一种钢管空心混凝土楼板及其施工方法.pdf

一种钢管空心混凝土楼板，楼板内设有多个钢管，钢管周围为混凝土结构，形成空心楼板；钢管的两端固定在与楼板相结合的框架梁上。所述的钢管不但作为空心楼板的成型模板，且浇注混凝土后不拆除，作为空心楼板结构的一部分。本发明所述的钢管空心混凝土楼板，楼板整体截面小、重量轻、并且承载力大。

1.  一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于楼板内设有多个钢管，钢管周围为混凝土结构，形成空心楼板；钢管的两端固定在与楼板相结合的框架梁上。

2.  根据权利要求1所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于所述的钢管分为两组，其中一组钢管(1a)的下方设有支架(2)，设有支架(2)的各钢管(1a)与另一组中的各钢管(1b)交替并平行布置，相邻二钢管(1a)、(1b)之间留有间隔。

3.  根据权利要求2所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于所述的钢管(1a)上设有的支架(2)包括托板(21)和吊板(22)，托板(21)水平布置，与钢管(1a)的长度相适应；吊板(22)位于钢管(1a)下方，由多个垂直于托板(21)并沿托板(21)长度方向间隔排列的竖向板组成，竖向板的上端与钢管(1a)固定。

4.  根据权利要求3所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于所述的楼板还包括桁架模板(3)，桁架模板(3)由多个模板单元所组成，每个模板单元设置在相邻二支架(2)的托板(21)上。

5.  根据权利要求4所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于所述的桁架模板(3)的每个模板单元的两端分别搭接固定在位于其两侧的二支架(2)的托板(21)上。

6.  根据权利要求5所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于所述的楼板顶部及底部分别设有纵横交错布置的钢筋，其中，位于楼板底部的钢筋(5a)布置在桁架模板(3)的底部。

7.  根据权利要求1所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于在所述的相邻二钢管(1)之间的混凝土内，布置有预应力钢铰线(8)，其两端也固定到与楼板相结合的框架梁上。

8.  根据权利要求7所述的一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于所述的预应力钢铰线(8)为中间下凹的抛物线形状。

9.  一种权利要求1所述的钢管空心混凝土楼板的施工方法，其具体包括如下步骤：
(1).制作两组钢管(1a)、(1b)，将其中一组钢管(1a)固定安装上支架(2)，先将该组钢管(1a)平行布置，并让其两端固定到两侧的用来与楼板相结合的框架梁上，相邻二钢管(1a)之间预留间隔；
(2).安装桁架模板(3)：将多个桁架模板单元分别布置在设有支架(2)的相邻二钢管(1a)之间，并将每个桁架模板(3)的两端分别搭接在相邻二钢管(1a)的支架上；
(3).在桁架模板(3)的底面上安装底部钢筋(5a)；
(4).安装另一组钢管(1b)：将另一组钢管(1b)的两端也固定到两侧的框架梁上，并将钢管(1b)分别布置在上述步骤1中预先安装好的相邻二钢管(1a)之间的间隔中，让两组钢管(1a)、(1b)交替布置并互相平行，然后浇筑板底混凝土(6)；
(5).待板底混凝土(6)变硬后，安装楼板上部的钢筋(5b)；
(6).浇筑上部混凝土(7)。

10.  根据权利9所述的一种钢管空心混凝土楼板的施工方法，其特征在于所述的步骤1和2中，其中一组钢管(1a)上设有的支架(2)包括一水平布置的托板(21)和竖向布置的吊板(22)组成，托板(21)与钢管(1a)的长度相适应；吊板(22)包括多个垂直固定在托板(21)上并沿托板(21)长度方向间隔排列的竖向板，将竖向板的上端与钢管(1a)焊接固定；将每个桁架模板单元的两端分别搭接在相邻二支架(2)上的托板(21)上。

一种钢管空心混凝土楼板及其施工方法
所属技术领域
本发明涉及一种混凝土楼板，特别是涉及一种适用于荷载大，跨度大、但要限高的建筑物中的空心混凝土楼板。
背景技术
用混凝土做的空心楼板早已在房屋、桥梁中被广泛地应用，遗憾的是在制作空心楼板的过程中，用于成型的管从来就不参与空心板的受力，仅仅是空心楼板成型的模板而已。楼板做成空心的目的是有效减轻楼板的自重，并节省材料。此外，还有专门为减小地震力而将空心楼板设计为抗震结构。
在现有技术中，空心楼板的生产制作可以在工厂，也可以在工地现场。在工厂制作时，通常有专门设计的模具，等混凝土初凝固后，就将模具抽出，从而形成空心楼板；在工地则不同，常用的用于成型的模板有水泥加纤维或纸筒管，或者塑料筒管，放置在板中，用于成型的管在浇筑完混凝土后不拆除。以上类型的用于成型的管具有以下缺陷：
(1).管与板不能很好的结合，而只能起到成型的作用，不提高板的承载力和刚度，即用其制作出来的空心楼板承载力低；
(2).即使不拆除用于成型的管，当楼板受力时，管不能与板共同协调变形，不参与板的抗弯、抗剪等受力过程；
(3).楼板内空心处内壁抗拥压能力差，容易产生裂纹或裂缝。
此外，在施工过程中，还需要支模：用多个钢管竖直布置，并在钢管顶端制作楼板的模板，等浇筑好楼板后再拆掉用来支顶的钢管，施工过程繁琐、成本高、工期长，尤其是对于层高较高的工程，支顶费用更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢管空心混凝土楼板，楼板整体截面小、重量轻、并且承载力大。
本发明的技术方案可以用以下的技术措施来实现，一种钢管空心混凝土楼板，其特征在于楼板内设有多个钢管，钢管周围为混凝土结构，形成空心楼板；钢管的两端固定在与楼板相结合的框架梁上。所述的钢管不但作为空心楼板的成型模板，且浇注混凝土后不拆除，作为空心楼板结构的一部分。
本发明还可以作如下改进，所述的钢管分为两组，其中一组钢管的下方设有支架，设有支架的各钢管与另一组中的各钢管交替并平行布置，相邻二钢管之间留有间隔。
所述的钢管上设有的支架包括托板和吊板，托板水平布置，与钢管的长度相适应；吊板位于钢管下方，由多个垂直于托板并沿托板长度方向间隔排列的竖向板组成，竖向板的上端与钢管固定。
本发明还可以作如下改进，所述的楼板还包括桁架模板，桁架模板由多个模板单元所组成，每个模板单元设置在相邻二支架的托板上。
所述的桁架模板的每个模板单元的两端分别搭接固定在位于其两侧的二支架的托板上。即桁架模板通过支架上的吊板及托板，被钢管吊起。
所述的楼板顶部及底部分别设有纵横交错布置的钢筋，其中，位于楼板底部的钢筋布置在桁架模板的底部。
本发明还可以作如下改进，在所述的相邻二钢管之间的混凝土内，还可以布置有预应力钢铰线，钢铰线的两端也固定到与楼板相结合的框架梁上。钢铰线的设置大大加强了楼板的承载能力。同时，预应力钢铰线的应用还提高了空心楼板的抗裂能力。所述的预应力钢铰线为中间下凹的抛物线形状。
上述的钢管空心混凝土楼板的施工方法，其具体包括如下步骤：
(1).制作两组钢管，将其中一组钢管上固定安装上支架，先将该组钢管平行布置，并让其两端固定到两侧的用来与楼板相结合的框架梁上，相邻二钢管之间预留间隔；
(2).安装桁架模板：将多个桁架模板单元分别布置在设有支架的相邻二钢管之间，并将每个桁架模板的两端分别搭接在相邻二钢管的支架上；
(3).在桁架模板的底面上安装楼板底部的钢筋；
(4).安装另一组钢管：将另一组钢管的两端也固定到两侧的框架梁上，并将钢管分别布置在上述步骤1预先安装好的相邻二钢管之间的间隔中，让两组钢管交替布置并互相平行，然后浇筑板底混凝土；
(5).待板底混凝土变硬后，安装楼板上部的钢筋；
(6).浇筑上部混凝土。
在本发明所述的钢管空心混凝土楼板的施工方法中，所述的步骤1和2中，其中一组钢管上设有的支架包括一水平布置的托板和竖向布置的吊板组成，托板与钢管的长度相适应；吊板包括多个垂直固定在托板上并沿托板长度方向间隔排列的竖向板，将竖向板的上端与钢管焊接固定；将每个桁架模板单元的两端分别搭接在相邻二支架上的托板上。
相应地，所述的与楼板相结合的框架梁上应至少设有一个安装平面，则钢管的端面和预应力钢铰线的端部均与该安装平面固定连接。施工方便，快捷。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1).在混凝土空心楼板中内置了钢管，解决了楼板内空心孔的内破坏问题，使楼板的结构更加接近于型钢混凝土，是一个钢—混凝土板叠合的混合结构；与现有技术中的普通混凝土结构相比，其含钢量大大提高，从而在相同荷载的条件下，本发明的楼板厚度更小，重量更轻，占用的空间更小；
(2).钢管与楼板内的混凝土紧密结合一起，使钢管能与混凝土楼板能协调变形，参与抵抗外力，并能承担楼板的部分弯矩、剪力，同时提高了楼板的整体刚度，钢管直径越大、壁越厚，承载力越大；
(3).由于钢管与混凝土有良好的结合，钢管和混凝土形成的内孔还能承受更大的拥压力；从而有效克服楼板的内部出现裂纹或裂缝等缺陷；
(4).与同重量的混凝土楼板相比，钢管空心楼板的承载力可最大可提高70％，减小了楼板的厚度和自重，特别是当本发明用于地下室时，开挖深度大大缩小，节省人力和时间；
(5).施工方便，可以不用支模，自行吊压型板施工，缩短工期，很适用于高空作业，具有广泛的应用前景。
下面通过试验例进一步证明本发明的效果，
试验名称：钢管空心混凝土楼板节点的有限元分析
1.ABAQUS计算总说明：
混凝土强度等级采用C35，型钢采用Q345钢，所有节点的混凝土采用损伤模型实体单元模拟，型钢采用壳单元模拟。因为忽略了钢筋的影响，混凝土损伤加快加大，从而剪力键的所受应力会增大，所以只要现有模型计算结果满足规范要求，加钢筋的情况将自动满足。因此在计算结果中比较有参考价值的参数分别是位移，型钢应力，混凝土损伤情况。
钢材模型：
钢材的弹塑性分参数如下(单位kN-m)，
材料，名称＝Q345
弹性  200e6
塑性，硬化＝kinematic  345e3，0  470e3，0.025
质量  7.800
混凝土模型：采用弹塑性损伤模型，可考虑材料拉压强度的差异，刚度强度的退化和拉压循环的刚度恢复。例如C35混凝土采用的参数如下定义(单位kN-m)：
*材料，名称e＝C35
*弹性
31500000，0.2
*质量
2.5
*损伤，alpha＝0.0
*混凝土  损伤  塑性
25
*混凝土受压  硬化
16380.，     0
23400.，     0.000789431
15814.6，    0.00256253
10267.4，    0.00427092
7408.77，    0.00589395
5749.74，    0.00747891
4682.74，    0.00904507
3943.69，    0.0106008
3403.29，    0.0121503
2991.69，    0.0136956
*混凝土受压  损伤
0，          0
0.01，       0.000789431
0.324164，   0.00256253
0.561223，   0.00427092
0.683386，   0.00589395
0.796302，   0.00747891
0.858328，   0.00904507
0.89589，    0.0106008
0.92031，    0.0121503
0.937062，   0.0136956
*混凝土受拉  硬化
2640.，      0
2200.，      0.0000301427
1253.05，    0.000160189
834.315，    0.000273466
638.442，    0.000379668
524.938，    0.000483255
450.278，    0.000585609
397.041，    0.000687284
356.924，    0.000788541
325.457，    0.000889524
109.188，    0.00399589
*混凝土受拉  损伤
0，          0
0.01，       0.0000301427
0.430433，   0.000160189
0.620766，   0.000273466
0.709799，   0.000379668
0.814503，   0.000483255
0.880713，   0.000585609
0.921137，   0.000687284
0.943295，   0.000788541
0.956917，    0.000889524
0.998833，    0.00399589
计算方法采用Explicit(显式)计算；加载方式按自重及其他荷载按线性加载(从0加载到设计荷载)。
2节点计算：
2.1截面尺寸：
此节点为空心钢管板节点，由对称关系取出1/4模型计算，四周加对称边界。
混凝土部分：板面积为16.8m×8.4m，厚0.9m；圆柱为钢管柱13，在楼板的正中间，直径为0.75m。四分之一模型如附图14所示。
型钢部分：空心板钢管16直径为0.6m，厚0.008m。主梁14为槽形钢，厚0.035m，次梁15为I字钢，翼缘15a厚0.025m，腹板15b厚0.02m。加0.035厚肋板。钢管柱13钢板厚0.022m。楼板顶部配筋为ф25@100mm，等效为5mm的钢板，楼板底部配筋为ф25@150mm，等效为3mm的钢板，模型如附图15、16所示。
2.2荷载：
荷载均为竖向荷载。恒载(不包括自重)为32KN/m2，活载为20KN/m2，按1.35恒+0.98活算得应加的楼板上的均布荷载为61KN/m2。
钢管柱13底部作嵌固约束，四周加对称边界。
2.3计算结果及分析(单位为kN、m、kPa)：
由于模型的对称性以下只显示1/4模型的计算结果：
2.3.1位移图(1)、(2)分别如附图17、18所示
最大位移数值达15.2mm，挠度为15.2/16.4＝1/1078＜1/200，满足规范要求。
2.4.2型钢应力(负值为压，正值为拉)。
拉压应力中，在钢管柱上取一点，定义从该点沿钢管16长度方向为1方向，沿该点在钢管16横截面圆周上的切线方向为2方向，同时垂直与上述1和2二方向的方向为法线方向，试验测得：1方向的最大应力为116.3e3kN/m2，2方向的最大应力为114e3kN/m2，均小于Q345钢抗拉压强度设计值295e3kN/m2，而3方向(剪应力)的最大值为105e3kN/m2，小于Q345钢抗剪强度设计值170e3kN/m2；最大屈服压应力(负值)发生在板下面钢管柱13壁及次梁15的工字钢的下翼缘，其数值达135e3kN/m2＜295e3kN/m2；最大屈服拉应力(正值)发生柱顶附近的型缘，数值达180e3kN/m2＜295e3kN/m2；均处于弹性范围，满足规范要求。
2.4.3混凝土受拉损伤
钢管柱13顶附近的板面及跨中的板底部，出现了不同情度的损伤，损伤最严重部分混凝土受拉刚度已退化了近百分之九十，此区域的混凝土受拉已退出了工作，由型钢承受大部分作用力。
2.5总结
综上所述，楼板的自重和覆土的重量的作用下由钢管柱13、型钢梁及与其相焊接的钢管16构成的空心钢管板节点满足承载力要求。
附图说明
图1是本发明实施例1的楼板剖视图
图2是图1的I部放大示意图
图3是图2的A-A向剖视图
图4是本发明实施例1的钢管与框架梁相连的立体示意图
图5是本发明实施例2的预应力钢铰线与框架梁相连的结构示意图
图6是本发明实施例3的楼板剖视图
图7是本发明实施例4的工字钢与桁架模板相连的结构示意图
图8是本发明的钢管空心混凝土楼板的施工方法步骤1的示意图
图9是本发明的钢管空心混凝土楼板的施工方法步骤2的示意图
图10是本发明的钢管空心混凝土楼板的施工方法步骤3的示意图
图11是本发明的钢管空心混凝土楼板的施工方法步骤4的示意图
图12是本发明的钢管空心混凝土楼板的施工方法步骤5的示意图
图13是本发明的钢管空心混凝土楼板的施工方法步骤6的示意图
图14本发明试验例中混凝土部分的模型
图15本发明试验例中型钢的梁、柱模型
图16本发明试验例中型钢的空心板钢管模型
图17本发明试验例中的位移图(1)
图18本发明试验例中的位移图(2)
具体实施方式
实施例1
本发明的实施例1如图1～4及图8～13所示，一种钢管空心混凝土楼板的施工方法，其具体包括如下步骤：
(1).如图8所示，制作两组钢管1a、1b，将其中一组钢管1a上固定安装上支架2，支架2包括一水平布置的托板21和竖向布置的吊板22组成，托板21与钢管1a的长度相适应；吊板22位于钢管1a的下方，并包括多个垂直固定在托板21上并沿托板21长度方向间隔排列的竖向板，将竖向板的上端与钢管1a焊接固定；先将该组钢管1a平行布置，并让其两端焊接固定到两侧的截面为矩形的方梁4上靠内侧的侧壁上，相邻二钢管1a之间预留间隔；
(2).如图9所示，安装桁架模板3：将多个桁架模板单元分别布置在设有支架2的相邻二钢管1a之间，并将每个桁架模板单元的两端分别搭接在相邻二支架2上的托板21上；本发明中的桁架模板3是现有技术中普遍应用的桁架模板，包括上弦31、下弦32和腹杆33。
(3).如图10所示，在桁架模板3的底面上安装底部钢筋5a，并将钢筋纵横交错布置；
(4).如图11所示，安装另一组钢管1b：将另一组钢管1b的两端也固定到两侧的方梁4上靠内侧的侧壁上，并将该组钢管1b分别布置在上述步骤1预先安装好的相邻二钢管1a之间的间隔中，让两组钢管1a、1b交替布置并互相平行，然后浇筑板底混凝土6，板底混凝土6的厚度盖过桁架模板3，并低于钢管1a、1b的最低点；
(5).如图12所示，待板底混凝土6变硬后，安装上部钢筋5b，上部钢筋5b也为纵横交错布置；
(6).如图13所示，浇筑上部混凝土7，完成楼板制作。
经上述施工方法所制作的楼板结构如图1～4所示。
实施例2
本发明的实施2如图5所示，与上一个实施例所不同的是，在相邻二钢管1a、1b之间的混凝土内，还布置有预应力钢铰线8，预应力钢铰线8为中间下凹的抛物线形状，预应力钢铰线8的两端端部穿过方梁4，并用螺栓9在方梁4上靠外侧的侧壁进行固定。在施工过程中，在步骤4中，安装另一组钢管1b时，同时预埋固定预应力钢铰线8。其它施工过程与实施例1相同。
实施例3
本发明的实施例3如图6所示，与实施例1所不同的是，楼板的中间还设有框架梁10，该框架梁10与钢管1a、1b的布置方向垂直，则每个钢管并非横跨整个楼板的宽度，而是被位于楼板中间的框架梁10分为两个区域。在施工方法的步骤1和步骤4中，在位于中间的框架梁10两侧分别固定钢管1a或1b的其中一端，并将钢管1a或1b的另一端与两侧的方梁4相固定。其它施工过程与实施例1相同。
实施例4
本发明的实施例4如图7所示，与实施例1所不同的是，楼板与框架梁结合的同时，还与立柱结合，当钢管与立柱相干涉时，在楼板上与立柱结合的位置，用一工字钢11来代替钢管，立柱的两侧均固定一工字钢11，即将二工字钢11的一端固定到立柱上，将其另一端分别与两侧的框架梁固定，工字钢11的翼缘与楼板平行，将工字钢11的翼缘下方焊接固定有包括托板21和吊板22的支架。其它施工过程与实施例1相同。以上方案中，用工字钢11代替钢管，解决了钢管与立柱不好固定的问题，这样既保证了楼板的强度，又不影响桁架模板3的顺利安装。
在上述的实施例中，所述的作为框架梁的方梁还可以是其它形状的梁，此时，可在梁内设置预埋件，该预埋件上至少设有一个安装平面，用来固定钢管的端面。