目前兴建的空间网格盒式结构楼盖大部分为正交正放网格空腹夹层板结构。正交正放网格空腹夹层板楼盖结构适用于建筑平面呈方形、长跨比接近1的多层大跨度公共与工业建筑, 具有结构合理、经济适用、整体性好, 可满足正常使用条件下的舒适度要求等优点^[1,2,3,4]。但对于建筑平面长度明显大于跨度的多层大跨度建筑, 若还是采用正交正放空间网格盒式结构体系, 就会出现明显的单向受力特征, 楼面荷载将按照最短传力路径传递荷载, 导致短向空腹梁截面增加很多, 最终将造成结构用钢量激增、楼层净空降低、工程成本增加。

　　 为了解决上述问题, 本课题针对长跨比大于1.5的楼盖提出了正交斜放钢网格空腹夹层板结构。该新型楼盖结构已经成功运用到多栋多层大跨度盒式结构中。宋帅等^[5]介绍了空间钢网格正交斜放盒式结构在某工程中的应用, 并与普通钢框架结构在梁设计弯矩、楼面挠度和经济性能等方面进行了对比, 结果表明这种新型结构体系在力学性能和经济性能方面优于普通钢框架结构。栾焕强^[6]对正交斜放钢网格空腹夹层板楼盖模态和舒适度进行了试验分析, 结果表明正交斜放钢网格空腹夹层板楼盖刚度较大, 舒适度能满足中美两国相关规范要求。

　　 本文通过对九华创新创业产业园8#栋正交斜放钢网格空腹夹层板2层楼盖结构进行现场静力试验研究和数值模拟分析, 研究该新型楼盖结构在静力作用下的性能和规律。

　　 正交斜放钢网格空腹夹层板结构是盒式结构中承受竖向荷载和传递水平荷载的重要承重部分, 钢网格空腹夹层板是由剪力键连接的上、下肋和支承于上肋的混凝土薄板共同组成的空间三维空腹夹层板楼盖结构, 上、下肋和剪力键均采用型钢制作。正交斜放钢网格空腹夹层板结构平面布置见图1, 具体构造见图2。钢空腹夹层板的网格划分根据楼盖平面形状和柱网尺寸确定, 为了形成三维空间作用, 单跨方向的网格数不宜少于5格, 网格尺寸不宜超过3m。

　　 钢结构加工厂按照图1和图3单元划分原则和单元类型对正交斜放钢网格空腹夹层板楼盖进行加工。加工完毕后, 运输至工地进行组装安装。上、下肋钢梁与钢梁的连接节点处翼缘采用全熔透的V形坡口焊缝连接, 腹板采用高强螺栓连接。楼盖安装完毕后, 在空腹梁上翼缘焊栓钉, 浇筑混凝土薄板, 形成一层的正交斜放钢网格空腹夹层板结构。

　　 为了研究正交斜放钢网格空腹夹层板楼盖结构在静力作用下的性能和规律, 对九华创新创业产业园8#栋2层楼盖进行静载试验, 重点研究正交斜放钢网格空腹夹层板上、下肋和剪力键受力特征及楼盖的变形规律。九华创新创业产业园8#栋正交斜放空间钢网格盒式结构跨度为24m, 长度为87m, 1层结构层高8.7m, 2～4层结构层高4.5m。该工程楼盖、屋盖采用正交斜放钢网格空腹夹层板结构, 建筑楼盖竣工实况见图4。

　　 该工程楼、屋盖所采用的正交斜放钢网格空腹夹层板结构厚度为950mm, 跨度为24m, 网格形式为正交斜放, 网格尺寸2.121m×2.121m, 上、下肋均为T形钢截面, 剪力键为方钢管, 剪力键两向两侧加设加劲板。主要构件参数见表1。

　　 由于本试验对象已经投入使用, 且跨度大、楼面设计活荷载大, 荷载运输较困难 (楼层高、无电梯、人工背运) , 进行全楼面的荷载试验不具备可行性。根据现场实际情况, 选取该建筑2层楼盖中心区域 ( (13) ～ (17) 轴交Ⓑ～Ⓒ轴) 楼面板进行局部楼盖静载试验。此外, 基于通用有限元程序SAP2000建立该实际工程结构整体模型, 并将数值模拟分析结果与试验结果进行对比分析。模型中混凝土薄板采用壳单元, 空腹梁、墙架采用杆系梁单元, 剪力键采用实体单元。

　　 本次试验采用堆载法加载, 加载区域 (6.0m×6.0m) 面积S=36m², 加载总荷载为360kN, 试验荷载量为10kN/m², 比设计活载标准值6kN/m²超过66.7%。现场采用袋装水泥分级加载。静载试验采用分级加载的方式, 包括“预加载-加载-卸载”的全过程, 共预设了9个加载工况, 各工况的测试内容如表2所示。

　　 在2层楼盖空腹梁交叉节点共设置25个挠度测试点对空腹板楼盖进行挠度测试。其中短轴方向设置7个测点, 平行于加载区域每边设置1个共4个 (测点D4, D5, D6, D25) , 长轴方向设置13个测点。测点在两个方向对称布置。使用铟钢丝固定在空腹梁下肋交接处, 再将铟钢丝悬挂铅锤垂直拉长, 直至铅锤靠近1层地面。在1层地面对应位置布置百分表并使铅锤和百分表的测量杆有效接触, 保持测杆与铅锤表面垂直。2层空腹板楼盖挠度测点布置见图5。

　　 在2层楼盖空腹梁每个网格上、下肋中间位置共设置76片应变测点, 采用应变测试仪测试其应变, 以观测空腹梁上、下肋在试验过程中的应变情况。2层楼盖空腹梁上、下肋应变测点布置见图6, 测点编号Y1a, b～Y38a, b, 编号中下标a, b分别代表上、下肋测点, 如Y1a代表1号测点上肋测点, Y1b代表1号测点下肋测点。

　　 在2层楼盖试验区域中心点及周边选取3个钢剪力键作为对象, 测试剪力键应变情况。在剪力键靠近空腹梁的上、下端设置水平向剪切片, 测试剪切应力, 剪力键每侧上、下端各布置4片, 共计8片测点。剪力键应变测点及测位布置见图7。

　　 在试验过程中该楼盖混凝土薄板除试验前因为施工原因已经出现的局部龟裂外, 未出现新的肉眼可见的裂缝, 加载区域及其他区域混凝土薄板均未出现破坏。空腹梁上、下肋、剪力键、连接板等钢构件未出现屈曲变形, 钢构件节点处焊缝未出现破坏。从挠度测试来看各测点挠度测试数据基本呈线性变化, 各测点应变未超出Q345钢的屈服应变值。卸载后, 楼盖挠度基本恢复到试验前的状态。

　　 本试验共分9级, 其中前7级进行加载试验, 第1～3级分别加载2kN/m², 随后4级每级加载增量为1kN/m², 再分2级卸载, 每级卸载5kN/m², 第9级全部卸载完。每次加载后静置30min, 收集加载作用下结构的变形、应变等数据情况。各级荷载作用下的D1, D15测点加载与卸载时的荷载-挠度曲线见图8。从图中可以看出, D1, D15测点荷载-挠度曲线基本呈线性关系, 且卸载后2层楼盖的残余变形非常小, 说明楼盖在试验过程中处于弹性阶段。

　　 如图9所示, 在整个试验过程中, 结构挠度近似呈线性变化, 楼盖挠度变化幅度呈半椭球形, 跨中大、四周小。结构最大挠度出现在中部测点D1处, 最大挠度为14.39mm, 远小于《钢结构设计标准》 (GB 50017—2017) ^[7]规定的挠度限值。从挠度变化图可以看出, 楼盖各测点挠度值根据测点位置对称而基本对称。距离加载点越远, 挠度值越小, 在距离荷载区中点同样距离的测点, 短边方向的产生的位移要小于长边方向上的位移。虽然加载区域仅布置在跨中局部位置, 但是在2层楼面纵横轴方向各测点均观测到位移变化, 说明正交斜放钢网格空腹夹层楼盖具备良好的三维空间受力性能。

　　 通过有限元分析, 得到各测点在试验满载情况下的挠度计算值与实测值对比情况, 见图10。通过对比分析可知, 实测值与计算值变化趋势基本吻合, 且实测值均小于计算值, 最大误差26.21%, 最小误差5.66%, 中心测点D1误差16.38%。

　　 通过测试钢网格空腹板上、下肋设置的38个测点的应变, 可以得到钢网格空腹板结构上、下肋的应力发展及分布情况。根据各测点的应变值得到部分典型断面的应力分布曲线和关键位置测点的荷载-应力曲线。

　　 通过测试可知, 随着单位荷载的不断增加, 各测点的应力绝对值也在不断增大, 且靠近中心点位置的应力绝对值最大, 增加的幅度较明显, 并逐渐向两边减小, 说明在荷载不断增加的情况下, 受荷区域钢材的变形基本呈线性变化, 没有达到钢材的屈服强度。本文侧重分析各测点在试验满载作用下的应力规律及典型测点的荷载-应力。图11为楼盖各主要剖面在满载作用下的实测应力曲线与计算应力曲线对比。由图可以看出, 3条测试横断面中上肋应力均远小于下肋应力, 主要原因是2层楼面混凝土薄板承担了大部分轴力。3个主剖面各测点应力变化规律基本一致, 应力分布比较均匀, 同时从图11可以观测到整个楼盖的受力状态:楼盖上肋应力都是从正变为负, 即上肋靠近支座位置的受力状态为受拉, 其他位置为受压, 跨中位置压力最大;下肋应力从负变为正, 即靠近支座位置受力状态为受压, 跨中位置为受拉状态, 跨中位置拉力最大。说明正交斜放钢网格空腹夹层板楼盖结构整体性较好, 呈现很好的空间受力特征。

　　 剪力键设置S1～S3共计3个测位, 以研究剪力键在荷载作用下的变化规律。综合分析每个测点的实测数据, 可知剪力键的应力分布有以下规律:随着荷载的不断增加, 各测点应力绝对值也在不断增大;与钢网格空腹板上、下肋应力相比, 剪力键上的应力远小于钢材的屈服应力。支座附近剪力键S3及跨中剪力键S1各测位荷载-应力曲线见图12, 由图可知, 靠近支座处剪力键S3应力较大, 然后向跨中逐步减小, 主要原因是钢网格空腹板上、下肋存在的轴力差, 使得剪力键表现出水平向的“错动”, “错动”越大, 剪力越大。靠近支座位置“错动”大, 所以测试到的剪力大。

　　 以九华创新创业中心8#栋正交斜放空间钢网格空腹夹层板结构为研究对象, 采用堆载法对该工程2层楼盖进行了现场局部超载试验, 并结合SAP2000有限元分析, 对比研究了其静力性能和规律, 具体得到如下结论:

　　 (1) 在试验荷载下, 该新型楼盖结构各测点挠度近似呈线性变化;楼盖整体挠度变化幅度呈半椭球形, 跨中大、四周小。最大挠度值出现在加载区的中间部分, 其值为14.39mm, 为跨度的1/1668。

　　 (2) 该新型楼盖结构上、下肋主要承受轴力, 上肋近支座位置受拉, 近跨中位置受压, 下肋近支座位置受压, 近跨中位置受拉。剪力键以承受剪力为主, 靠近支座位置大, 跨中位置小。

　　 (3) 挠度和应力实测试验数据与有限元理论分析数据基本接近, 且变化分布规律一致。

　　 (4) 静载试验研究表明, 该新型楼盖结构体系应用于长宽比大于1.5的大跨度公共与工业建筑楼盖时整体性较好且具备良好的三维空间受力性能。