本文是一篇土木工程论文，本文对新型钢-混凝土组合预制底板进行了设计并通过数值模拟及理论分析的方法对其受力性能进行了研究。利用有限元数值模拟软件对组合底板进行参数分析。
第一章绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
装配式建筑是用预制部品部件在工地装配而成的建筑[1]。发展装配式建筑是建造技术的重要提升，在节约资源、提高生产效率、保障建筑质量和降低安全风险等方面具有显著优点。
2016年9月，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]（以下简称《意见》），《意见》系统性地阐述了装配式建筑在建筑业中的重要地位以及发展优势，确定了发展装配式建筑的八大重点任务，为装配式建筑的发展指明了方向，对推进装配式建筑发展起到了提纲挈领的作用。
2022年1月，住建部发布了《“十四五”建筑业发展规划（》以下简称《规划》），《规划》指出我国将继续大力发展装配式建筑，并在2025年实现装配式建筑占新建建筑比例超过30%，并做好标准化设计和生产体系的构建，加快生产、施工智能化，让装配式建筑的综合效益进一步提高[2]。
最近，全国各地纷纷出台了支持装配式建筑发展的相关政策。2022年4月，北京市人民政府办公厅印发的《关于进一步发展装配式建筑的实施意见》指出，到2025年，北京市将实现装配式建筑占新建建筑面积的比例达55%的目标，并要求新建地上建筑面积2万平方米以上的保障性住房项目和商品房开发项目的单体建筑装配率不低于60%[3]。2021年11月，上海市住房和城乡建设管理委员会印发的《上海市装配式建筑“十四五”规划》提到，到2025年要使得装配式建筑成为上海地区的主要建设方式[4]。其他省市、自治区也分别发文明确了装配式建筑的发展目标以及发展任务。由此可见，装配式建筑的发展如火如荼、方兴未艾。
1.2 国内外预制底板研究现状
1.2.1 预制底板发展历史
叠合板最早是一些欧洲国家在建筑工程中投入使用的。二十世纪五十年代，建筑工程中开始使用预应力钢筋混凝土预制底板，预制底板与后浇混凝土叠合形成叠合板[7]。预制底板制作时使下表面光滑平整以便于装修、上表面粗糙不平以便和后浇混凝土较好地结合在一起，增强混凝土叠合面抗剪强度，苏联还在预制薄板上设置沟槽，并在苏联半部地区的抗震结构上得到成功应用。
当时的预制底板按构造类型主要有三种，分别是平板型、槽板型和钢桁架型预制底板[8]。平板型预制底板在法国应用比较广泛，预制底板横截面为矩形，跨度可达10米；槽板型预制底板抗弯刚度大，并且底板施加了预应力，常用于高层建筑的地下室和设备层；桁架钢筋预制底板是德国在二十世纪六十年代设计的，在平板型预制底板上配置凸起的钢筋桁架用以增强预制底板的刚度，同时也能增加叠合面抗剪强度，此之后，桁架钢筋预制底板逐渐成为了国外叠合楼板的主要构件，国外对预制底板的构造形式有关研究较少，方向转为对使用新型材料的预制底板的研究[9]。
桁架钢筋预制底板后来经德国引入我国，在全国范围内得到了广泛的应用。但由于我国的楼板厚度相较于国外较小，钢筋桁架高度随之降低，这导致了桁架钢筋预制底板的受力性能相较于国外有所下降。近年来，为了进一步提升叠合板的性能，大量学者对预制底板进行深入分析，提出并研究了一系列新形式的预制底板，按照构造形式分类主要有桁架钢筋预制底板、预制带肋底板以及其他类型预制底板，桁架钢筋预制底板和预制带肋底板的基本构造如图1.2所示。
第二章 钢-混凝土组合预制底板设计及模拟方法
2.1 组合底板设计概况
由于钢-混凝土组合预制底板与预制带肋底板构造具有较大共性，钢-混凝土组合预制底板的设计将充分吸收课题组对预制带肋底板的研究经验，参考《预制带肋底板混凝土叠合楼板技术规程》[58]、国家建筑标准设计图集14G443《预制带肋底板混凝土叠合楼板》[59]等文件对组合底板进行设计。标志跨度为4800mm和8700mm的钢-混凝土组合预制底板的设计结果如图2.1所示，组合底板的几何参数如表2.1所示。跨度为4800mm时，预应力筋①为6AH6.0；跨度为8700mm时，预应力筋①为6AH10.0。预应力筋的张拉控制应力为ptk0.65 f，ptkf为预应力筋的极限抗拉强度标准值。
（1）截面尺寸设计
钢-混凝土组合预制底板的截面尺寸参考预制带肋底板进行拟定。例如跨度为4800mm的钢-混凝土组合预制底板叠合板总厚t为140mm，其中组合底板高度dt为105mm，叠合层厚度tc为35mm，下层板厚度tx为35mm，上层板厚度ts为40mm，上下层板间距kt为30mm。
（2）连接件设计
连接件设计时，为了能充分发挥钢-混凝土组合预制底板的性能，应保证组合底板中连接件不发生破坏，并与上、下层板混凝土锚固可靠，因此连接件的强度富余较大，不能按强度破坏进行设计。同时，组合底板在施工荷载作用下时，连接件内力较小，对连接件的强度要求并不高。故连接件的设计主要依据构造要求和工程实际需求，兼顾实用性与经济性。
2.2 荷载统计
钢-混凝土组合预制底板的设计目标为施工时不设置跨间支撑，依据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[60]，需按二次受力受弯构件的设计要求对组合底板进行设计计算。第一受力阶段为后浇混凝土达到强度设计值之前，这一阶段组合底板按简支构件计算，承受了组合底板自重、后浇混凝土自重以及施工活荷载；第二受力阶段是后浇混凝土达到强度设计值之后，这一阶段叠合板按整体结构计算，叠合板所承受的荷载有叠合板自重、楼面面层、吊顶等自重以及叠合板使用阶段的可变荷载。
上层板纵向预应力钢丝及下层板横向分布筋依据构造要求配置，上层板纵向均匀配置3AH5.0预应力钢丝，下层板横向分布筋一般为C6@250，板端80mm范围内加密为C6@30。只需对下层板纵向钢筋进行配筋计算。
由各阶段组合底板承受荷载可知，第一受力阶段组合底板的跨中弯矩较小，纵向受拉钢筋用量较少，因此纵向受拉配筋按照叠合板在第二阶段的受力进行计算。此阶段按叠合板适筋破坏来确定组合底板受拉区预应力筋面积。叠合板正常使用阶段设计弯矩dM按弹性理论方法计算，梁宽以b'=250mm计，边跨板伸进墙内长度a=120mm；叠合层混凝土轴心抗压设计强度cf=16.7MPa，不考虑组合底板混凝土的抗拉作用。
第三章 组合底板受力性能及工程适用性分析 ............... 27
3.1 裂缝发展及破坏情况 ............................. 27
3.2 荷载-跨中挠度曲线 ...................................... 32
第四章 钢-混凝土组合预制底板受力性能参数分析 .......... 38
4.1 研究参数设计 ........................... 38
4.2 模拟结果 ........................... 39
第五章 钢-混凝土组合预制底板力学性能理论分析 .......... 58
5.1 组合底板弹性抗弯刚度计算 ................................ 58
5.1.1 截面惯性矩................................. 58
5.1.2 等效抗弯刚度................................ 59
第五章 钢-混凝土组合预制底板力学性能理论分析
5.1 组合底板弹性抗弯刚度计算
5.1.1 截面惯性矩
组合底板属于变截面构件，抗弯刚度值与截面形式和截面的分布情况有关。如图5.1所示，组合底板共有A、B和C三种不同截面，A截面只包含下层板，B截面包含上下层板及连接件，C截面包含上层板和下层板。三种截面惯性矩不相同，但由于A截面在计算跨以外，因此计算组合底板抗弯刚度时不考虑A截面，只需要计算截面B和C的换算截面惯性矩。
由模拟结果可知，组合底板破坏特征与连接件承受的剪力有关，因此对组合底板连接件承受的剪力进行计算是很有必要的。文献[41]提出一种用于预制带肋底板肋孔间混凝土承受剪力计算的“平衡法”，本文将在“平衡法”的基础上对组合底板连接件所承受的剪力进行计算。
以组合底板P0为例，对处于承载能力极限状态的组合底板P0的连接件剪力进行计算，连接件的剪力来自于组合底板受力变形时上层板与下层板相互错动的变形而产生的，假定每个连接件承担的剪力是由它附近一定范围内的相同位置上下层板错动产生的，因为组合底板中各个连接件尺寸和排列方式相同，所以认为相邻两个连接件间的上下层板错动产生的剪力由这两个连接件均分承担，端部上下层板错动的剪力由端部的连接件承担。例如2号连接件的剪力承担范围如图5.3中阴影部分所示，截面a和b为2号连接件的计算截面。
第六章 结论与展望
6.1 研究结论
本文对新型钢-混凝土组合预制底板进行了设计并通过数值模拟及理论分析的方法对其受力性能进行了研究。利用有限元数值模拟软件对组合底板进行参数分析，研究了不同参数下预制底板的受力性能，对影响组合预制底板受力性能的参数进行敏感性分析，并对组合底板抗弯刚度、连接件腹板平均剪应力、开裂荷载和极限荷载等受力性能关键参数进行了计算。通过本文的研究，可以得到以下结论：
（1）结合数值模拟分析、理论计算和相关规范，完成了钢-混凝土组合预制底板的设计，并给出相关设计建议：组合底板受拉纵筋配筋面积应根据单跨叠合板配筋设计确定，连接件长度应不小于80mm，连接件钢板厚度应大于2mm且不宜超过6mm，连接件宜采用等间距布置方式且间距应小于800mm，上层板厚度根据设计需要宜取较大值，上层板宽度一般取350mm。
（2）钢-混凝土组合预制底板具有较好的受力性能。跨度为4800mm及8700mm的组合底板能够满足
