高层钢结构组合楼盖的设计研究

２００６年６月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴａｉｚｈｏｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ

Ｖｏｌ．６Ｊｕｎ．２００６

Ｎｏ．３高层钢结构组合楼盖的设计研究

苏锦中

（泰州市海陵区建筑业管理局，江苏

泰州

２２５３００）

摘要：基于对高层钢结构设计中的三种常见组合楼盖的优缺点分析，论述了适当的连接形式

可以保证压型钢板与混凝土可靠连接的机理，组合楼盖的设计验算主要包括施工阶段验算与使用阶段的验算。构造设计包括栓钉的设置、混凝土板的配筋、压型钢板尺寸及表面处理。对组合楼盖的设计研究有利于高层钢结构建筑的长足发展。

关键词：高层钢结构；组合楼盖；设计计算；构造设计中图分类号：ＴＵ９７３＋．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７１－０１４２（２００６）０３－０００５－０４

高层建筑采用钢结构已有一百多年历史，美国的高层钢结构建筑最多，其次是日本，美日两国钢结构高层建筑约占世界的９０％［１］。我国高层钢结构最早应用于工业建筑中，如矿井塔架、海洋平台等，而民用高层钢结构的应用起步较晚，最早的高层钢结构建筑为上海国际饭店（１９３２年，２２层，８２ｍ），进入二十世纪八、九十年代以后，高层钢结构获得了较快的发展。

随着高层钢结构建筑在我国的广泛应用，由于组合楼盖施工速度快，承载力高，构件工厂化程度高，组合楼盖在高层建筑中得到了长足的发展。因此，在高层钢结构设计中，对组合楼盖的研究是具有现实意义的课题。

１、

组合楼盖的形式组合楼板盖结构是指通过抗剪连接件或粘结作用连接钢梁和混凝土板的结构体系。按楼板形式分三类［２］。

１．１现浇钢筋混凝土板组合楼盖

现浇钢筋混凝土板组合楼盖如图１所示。这类组合楼盖的特点是混凝土板在现场浇注，需要搭设脚手架，安装模板，施工周期较长。

图１现浇钢筋混凝土板组合楼盖图２预制钢筋混凝土板组合楼盖

１．２预制钢筋混凝土板组合楼盖

其连接构造如图２所示，预制混凝土板支承于钢梁上。为了抵抗混凝土板和钢梁之间的纵向剪力，在钢梁上应焊有抗剪连接件，在板的边缘应留有槽口以便与连接件穿过，用细石混凝土浇灌槽口与板间缝隙，并采取措施保证板与钢梁以及板与板之间的可靠连接。这类组合结构的缺点是传递水平力的能力

作者简介：苏锦中（１９７０－），男，江苏泰州人，工程师．

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泰州职业技术学院学报第３期

较差，楼板施工时也必然干扰钢结构的吊装。

１．３压型钢板—混凝土组合楼盖

压型钢板—混凝土组合楼盖由压型钢板—混凝土板、抗剪连接件和钢梁三部分组成，如图３所示。抗剪连接件承受混凝土楼板和钢梁交界面的纵向剪力，抵抗相对滑移，以保证二者共同工作。这种楼盖主要应用于高层钢结构建筑中，结构性能较好，综合经济效益优于其他组合楼盖。自１９８４年以来，我国兴建的高层钢

图３

预制钢筋混凝土板组合楼盖

结构建筑中大部分采用了这种组合楼盖，如上海瑞金大厦、北京香格里拉饭店、京城大厦、上海静安－希尔顿酒店、上海国际贸易中心大楼、深圳发展中心大厦等均采用压型钢板—混凝土组合楼盖，这不仅提高了结构的承载力和刚度，还节约了用钢量，取得较好的结构与经济效益。

２、

压型钢板与混凝土的连接形式及机理压型钢板与混凝土之间的组合效应是通过接触面之间采取适当连接方式形成的。常见的连接形式可归纳为以下几种，图４（ａ）所示，通过压型钢板本身的形状提高组合作用。如将压型钢板的板肋压制成凹入闭合式或具有棱角凸肋。图４（ｂ）所示，在压型钢板的腹板或翼缘上轧制凹凸齿槽，其形式、

数量与尺寸对抗剪强度影响很大。此类板品种较多，有ＨＩ－粘结板（ＨＩ－Ｂｏｎｄ），Ｑ－洛克板（Ｑ－Ｌｏｃｋ）和柯法板（Ｃｏｆａ）等。图４（ｃ）所示，采用开口槽的压型钢板，在其腹板上开小孔或在上翼缘上焊横向钢筋来抵抗纵向水平剪力。图４（ｄ）所示，将圆柱头栓钉穿透压型钢板焊于钢梁上，或将压型钢板端部肋压平直接焊于钢梁上，两者均提高组合作用。

图４

预制钢筋混凝土板组合楼盖

为了保证两者具有可靠的组合作用，要求接触面上的连接件

具有足够的抗剪切粘结强度，以抵抗楼板在外载作用下产生的纵向水平剪力；同时还要足以抵抗垂直掀起力，确保压型钢板与混凝土在垂直方向结合成不可分开的整体。

３、

组合楼盖的设计验算在多高层钢结构的实际工程中，应用较多的是压型钢板—混凝土组合楼板。在此类组合楼板的设计中应根据压型钢板在不同的阶段和发挥的不同的组合作用而进行设计［３，４］。

３．１压型钢板在施工阶段的验算

（１）施工阶段的荷载

施工阶段的荷载仅由压型钢板来承受，其荷载包括：永久荷载（包括压型钢板、钢筋和湿混凝土等重量，对湿混凝土重量应考虑压型钢板挠度），可变荷载（主要为施工荷载）。

（２）压型钢板的受弯承载力验算

压型钢板在施工阶段的受弯承载力可按强边（顺肋）方向的单向板进行验算，在验算的过程中对受压翼缘采用有效计算宽度。

（３）压型钢板的挠度计算

压型钢板在施工阶段可以根据下料后的实际布板情况，取一个完整的波宽，按单向单跨简支板或两跨连续板进行挠度验算。在计算中，对受压翼缘仍然采用有效计算宽度，其中挠度限值为ｌ／１８０及２０ｍｍ的较小值。

３．２压型钢板组合楼板在使用阶段的承载力验算

（１）计算假定

第３期苏锦中：高层钢结构组合楼盖的设计研究７在使用阶段，当压型钢板上的混凝土厚度为５０～１００ｍｍ时，可按下列假定计算内力：１）按简支单向板计算组合楼板强边（顺肋）方向的正弯矩；２）强边方向的负弯矩按固端板取值；３）不考虑弱边方向（垂直于肋方向）的正负弯矩。当压型钢板上的混凝土厚度为大于１００ｍｍ时，板的承载力应按下列规定确定按双向板或单向板进行计算，但板的挠度仍按强边方向的简支单向板计算。在局部荷载作用下，组合楼板的有效工作宽度应分别根据抗弯及抗剪取用相应数值。（２）受弯承载力计算在压型钢板—混凝土组合楼板中，如果采用可靠的抗剪连接措施，保证两者的粘结，则在计算中考虑两者的组合作用；否则，不考虑压型钢板的组合作用。１）考虑组合作用的压型钢板组合楼板正弯矩承载力验算考虑组合作用的组合楼板正截面抗弯承载力按塑性设计方法计算，此时，假定截面受拉区和受压区的材料均达到强度设计值，但压型钢板钢材强度设计值和混凝弯曲抗压强度设计值均乘以折减系数０．８。在这种情况下，设计计算应首先判断塑性中性轴的位置，然后分两种情况进行计算。２）不考虑组合作用压型钢板组合楼板正弯矩配筋设计如果压型钢板仅当模板使用，不考虑其与混凝土的组合作用，则此时楼板承受正弯矩需配筋，其配筋计算与混凝土楼板的配筋计算相同。此时，楼板的截面高度为压型钢板波高加混凝土板厚。３）压型钢板—混凝土组合楼板负弯矩配筋计算无论是否考虑组合作用，对于压型钢板组合楼板的负弯矩，应统一按Ｔ形梁进行计算。在此情况下，应首先进行负弯矩超限判断。具体计算时可以取单位长度的组合楼板截面，当根据临界弯矩判断的负弯矩过大时，需要加大压型钢板顶面以上的混凝土厚度。若负弯矩不超限，则应判断中性轴的位置，然后分别按照中性轴位于压型钢板肋内和混凝土内两种情况进行计算。（３）斜截面抗剪承载力计算组合楼板的斜截面抗剪承载力应符合下式要求：Ｖｉｎ＝０．７ｆｔｂｈ０式中：Ｖｉｎ为组合楼板一个波距内斜截面最大剪力设计值；ｆｔ为混凝土抗拉强度设计值；ｂ为压型钢板的一个波距；ｈ０为压型钢板组合楼板的有效高度。（４）集中荷载冲切承载力计算当组合楼板上作用集中荷载时，应按下列公式验算其冲切承载力：Ｖ１＝０．６ｆｔｕｃｒｈｃ式中：Ｖ１为作用在组合楼板上的冲切力设计值；ｆｔ为混凝土抗拉强度设计值；ｕｃｒ为临界周界长度（ｍｍ）；ｈｃ为压型钢板顶面以上的混凝土计算厚度（ｍｍ）。３．３组合楼板的挠度、裂缝及自振频率计算（１）组合楼板的挠度计算计算组合楼板的挠度时，不论其实际支承情况，均按简支单向板计算沿强边方向的挠度，并应分别按荷载短期效应组合和荷载长期效应组合计算，所得挠度值要小于允许值。（２）组合楼板负弯矩部位混凝土裂缝宽度计算对组合楼板负弯矩部位混凝土裂缝宽度的计算，可近似地忽略压型钢板的作用，即按混凝土板及其负弯筋计算板的最大裂缝宽度，并使其符合《钢筋混凝土结构设计规范》规定的裂缝宽度限值。（３）组合楼板自振频率ｆ的验算组合楼板振动舒适度，可近似地通过计算板的自振频率ｆ值，并使该值大于许可值。组合楼板的自振频率ｆ可按下式进行估算，并应大于规定的限值：ｆ＝１０．１７８且ｆ≥１５ＨＺ，式中ω为永久荷载产生的挠度（ｃｍ）。!ω８

泰州职业技术学院学报第３期

４、

组合楼盖的构造要求４．１栓钉的设置要求

为阻止压型钢板与混凝土之间的滑移，在组合楼板的端部（包括简支板端部及连续板的各跨端部）均应设置栓钉。栓钉应设置在端支座的压型钢板凹肋处穿透压型钢板，并将栓钉和压型钢板均焊与钢梁翼缘上，栓钉穿透压型钢板焊接于钢梁翼缘上时，栓钉的直径不大于１９ｍｍ；一般应在压型钢板端部每一个凹肋处设置栓钉，其栓钉间距ｓ满足下列要求：沿梁轴线方向，ｓ≥５ｄ；沿垂直于梁轴线方向，ｓ≥４ｄ；距钢梁翼缘边的边距，ｓ≥３５ｍｍ。栓钉顶面的混凝土保护层厚度应不小于１５ｍｍ，栓钉焊后高度应大于压型钢板总高度加３０ｍｍ。

４．２组合楼板混凝土内的配筋要求

符合下列情况之一者应配置钢筋：为组合楼板提供储备承载力设置附加抗拉钢筋；在连续组合楼板或悬臂组合楼板的负弯矩区配置连续钢筋；在集中荷载区段和孔洞周围配置分布钢筋；为改善防火效果配置受拉钢筋；为改善组合楼板的抗剪性能，在压型钢板上翼缘焊接横向钢筋；当配置抗裂钢筋时，其截面面积应大于相应混凝土截面的最小配进率０．２％，于抗裂钢筋垂直的分布钢筋直径，不应小于抗裂钢筋直径的２／３，其间距不应大于抗裂钢筋间距的１．５倍。

４．３压型钢板尺寸要求

压型钢板在钢梁上的支承长度应不小于５０ｍｍ；组合楼板的总厚度不应小于９０ｍｍ，压型钢板顶面以上的混凝土厚度不应小于５０ｍｍ，且应符合楼板防火保护层厚度的要求，以及电气管线等敷设要求。

４．４压型钢板及钢梁的表面处理

压型钢板支承于钢梁上时，在其支承长度范围内应涂防锈漆，但其厚度不宜超过５０μｍ。压型钢板板肋于钢梁平行时，钢梁上翼缘表面不应涂防锈漆，以使钢梁表面于混凝土间有良好的结合。压型钢板的端部栓钉部位宜进行适当的除锌处理，以提高栓钉的焊接质量。参考文献：

［１］沈祖炎．钢结构学［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５．［２］林宗凡．钢—混凝土组合结构［Ｍ］．上海：同济大学出版，２００４．［３］李国强．多高层建筑钢结构设计［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４．

［４］陈富生，邱国桦，范重．高层建筑钢结构设计［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４．

ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅＦｌｏｏｒｏｆＨｉｇｈ－ｒｉｓｅＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ

ＳＵＪｉｎ－ｚｈｏｎｇ

（ＨａｉｌｉｎｇＤｉｓｔｒｉｃｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕ，ＴａｉｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ，２２５３００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｃｏｍｍｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｏｒｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈ－ｒｉｓｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｈａｔｐｒｏｐｅｒｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｌｅｊｏｉｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎｓｈａｐｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｃｈｅｃｋｉｎｇｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｏｒｓｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｔａｇｅａｎｄｕｓｉｎｇｓｔａｇｅ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｄｅｆｌｅｃｔ，ｃｒａｃｋａｎｄｓｅｌｆ－ｖｉｂｒａｔｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｃｌｕｄｅｓｓｅｔｔｉｎｇ－ｕｐｏｆｂｏｌｔｓ，ｐｌａｃｉｎｇｓｔｅｅｌｂａｒｓｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｓｌａｂｓ，ｔｈｅｓｉｚｅａｎｄｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｓｈａｐｅｄｐｌａｔｅｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｏｒｓｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈ－ｒｉｓｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｏｒ；ｄｅｓｉｇｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ

（责任编辑崔洁）