中美壓型鋼板—混凝土非組合樓板設(shè)計(jì)規(guī)范比較

陸壯志

摘要：介紹了壓型鋼板與混凝土組合樓板的分類和構(gòu)造要求，對(duì)比了中美兩國(guó)非組合板設(shè)計(jì)方法，根據(jù)兩國(guó)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對(duì)承載力計(jì)算方法和撓度計(jì)算方法進(jìn)行了比較，并以AP1000核電站附屬?gòu)S房（40廠房）EL.182屋面板為例進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)AP1000核電站的消化、吸收和設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：壓型鋼板；非組合板；受彎承載力

0 引言

壓型鋼板與混凝土組合樓板作為一種新型的樓板結(jié)構(gòu)，因其具有節(jié)省模板、施工簡(jiǎn)便快捷、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，受到許多建設(shè)者的歡迎，目前已被廣泛應(yīng)用于房屋建筑與工業(yè)建筑的樓（屋）面工程中。

AP1000核電站附屬?gòu)S房（40廠房）中，土建結(jié)構(gòu)主要采用了組合樓板結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)依據(jù)美國(guó)《核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求》（ACI 349-01）和《美國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范和注釋》（ACI 318M-05）。組合樓板在我國(guó)主要應(yīng)用于高層建筑和鋼結(jié)構(gòu)廠房中，設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-1998）。為促進(jìn)組合樓板在核電廠土建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，加深對(duì)組合樓板的認(rèn)識(shí)，本文比較了中美兩國(guó)規(guī)范對(duì)組合樓板設(shè)計(jì)規(guī)定的異同之處，并以AP1000核電站40廠房 EL.182屋面板為例進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，為工程設(shè)計(jì)及研究人員提供參考。

1 壓型鋼板與混凝土組合樓板的分類和構(gòu)造要求

1.1組合樓板的分類

壓型鋼板與混凝土組合樓板分為組合板和非組合板，這兩種類型樓板的主要差別在于對(duì)壓型鋼板的功能要求。組合板中的壓型鋼板不僅用作永久性模板，而且作為混凝土板的下部受拉鋼筋與混凝土一起共同工作形成組合樓板；非組合板中的壓型鋼板僅用作永久性模板，不考慮與混凝土共同工作。AP1000核電站40廠房中采用的就是上述非組合板。

1.2 組合樓板的構(gòu)造要求

組合樓板的構(gòu)造要求如下：（1）組合板的壓型鋼板宜采用帶有特殊波槽、壓痕的開(kāi)口板，縮口板及閉口板；非組合板的壓型鋼板不要求采用特殊波槽、壓痕的板型。（2）用于組合板的壓型鋼板厚度不應(yīng)小于0.75mm；僅作模板用的非組合板，其厚度應(yīng)不小于0.5mm。澆注混凝土的波槽平均寬度不應(yīng)小于50mm。（3）支撐于鋼梁上連續(xù)板或搭接板，支撐長(zhǎng)度不應(yīng)小于50mm。（4）組合樓板端部應(yīng)設(shè)置栓釘錨固件，栓釘應(yīng)設(shè)置在端支座的壓型鋼板凹肋處，穿透壓型鋼板并焊牢于鋼梁上。

2 設(shè)計(jì)規(guī)范的比較

壓型鋼板與混凝土非組合板的承載能力計(jì)算包括壓型鋼板施工階段的驗(yàn)算和非組合板使用階段計(jì)算。

2.1 壓型鋼板在施工階段的驗(yàn)算

壓型鋼板在施工階段的受彎承載力及撓度計(jì)算時(shí)，可按強(qiáng)邊（順肋）方向的單向板計(jì)算正、負(fù)彎矩和撓度，對(duì)弱邊方向可不進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算簡(jiǎn)圖可視實(shí)際支承跨數(shù)及跨度尺寸確定，考慮到下料的不利情況，一般取兩跨連續(xù)板或單跨簡(jiǎn)支板進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 受彎承載力計(jì)算

1）中國(guó)規(guī)范

采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，壓型鋼板的受彎承載力應(yīng)符合下式要求：

式中， 為計(jì)算寬度內(nèi)壓型鋼板的彎矩設(shè)計(jì)值； 為壓型鋼板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； 為計(jì)算寬度內(nèi)壓型鋼板的有效截面抵抗矩。

2）美國(guó)規(guī)范

采用容許應(yīng)力法（ASD），按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，S為壓型鋼板彎矩截面系數(shù)。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)方法的不同，兩者的承載力計(jì)算有明顯的不同。中國(guó)規(guī)范采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，美國(guó)規(guī)范則采用容許應(yīng)力法來(lái)進(jìn)行壓型鋼板的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。在計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值方面，兩者也有所不同：中國(guó)規(guī)范采用考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)的基本組合值來(lái)進(jìn)行計(jì)算；美國(guó)規(guī)范以標(biāo)準(zhǔn)組合值來(lái)進(jìn)行彎矩設(shè)計(jì)值的計(jì)算，所得出的彎矩設(shè)計(jì)值相對(duì)中國(guó)規(guī)范偏小。

2.1.2 撓度驗(yàn)算

中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范對(duì)壓型鋼板在施工階段的撓度計(jì)算方法是一致的，均采用壓型鋼板有效截面慣性矩。

式中，q為計(jì)算寬度內(nèi)的均布短期荷載標(biāo)準(zhǔn)值； 為壓型鋼板彈性模量； 為計(jì)算寬度內(nèi)壓型鋼板的慣性矩； 壓型鋼板的計(jì)算跨度； 為板的允許撓度，取1/180及20mm的較小值。

2.2 非組合板使用階段計(jì)算

使用階段，壓型鋼板不作為混凝土板的受拉鋼筋，屬于非受力鋼板，因此按如同無(wú)壓型鋼板的鋼筋混凝土樓板計(jì)算其承載力。

2.2.1 荷載組合

中國(guó)規(guī)范對(duì)荷載效應(yīng)組合采用將荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值乘荷載分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)可變荷載效應(yīng)再乘組合值系數(shù)。

可變荷載起控制作用下：1.2D+1.4L

永久荷載起控制作用下：1.35D+0.98L

美國(guó)規(guī)范對(duì)荷載效應(yīng)組合采用將荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)值乘荷載分項(xiàng)系數(shù)。

工況1：1.4D+1.7L

工況2：1.0D+1.0L+1.0E

2.2.2 正截面受彎承載力

1）中國(guó)規(guī)范

按普通混凝土板設(shè)計(jì)，有效高度考慮壓型鋼板波谷的影響。

適用條件： 且

式中， 為壓型鋼板肋以上混凝土厚度；b為樓板計(jì)算寬度；x為混凝土受壓區(qū)高度； 為組合樓板截面有效高度； 為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； 為相對(duì)界限受壓區(qū)高度。

2）美國(guó)規(guī)范

采用的是基于概率理論的荷載和抗力系數(shù)法（LRFD），按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中， 為折減系數(shù)，取0.9；d為截面有效高度；a為混凝土受壓區(qū)高度； 為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

可以看出，中美兩國(guó)規(guī)范對(duì)正截面受彎承載力計(jì)算的基本原理是一致的，都是利用同一截面力和彎矩平衡原理進(jìn)行求解，所以計(jì)算公式?jīng)]有本質(zhì)的區(qū)別，只是參數(shù)的物理意義和取值有所不同。

3 算例分析及設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

以AP1000核電站附屬?gòu)S房（40廠房）EL.182屋面板為例進(jìn)行計(jì)算。選用Lysaght 2W-DECK壓型鋼板，厚度1.2mm，截面尺寸和截面特性參考圖3.1和表1。壓型鋼板采用ASTM A36鍍鋅鋼板，彈性模量 ，最小屈服強(qiáng)度 。

樓板總厚度h=4.5”，計(jì)算跨度5-6”。選用圓柱體抗壓強(qiáng)度 的混凝土和ASTM615鋼筋，鋼筋強(qiáng)度值 ；中間支座處，在板的上方配有#4@12”（ ）的受拉鋼筋。在計(jì)算荷載時(shí)，施工階段的恒荷載為48.37psf，活荷載為50psf；使用階段的恒荷載為116psf，活荷載為90psf，豎向地震荷載144psf。

本文分別對(duì)壓型鋼板施工階段受彎承載力和撓度、以及非組合板使用階段正截面抗彎承載力進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。所得結(jié)果如表1所示。

可看出，中美兩國(guó)規(guī)范對(duì)壓型鋼板施工階段的撓度計(jì)算結(jié)果是一致的。但在計(jì)算承載力時(shí)，計(jì)算方法差別給承載力計(jì)算結(jié)果造成較大影響。如表1所示，無(wú)論是壓型鋼板施工階段的承載力，還是非組合板使用階段的承載力，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算得出的結(jié)果都偏于保守，說(shuō)明美國(guó)規(guī)范在構(gòu)造方面要求較高，安全性更高。

4 總結(jié)

本文對(duì)中美兩國(guó)關(guān)于壓型鋼板混凝土非組合板設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行比較，并以40廠房EL.182屋面板為例進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）兩國(guó)規(guī)范在壓型鋼板施工階段的撓度計(jì)算方面是一致的；施工階段承載力的計(jì)算方面，兩者有明顯的不同：中國(guó)規(guī)范采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，美國(guó)規(guī)范采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法。

（2）在計(jì)算非組合板使用階段正截面承載力時(shí)，兩者基本原理是一致的，都是利用同一截面力和彎矩平衡原理進(jìn)行求解，只是公式中參數(shù)的物理意義和取值有所不同，由此可看出中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范具有一致性。

（3）分別采用兩國(guó)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算比較可得出結(jié)論，無(wú)論是壓型鋼板施工階段的承載力，還是非組合板使用階段的承載力，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算得出的結(jié)果都偏于保守，說(shuō)明美國(guó)規(guī)范在構(gòu)造方面要求較高，安全性更高。

參考文獻(xiàn)：

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[2]ACI-349-01，Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures

[3]ACI 318M-05，Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary