钢板混凝土柱钢板桁架梁框架结构

钢板混凝土柱钢板桁架梁框架结构

韩彬彬

天水建筑设计院有限公司  甘肃天水  741000

【摘要】顺应国家推行装配式建筑发展的契机，创造性地提出钢板混凝土柱钢板桁架梁的结构体系，属于框架结构的范畴，但各结构构件均不同于传统的框架结构，该结构体系结合了钢筋混凝土结构及钢框架结构各自的优点，降低了工程造价，减小了装配式施工的难度，构件工厂预制率高，工程现场安装便捷。

【关键词】钢板柱    钢板桁架梁    组合楼板    框架结构    装配式

引言

钢板混凝土柱钢板桁架梁框架结构是由钢板混凝土柱和钢板桁架梁组成的框架结构。钢板桁架梁是将槽型钢板腹板上镂空，然后将镂空的两片槽钢通过缀板连接，形成新的整体式小型桁架结构，作为框架梁的思路；该结构形式是一种介于钢筋混凝土结构和钢结构之间的结构体系，集合了两者的长处，避免了各自的不足，从而达到了节约材料，特别是用钢量最节省。

1 钢板混凝土柱-钢板桁架梁体系

1、钢板混凝土柱

1.1、由于钢筋外移置换成钢板，在其内浇筑混凝土形成钢板混凝土柱，从而节省了浇筑的大量模板，节约了模板的投资和人工的成本，同时也缩短了施工工期。

1.2、所用的钢板混凝土柱，避免了钢结构中受压柱容易失稳和屈曲等致命的弱点，该柱相比钢筋混凝土柱断面可以适当放小，相比钢结构柱的用钢量明显减少。这样的结构构件既发挥了钢筋受拉的优势，又发挥混凝土能够承受压力的优势。

1.3、该柱外表的钢板代替受力钢筋，等效于钢筋外移到表面，消除了钢筋混凝土柱的保护层，即增加了柱子的有效高度，相比同尺寸钢筋混凝土柱，提高了截面的使用效率。

1.4、如钢板的受拉强度不够时或在高烈度地区，在预制钢板柱时，可在钢板内侧增设钢筋，特别是在四个角上和与梁相交的节点处增设加强钢筋，与钢板共同承受拉力。

1.5、钢板柱可在工厂预制，实现工业化生产。因在特定的环境内进行加工和施焊，保证了构件的质量和精度。

2、钢板桁架梁

2.1、钢板桁架梁是将槽型钢板的腹板进行镂空，形成新型的小型桁架结构，两片镂空的槽型钢板通过缀板连接，完成梁的加工，产生出一种新型的桁架型钢梁。相比在同荷载的槽钢或工字钢，该梁受力明确，自重轻，用钢量少，详见图四、五。

2.2、钢板桁架梁在现场与钢板混凝土柱通过连接钢筋进行焊接，上、下弦杆连接钢筋的面积须分别大于或等于上、下弦杆钢材的面积。该连接钢筋已在预制柱钢板时预置，在现场组装时，与钢板桁架梁的上下弦杆直接焊接。

2.3、钢板桁架梁可在型材钢厂内订制，避免因开孔而浪费钢材，同样可实现工业化生产，一次完成桁架梁的上弦杆、下弦杆及腹杆的连接。             

2.4、钢板桁架梁实现工业化生产，因在特定的环境内进行加工和施焊，保证了构件的质量和精度。

3、钢筋桁架复合楼板

3.1、将钢筋混凝土楼板中的钢筋外移下置，因为没有了保护层，这样无形中增加了板的有效高度，同时减轻了整栋建筑物的重量。

3.2、该楼板采用钢筋桁架作为受力钢筋，紧贴钢筋下设一层15mm的高密板，既是钢筋的保护层，又是浇筑混凝土的模板，也是室内顶棚的装修层，有一板三用的效果。

3.3、该楼板的钢筋桁架和高密板，可在工厂中按设计要求进行连接的加工，制作成钢筋和板连接的预制构件。该构件因为重量轻，可按普通房间的整间进行预制，即每间为一整块构件。

2 基于3D3S软件的结构整体分析

设防烈度8度0.3g，地震分组第二组，二类场地：分析中梁端最大弯矩为：桁架梁斜腹杆稳定应力比超限时，对应得最大梁端弯矩。

强柱弱梁，强节点弱杆件的实现方法：通过3D3S软件，采用角钢腹杆与钢板腹杆进行对比，提高桁架梁的整体及局部稳定性；

3 基于ABAQUS有限元分析软件的模拟分析

3.1混凝土本构关系

本文采用ABAQUS有限元分析软件对钢板桁架梁—钢板混凝土柱体系在均布竖向荷载工况下、给定水平位移工况下进行数值模拟分析，同时在建模中混凝土本构模型采用混凝土损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity），混凝土受压行为和受拉行为均采用《混凝土结构设计规范》GB50010-2010附录C中给出的本构关系。

3.2钢板本构关系

模拟中对钢板采用了两折线本构，即钢板达到屈服强度后应力不随不随应变的增大而增大，如图1所示。在本次模拟中钢板采用理想的弹塑性本构模型，弹性阶段的弹性模量取2.1e11，泊松比取0.3；塑性阶段中的屈服应力取3.45e8，塑性应变取0。

3.3单元类型、网格划分和相互作用

混凝土和钢板分别采用三维8节点缩减积分单元和T3D2单元进行分离式建模。对于钢板-混凝土柱的现浇混凝土与钢板之间的粘结接触，定义接触面的垂直方向不发生相互嵌入和相互重叠的情况，即采用硬接触模型Tie接触，假定模型不会沿接触面垂直方向和平行方向脱开，且能传递荷载和内力。网格的划分采用对独立实体划分网格的形式。钢板桁架梁与钢板混凝土柱钢板的接触同样采用硬接触模型

Tie接触，认为两者接触面之间不会发生相对移动。

3.4 ABAQUS模拟结果分析

本次模拟的三榀钢板桁架梁-钢板混凝土柱的尺寸、跨度见表4：

此处以KJ-3为例对框架承受竖向荷载工况、水平荷载工况、两者组合时工况产生的的应力应变、变形进行了分析，根据结构承受的极限应力反算出结构的极限承载力（极限弯矩、极限剪力）。

1. 竖向荷载工况下的有限元模拟：

假定典型开间尺寸3.3m，楼板厚度120mm，算得楼面分担于梁上的均布恒荷载标准值=67.58 KN/m2，均布活荷载标准=26.4KN/m2，梁上墙体等效均布恒荷载=28 KN/m2，则梁顶荷载设计值=166.25 KN/m2。

模拟变形的云图为放大100倍的效果，从变形的趋势上看，上部弦板主要为受压变形内凹，腹板为受压变形外凸；钢板-混凝土柱变形不明显，说明有良好的稳定性。

根据模拟的应力云图分析，最大应力为246Mpa，远未达到345 Mpa的屈服强度。根据应力-时间图可知，钢板桁架梁在设计荷载作用下一致处于弹性状态，有良好的承载能力。

2. 水平位移工况下的有限元模拟：

在框架柱顶施加多遇地震下的弹性水平位移，用来模拟地震工况下的承载力。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的规定，弹性位移角为1/250的层高，本框架层高取3600mm，则多遇地震下的水平位移为144mm。施加水平为以后框架的变形云图和应力云图如下所示：

从应力云图可知，在多遇地震位移下，最大应力值为336MPa，该框架未达到屈服应力345MPa，可以认为本次模拟的一榀框架可以达到抗震设计中的“小震弹性”的水准。

根据正应力、剪应力的云图，利用材料力学的内力计算公式，反推出构件的弯矩和剪力的承载力。

4、结论

4.1、该结构为一种新的结构体系，属于框架结构的范畴。

4.2、该结构类型主要针对装配式建筑提出，符合装配式建筑的特点。

4.3、通过3D3S软件，采用角钢腹杆与钢板腹杆进行对比，得到了桁架梁的整体及局部稳定性。

4.4、通过ABAQUS有限元分析软件进行模拟，得到一榀框架的静力工况下的承载力和稳定性，以及地震工况下的承载力和稳定性。

参考文献

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