压型钢板-稻草板组合楼板力学性能

张秀华， 张义卓， 裴 骏， 孟毅豪

(东北林业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

中国是一个木材资源相对贫乏，而农作物秸秆等其他生物质资源较为丰富的国家，如何充分高效地利用农作物秸秆以及竹材资源，是一个亟待解决的问题[1].中国的秸秆资源在全球秸秆资源总量中占到30%左右，如何有效地利用农作物秸秆资源也是解决资源瓶颈的一项新突破点[2].

目前，中国正在大力发展节能环保绿色建筑材料，稻草板的原料采用农作物废弃物,资源丰富、价格低廉、运输方便,是一种具有巨大市场潜力的新型节能环保绿色建筑材料.建筑用纸面稻草板是以植物秸秆为原料，不添加粘结剂，不需要切割粉碎，直接在成型机内以加热挤压的方式形成密实的板坯，并在表面粘上一层“护面纸”而制成的新型环保建材，是一种实用性与经济性都相当好的建筑材料[3-4].纸面稻草板具有强度良好、抗冲击能力、保温和隔音性能以及耐久性好的优点，并具有抗燃烧能力，能够满足建筑结构材料的主要性能要求.

轻质、环保是未来建筑发展的两大方向.建筑结构中墙体和楼板系统所占质量最大，因此有效地控制这2种构件的自重对降低建筑结构的自重十分关键[5-6].目前，楼板主要形式有：钢筋混凝土楼板、压型钢板-混凝土组合楼板、钢骨轻质混凝土楼板、木楼板、钢-胶合竹(木)组合楼板等.根据稻草板的力学性能以及相关文献[6-12]，并以受力合理为基本原则，将稻草板与钢材合理地组合在一起形成钢-稻草板组合楼板，不仅有效地解决了建筑结构自重问题，丰富了楼板形式，同时还可以缓解目前钢材、木材等建筑材料供应上的紧张局势.

结合纸面稻草板在建筑工程中的应用和发展，本文提出了一种新型组合楼板形式，即把建筑用纸面稻草板覆盖在压型钢板表面，两者之间用自攻螺钉连接，从而得到一种新型的压型钢板-稻草板组合楼板.因此，合理地利用纸面稻草板和压型钢板，不仅能够充分发挥这2种材料的性能，而且具有深远的社会意义和经济效益.

通过对压型钢板-纸面稻草板组合楼板进行抗弯试验研究，可以得到组合楼板的力学性能及特点.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

试件为6块板，编号为S1～S6；试件平面尺寸为2.1m×0.6m，跨度为1.8m.其中S1～S5为压型钢板厚度和螺钉间距不同的压型钢板-稻草板组合楼板，其截面见图1；S6为压型钢板，厚度为1.2mm，截面尺寸如图2所示.组合楼板中的稻草板采用建筑用纸面稻草板(简称稻草板)，由哈尔滨天成顺杰实业有限公司生产.稻草板表面平整，厚度为58mm，密度为230～310kg/m3；用75kg砂袋，在2m高度自由下落冲击稻草板，板不损坏，抗冲击性能较好，耐火极限大于1h，单面隔音量达30dB.下部压型钢板型号是YX75-200-600，厚度0.8～1.2mm，波高75mm，压型钢板材质为Q235钢，由大型专业钢板厂家生产.稻草板与压型钢板之间采用ST 4.8级直径为4mm的自攻螺钉进行连接.组合楼板S1～S5的具体参数见表1.

图1 压型钢板-稻草板组合楼板截面形式Fig.1 Section form of steel-strawboard composite slab(size:mm)

图2 压型钢板截面尺寸Fig.2 Section size of profiled steel sheet(size:mm)

Sample Profiled steel sheet thickness/mmStrawboardthickness/mmComposite slab thickness/mmBoltspace/mmS10.858133210S21.058133210S31.258133210S40.858133280S51.058133280

制作压型钢板-稻草板组合楼板时，要先用酒精对压型钢板表面进行清洗，以保证钢板表面光滑和整洁；稻草板表面要进行除尘，以避免粘贴应变片时造成影响.连接稻草板与压型钢板时，要先确定好稻草板与钢板的相对位置，2块板中心对齐后再安装自攻螺钉.

1.2 稻草板材料性能

纸面稻草板由硬牛皮纸面和稻草秸秆内芯组成，为各向异性材料，稻草秸秆在平行于板宽度方向呈人字形排列.材性试验与组合楼板抗弯试验中所用稻草板取自于同一厂家、同一批次的稻草板.抗压试件的设计与试验根据GB/T 31264—2014《结构用人造板力学性能试验方法》进行.

首先设计5个尺寸均为150mm×150mm×58mm 的试件进行抗压试验，以研究板长度方向的抗压力学性能.再对5块跨度1.8m，宽0.6m的纸面稻草板进行足尺抗弯试验，得到其抗弯力学性能指标.试验结果表明，稻草板抗压强度、抗弯强度和弹性模量的实测值具有一定的离散性，纸面稻草板材料性能见表2.

表2 纸面稻草板材料性能

1.3 试验方案及测试内容

本试验加载方式采用两点对称加载，加载位置在试件三分点处，试件两端均为简支，支点距板端部150mm.试验时一端采用固定铰支座，另一端采用滚动铰支座，竖向加载采用最大量程为16t的手动千斤顶，两点集中荷载通过分配梁传递到刚度较大的垫板，并通过垫板传给组合楼板.荷载通过与千斤顶相连的压力传感器来测量，如图3所示.

图3 试验加载装置Fig.3 Test loading set-up

试验加载采用分级加载方式，每级施加集中荷载0.8kN，当底面压型钢板屈曲后，采用位移控制继续加载，每级位移为2mm.由于组合楼板的延性较好，压型钢板屈服后能够继续承受荷载，当荷载趋于稳定后终止试验.

为得到组合楼板试件内部的应变变化情况，在组合楼板中部稻草板上下表面、压型钢板上、下翼缘以及中间肋部粘贴应变片，如图4所示.应变采用静态数据采集系统进行采集.

图4 应变片布置Fig.4 Arrangement of strain gauges(size:mm)

试件的变形采用位移计测量，在每个试件跨中截面布置2个位移计，在支座截面各布置1个位移计，以准确测量组合楼板的变形.

2 试验结果与分析

2.1 试验过程及破坏特征

由于篇幅所限，以试件S1，S3为例进行分析.

当试件S1集中荷载加到5.4kN时，组合楼板的跨中挠度为6.0mm，稻草板开始出现明显的“嘶嘶”声，持续时间一般在15min左右，伴随着试验的整个过程.出现这种声音的原因是稻草板内部开始进行内应力的重新分布，纸面与稻草之间的胶层开始脱离.因此试验过程中分级加载的时间间隔很长，要充分地使组合楼板内应力进行重新分布，才能进行下一级加载，即要等听到的“嘶嘶”声完全消失后才能进行下一级加载.当集中荷载为7.0kN时，组合楼板跨中挠度为7.0mm，满足GB 50005—2003《木结构设计规范》限值7.2mm(l/250)和JGJ 227—2011《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》限值9.0mm(l/200)要求，稻草板表面则出现明显的“褶皱”现象，如图5所示.当集中荷载为11.2kN时，组合楼板跨中挠度为13.0mm，压型钢板上翼缘开始发生局部屈曲，试件因承载力不足发生破坏，跨中压型钢板发生屈曲破坏，如图6所示.观察和分析压型钢板-稻草板组合楼板的破坏性加载试验过程可以得知，压型钢板屈曲后，组合楼板的承载力下降，板的竖向挠度也相应增大.

图5 试件S1中的稻草板表面褶皱Fig.5 Strawboard surface fold in sample S1

图6 试件S1中的压型钢板屈曲Fig.6 Buckling of profiled steel sheet in sample S1

当试件S3集中荷载加到11.8kN时，其跨中挠度为6.5mm，稻草板开始出现“嘶嘶”声，持续时间在 15min 左右，等这种声音完全消失再进行下一级加载.当集中荷载加到13.4kN时，试件S3的跨中挠度为7.0mm，满足GB 50005—2003中限值7.2mm(l/250)和JGJ 227—2011中限值9.0mm(l/200)要求，稻草板表面则开始出现“褶皱”现象.当集中荷载加到27.8kN时，试件S3的跨中挠度达到17.5mm，稻草板表面出现明显的“褶皱”现象，压型钢板屈曲，组合楼板发生较明显的整体弯曲变形，如图7所示.

图7 试件S3的破坏Fig.7 Compressive failure of sample S3

试件S6为压型钢板，当荷载达到19.8kN时，其跨中挠度达到21.0mm，压型钢板开始发生局部屈曲，此时破坏发生在三分点施加集中荷载的位置上，如图8所示.

图8 试件S6的破坏Fig.8 Buckling of sample S6

2.2 荷载-挠度曲线及分析

试件S1～S6荷载-挠度关系曲线如图9所示.试验结果表明，从开始加载到破坏的整个试验过程中，组合楼板大致经历了3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和荷载下降阶段.

图9 荷载-挠度曲线Fig.9 Deflection-load curves

从图9可以看出：在弹性阶段，压型钢板屈服之前，荷载-挠度曲线基本呈现直线变化，而且不同螺钉间距组合楼板的荷载-挠度曲线几乎一致，表明组合楼板在弹性阶段的抗弯刚度与屈服荷载基本不受螺钉间距与数量影响；试件进入弹塑性阶段后，压型钢板上翼缘开始屈曲，荷载-挠度曲线出现明显的拐点，随着荷载增大，跨中挠度相应增大，但荷载-挠度曲线还是呈现直线变化，这是因为试件内部组织滑动后，晶粒重新排列，出现内应力重新分布，弹性并未完全丧失，此时的最大荷载即为试件所能承受的极限荷载.当荷载超过构件的极限荷载后，试件进入荷载下降阶段，跨中荷载-挠度曲线突然下降，导致钢板发生局部屈曲破坏，进而引起整个结构的整体破坏.这个阶段发生初期，组合楼板承载力急剧下降，当下降到一定的程度(约为极限承载力的60%左右)时，由于挠度愈来愈大，稻草板与钢板的结合越来越“紧密”，导致荷载最后趋于平稳，表明稻草板对于整个结构而言，加大了组合楼板的抗弯承载力，在结构构件破坏后起到了很好的保护作用，避免了由于压型钢板的屈曲破坏导致整体结构完全丧失承载力，表明压型钢板-稻草板组合楼板具有良好的抗震性能.

从图9中还可以看出：试件S1，S3和S4这3种组合楼板在某一阶段内出现了承载力突然急剧升高的现象.这是因为在试验初期，荷载与变形较小的阶段里，组合楼板的受力基本上由压型钢板承担，稻草板与螺钉并未完全紧密地连接在一起，稻草板并没有完全参加工作.而随着荷载的加大，组合楼板变形增大，这时稻草板与压型钢板紧密结合，完全参与受力，导致整体构件表现出承载力急剧增大的现象.试件S1与S4荷载突变出现在荷载下降阶段中，这是由于组合楼板中压型钢板上翼缘局部屈曲变形大，导致稻草板与压型钢板上翼缘脱开，此时荷载只能由稻草板单独承担；随着变形增大，当稻草板与压型钢板再次紧密结合时，承载力又继续增加.试件S3荷载突变出现在弹性阶段中.从理论上来分析，试件变形越大，稻草板与压型钢板通过自攻螺钉连接结合的效果越好，但由于受到材料内部因素的影响与手工制作的原因，导致荷载突变这一现象出现在不同阶段.在整个试验过程中螺钉起到了很好的连接作用，能保证钢板和稻草板协同工作，当试件达到极限承载力后，压型钢板局部屈曲越来越严重，板跨中位置仅个别自攻螺钉从稻草板中拔出，但螺钉没有发生破坏.

在压型钢板屈服之前，荷载-挠度曲线上升趋势基本一致，稻草板起到一定的限制挠度的作用，但是效果不是很明显.而当继续加载后，能够明显地发现，当稻草板与钢板紧密结合后，大大增加了整体结构的承载力，在很大程度上减小了构件的竖向位移，表明稻草板在组合过程中起到了至关重要的作用，将压型钢板与稻草板组合成组合楼板是可行的，此种组合楼板的力学性能能够满足作为建筑结构楼板的需要.

考虑到底部的压型钢板对组合楼板抗弯承载力起到的重要作用[13-14]，本文定义组合楼板跨中底部压型钢板开始屈服时所对应的荷载为屈服荷载，并把它作为弹性阶段和弹塑性阶段的分界点.根据试验结果得到5块压型钢板-稻草板组合楼板和1块压型钢板的屈服荷载(Py)、单位面积的屈服荷载(qy)、极限荷载(Pmax)、单位面积的极限荷载(qmax)、压型钢板屈服时跨中屈服位移(Δy)及极限荷载所对应的最大位移(Δmax)，见表3.

由于本试验采用三分点加载方式来模拟均布荷载，与在板上施加均布荷载有一定的区别，根据2种受力情况下板跨中挠度相等的原则，可以把集中荷载换算成均布荷载.

根据材料力学，简支板在均布线荷载q作用下的跨中挠度计算公式为：

(1)

式中：Δ为组合楼板的跨中挠度，mm；q为均布荷载，kN·m-2；l为板的跨度，m；E为组合板的弹性模量，MPa；Ix为组合楼板的惯性矩，mm4.

简支板在三分点集中荷载P作用下的跨中挠度计算公式为：

(2)

式中：P为集中荷载值，kN.

联立式(1)，(2)可以得到组合楼板上均布面荷载q0:

(3)

式中：q0为试验得到的组合楼板上均布荷载，kN·m-2；b为板的宽度，m.

表3 试件试验结果

对于1个组合构件而言，其连接方式是影响构件承载力的主要因素之一.由表2可知：试件S1(S2)与S4(S5)相比，虽然试件S1(S2)的螺钉数量比试件S4(S5)的螺钉数量多出1/4，但试验结果表明螺钉间距对组合楼板承载力的影响较小，螺钉在整个组合结构中只起到连接作用.

由表3可知：试件S2中的钢板厚度比试件S1大0.2mm，其极限荷载是试件S1的1.55倍；试件S3中的钢板厚度比试件S2大0.2mm，其极限荷载是试件S2的1.59倍.按照达到GB 50005—2003和JGJ 227—2011的跨中挠度限制要求，试件S1，S3，S5的正常使用极限荷载为8.8，20.8，11.9kN/m2，分别约为其极限荷载的62.5%，59.0%和56.6%.因此，提高组合楼板刚度，以满足正常使用极限状态要求是非常重要的.

试验结果表明，压型钢板的厚度每增加0.2mm，组合楼板的极限承载力增加约60.0%左右.因此增加底部压型钢板的厚度可以有效提高组合楼板的极限承载力.

通过对比分析组合楼板试件S3与压型钢板试件S6可以发现，稻草板能够提高组合楼板约1/3的承载力.

2.3 荷载-应变曲线及分析

试件S5的荷载与跨中截面应变关系曲线如图10所示.

图10 试件S5的荷载-应变关系曲线Fig.10 Load-strain curves of sample S5

从图10中可以看出：试验中稻草板底面应变与和其相连压型钢板上翼缘应变很接近，说明压型钢板-稻草板组合结构整体工作状态良好.当组合楼板因承载力不足而破坏时，压型钢板上、下翼缘的应变基本达到2.0mm·m-1，表明钢板已达到屈服强度，材料强度得到了充分发挥.其他试件的荷载-应变关系曲线与S5类似.试验结果表明，压型钢板上翼缘始终处于受压状态，这说明在整个试验过程中稻草板全截面始终受压，充分发挥了稻草板抗压能力强的优点，避免了稻草板受到拉应力的作用，表明稻草板和压型钢板组合使用是合理可行的.

3 理论分析

3.1 刚度及挠度计算

试验结果表明，组合楼板在正常使用阶段，稻草板及压型钢板均处于弹性变形状态.此时，组合楼板中的稻草板与压型钢板间组合效应良好，整体工作性能突出，2种材料在相交界面处的应变变化基本相同，在理论计算时可以将稻草板与压型钢板看成一个整体按弹性整体构件进行计算，采用截面换算法将组合楼板等效为纯钢构件.

根据材料力学，组合楼板抗弯刚度可按式(4)计算：

EIx=EdId+EsIs

(4)

式中：Ed为稻草板的抗弯弹性模量，MPa；Id为稻草板对组合板中和轴的惯性矩，mm4；Es为钢板的弹性模量，取2.06×105MPa；Is为压型钢板对组合板中和轴的惯性矩，mm4.

将式(4)中得到的组合楼板抗弯刚度代入式(5)，求出组合楼板跨中挠度：

(5)

表4为组合楼板达到屈服强度时挠度的理论计算值、试验值以及它们的比值.

表4 压型钢板-稻草板组合楼板挠度值

从表4中可知：理论挠度值与试验值的误差在±20%以内，所以在线性阶段可以用式(5)来计算压型钢板-稻草板组合楼板的挠度.

3.2 组合楼板抗弯承载力计算

试验结果表明，压型钢板-稻草板组合楼板的整体性良好，两者能够协同变形.因此组合楼板破坏时，压型钢板上、下翼缘应力均已达到屈服强度.对组合楼板的破坏截面应力状态作如下假定：

(1)试件破坏时，压型钢板上、下翼缘达到钢材的屈服强度，屈服强度取235N·mm-2.

(2)试件达到极限状态时，稻草板与钢板中连接处的应变相等，并保持弹性，稻草板的应力σd=fysEd/Es.

(3)不考虑压型钢板腹板的影响.

根据上述假定条件可以得出压型钢板-稻草板组合楼板正截面抗弯承载力M的计算公式；组合楼板截面形式如图11所示.

图11 组合楼板截面形式Fig.11 Section form of composite slab

(6)

式中：fys为压型钢板的屈服强度，N·mm-2；As为压型钢板受拉区的面积，mm2；Ad为稻草板的面积，mm2；φ为压型钢板的整体稳定系数，φ取1.0；σd为破坏阶段稻草板弯曲应力，N·mm-2；hs为压型钢板波高，mm；hsc为压型钢板受压翼缘到组合板中和轴的距离，mm；hd为稻草板厚度，mm.根据式(6)计算试件S1～S5的承载力，见表5.

表5 压型钢板-稻草板组合楼板正截面抗弯承载力

运用式(6)计算理论值时没有考虑腹板的作用，所以从理论上讲理论值应该小于试验值.但从表5中可以看出，试件S1与S4的试验值小于理论值，这是因为稻草板与0.8mm厚的压型钢板在弹性阶段结合情况不好，稻草板在弹性阶段没有发挥较大的作用，但理论挠度值与试验值的误差为10%～20%，建议可以采用式(6)来计算组合楼板的抗弯承载力.

4 结论

(1)将压型钢板与稻草板采用一定数量的螺栓连接形成的组合楼板在整个受力过程中表现出了良好的组合效应，在正常使用荷载作用下其挠度值处于规范所允许的范围内，可以作为土木建筑楼板使用.

(2)从荷载-挠度曲线看出，压型钢板-稻草板组合楼板在其正常使用条件下的承载力应由其变形条件控制.

(3)压型钢板-稻草板组合结构破坏时，压型钢板受压翼缘屈服，压型钢板受拉应力作用区域已达到极限状态，稻草板与压型钢板能够协同变形，应变相同，并始终保持一定的弹性.在连接情况良好的状态下，本文提出的组合楼板正截面抗弯承载力和挠度计算方法是可行的.

(4)稻草板在整个试验过程中始终处于受压区，能充分发挥其材料特性，对于整个结构承载力的提升与减小构件的变形都起到至关重要的作用.

(5)压型钢板-稻草板组合结构具有很高的承载力和刚度，具有良好的延性，其力学性能可以满足建筑结构楼板的要求.