线，截面表现出较好的弹性，刚度保持不变；

（2）在第二阶段，随着荷载的增加，混凝土板开裂，在荷载-位移曲线上出现拐点，但混凝土板并不没有完全退出工作，仍然表现出对主梁的变形有一定的限制作用，即对主梁的等效刚度有一定的提高效果，但随着混凝土板不断开裂，这种效果逐渐变小，直到最后混凝土板对主梁的等效刚度没有贡献．

根据文献[8]，钢梁的刚度是以一定荷载作用下的挠度的大小来衡量的，按材料力学和结构力学的方法进行计算，确定梁的挠度的计算公式(1)．

式中υ是由荷载标准值(不考虑荷载分项系数和动力系数)产生的最大挠度；l为梁的长度；qk为均布线荷载标准值；E为梁截面弹性模量；Ix为跨中毛截面惯性矩．

在实际工程中，考虑到混凝土空心板对钢梁的等效刚度的提高影响，将公式(1)中引入刚度提高系数η，由试验结果显示，当结构处于正常使用阶段(一般结构所承受荷载位于其极限荷载的40%左右，挠度为1/300左右)时，结构2主梁的等效刚度是结构1主梁的刚度的1.63倍，考虑试验数据较少，建议刚度提高系数η取1.5，得到公式(2)．

4 结论

(1)小间距钢梁混凝土空心楼盖在竖向荷载作用下，当小间距钢梁混凝土空心楼盖结构处于正常使用阶段(按承受荷载达到极限荷载的40%考虑)时，现浇混凝土空心板对主梁的等效刚度的增强效果明显，实验结果表明，等效刚度提高约63%．据此提出了小间距钢梁混凝土空心楼盖在竖向荷载作用下，挠度的计算公式其中建议η取1.5．

(2)在小间距钢梁混凝土空心楼盖结构中，混凝土空心板对主梁等效刚度的提高出现在接近结构极限荷载之前，在荷载加载初期，随着主梁跨中挠度的增大，混凝土空心板对主梁等效刚度的提高程度逐渐增大，直到当混凝土空心板对主梁等效刚度的提高程度最大后，随着主梁跨中挠度的增大，混凝土空心板对主梁等效刚度的提高程度逐渐减小，直到最后混凝土空心板开裂并与钢梁接触面产生滑移，有板楼盖与无板钢梁楼盖刚度相近．在实际工程中，在结构使用阶段可考虑混凝土空心板对主梁等效刚度提高的影响，即结构承载力计算不考虑楼板的作用(因小间距钢梁承载能力较高，刚度较小，为简化施工工艺，降低成本，不必设置剪力栓)，楼盖挠度计算可考虑现浇混凝土板的作用，节约钢材，降低工程成本．

[1]马克俭,张华刚,郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]李成河,魏庆鑫.我国钢结构住宅发展前景展望[J].交通科技与经济,2005(2):56-58.

[3]马克俭,张华刚,肖建春,卢亚情.中国钢筋混凝土板空间网格结构新体系的开拓与发展[J].中国工程科学,2008,10(07): 4-17.

[4]张智云.钢结构设计中的变形问题[J].黑龙江科技信息,2013: 193.

[5]GB50017-2014,钢结构设计规范[S].

[6]GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S].

[7]GB50010-2011,混凝土结构设计规范[S].

[8]戴国欣.钢结构[M].武汉:武汉大学理工出版社,2011.

(责任编校：陈智全)

The Stiffness Study on Hollow Floor of Small Spacing Steel Concrete

ZHANG Yi1,LIU Xi-jun1,2,HU Wang1
(1.College of Civil Engeering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan,Hunan 411201,China;2.College of Civil Engineering andArchitecture,Hunan Software Vocational Institute,Xiangtan,Hunan 411201,China)

In order to study the function of the cast-in-situ concrete core slab with small span steel structure floor,two kinds of frames which with and without plate,were conducted vertical load test by a common 1/2 to simplify the model,and we obtained two different structures of the vertical deformation characteristics.Test results and theoretical analysis suggested that concrete hollow floor slab significantly increased the equivalent stiffness of girder,then decreased the deformation of floor.Based on test results and theoretical analysis and considered the function of cast-in-situ concrete core slab,we put forward a computing method of small span steel structure floor deformation which was provided a reference for this kind of floor design.

small spacing beam；concrete hollow floor；rigidity

TU391

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.010

1672–7304(2015)01–0038–04

2014-02-19

湖南省教育厅资助项目(14C0619)

张艺(1988-)，男，湖南慈利人，硕士研究生，主要从事高性能混凝土研究．