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第八章 楼板和屋盖系统
Daniel A. Cuoco, P.E.
Principal, IZA Technology/ Thornton -Tomasetti Engineers,
New York,New York
钢框架结构为设计师提供了广泛用于楼板和屋盖建造系统的一个经济的选择。钢结构可以比其他类型的结构更有效地实现更长的跨度，这使得柱和底座的数量最小化，从而加快安装速度。更长的跨度也为内部空间规划提供了更多的灵活性。
钢结构的另一个优点是它能快速适应日后的结构变动，例如房客的楼梯开口和更重的荷载的变化。当需要加固或现有的钢结构时，它可以通过以下措施来实现：增加与现有构件连接的框架构件和附加钢板的现场焊接以加强现有构件。
楼板
目前用于钢结构施工的最常见的楼板系统类型是钢结构混凝土组合楼板、预制混凝土板和现浇混凝土板。
8.1钢结混凝土组合楼板
与钢框架一起使用的最普遍的楼板类型是钢结构混凝土组合楼板。压型钢板由钢板制成的冷弯型钢组成，通常屈服强度至少为33 ksi。压型钢板的设计要求包含在美国钢铁协会的“冷弯型钢构件设计规范”中。
混凝土填料通常规定28天抗压强度至少为3000 psi。混凝土设计要求见美国混凝土协会标准ACI 318“钢筋混凝土建筑规范要求”。
压型钢板的厚度通常在24到18ga之间，尽管有时在这个范围之外使用。与典型量规名称对应的设计厚度如表8.1所示。
8.1冷弯型钢的等效厚度
通常压型钢板的厚度在1.5英寸、2英寸和3英寸。一般来说，最好使用较厚的板，该板可以跨越支架之间的较长距离，从而减少所需的横梁数量。例如，3英寸板可以实现约15英尺的横梁间距。但是，每个项目必须单独评估，以确定板厚度和间距的最有效组合。
对于特殊的大跨度应用，一些制造商提供厚度为4.5英寸、6英寸和7.5英寸的压型钢板。
复合结构与非复合结构。通常采用压型钢板和钢框架结构的组合结构，在这种情况下，压型钢板不仅作为混凝土板的永久性模板，而且在混凝土硬化后，作为板的正弯曲钢筋。为了达到这种复合作用，在板面上产生变形，从而形成与混凝土的机械联锁（图8.1），虽然不用于主要结构用途，但通常将焊接钢丝网放置在混凝土板的顶部以下约1英寸处，以尽量减少混凝土收缩和热效应导致的开裂。在一定程度上，这种焊接钢丝网还可以在支撑构件上方的板负力矩区域提供一定数量的裂缝控制。
图8.1冷弯型钢板在混凝土填充复合结构中的应用
非复合材料压型钢板用作混凝土的模板，被认为在抵抗叠加荷载方面无效。无论板有支撑，或没有支撑，板的长期可靠性都将受到质疑，因此板也被视为在支撑混凝土板恒载方面无效。例如，在街道上使用除冰化学品的区域，停车场结构中使用的金属板易受腐蚀，除非采取特别预防措施，否则最终可能无效。在这种情况下，压型钢板应仅用作支撑混凝土的模板，直到混凝土硬化。钢筋应放置在板内，以抵抗所有设计荷载。
实心板与空心板。有时需要在楼板系统内分配建筑物的电线，在这种情况下，可以使用空心板代替实心板。然而，在楼板厚度不重要的情况下，通过使用结构楼板上方的上升通道，楼板可以获得最大的布线灵活性和容量。
空心板本质是实心板，如图8.1所示，在楼板底部添加一块平板以创建单元（图8.2）。电线、电源线和电话线都放在单元内，以便分布在整个楼层区域。在许多情况下，通过组合空心板和实心板的交替面板（称为混合系统）可获得足够数量的电池（图8.3）。当使用多孔板时，3英寸的厚度是首选的最小厚度，因为它为布线提供了方便的空间。1.5英寸的厚度很少使用。
为了向电池供电，在垂直于电池的方向，在压型钢板上方的混凝土内放置一个沟槽集管（图8.4）。应特别注意与管沟集管相邻的结构构件的设计，因为在这些区域，楼板和梁的组合作用都会失效。在可能的情况下，应选择单元的方向，使管沟集管的总长度最小化。通常，通过沿建筑物的纵向铺设单元，沟槽集管的总长度明显小于沿横向铺设单元（图8.5）
图8.2空心钢板和混凝土板的组合
图8.3组合楼板，在复合结构中空心板与实心板的交替组合
如果需要一个统一的电源插座网格，例如中心5英尺乘5英尺，可以将预设的插座放置在电池上方并浇铸到混凝土填料中。但是，在许多情况下，插座位置将由随后的租户布局决定。在这种情况下，可以对混凝土填料进行取芯，并在任何需要的位置安装备用插座地点。
有支撑结构与无支撑结构。为了支撑新浇混凝土的重量和施加在压型钢板上的施工活荷载，可以对板进行支撑，也可以设计成在支撑构件之间进行跨越。如果对板进行支撑，则可以使用较浅深度或较薄厚度的板。
图8.4向单元提供布线的空心板和混凝土板内放置管沟集管组合
图8.5不同方向的空心板的楼板布局。(a)纵向槽的槽头长度小于(b)。
但是，应评估支撑的经济性，因为楼板成本的节省可能会被支撑成本抵消。此外，应评估移除支撑后将发生的板挠度，以及支撑构件上的混凝土裂缝。另一个考虑因素是，使用支撑有时会影响施工进度，因为支撑通常保持在原位，直到混凝土填料达到其规定28天抗压强度的至少75%。此外，当使用支撑时，混凝土必须抵抗由总静荷载和所有叠加荷载组合而成的应力。
当混凝土浇铸在无支撑的压型钢板上时，混凝土的重量会导致板在支架之间偏转。这种挠度通常限制在板跨度的1/180或3/4英寸中较小者。如果对地板平整度产生的影响过大，则可以将顶面修整平整，这会导致浇筑额外的混凝土以补偿挠度。在设计压型钢板时，必须考虑额外混凝土的附加重量，以确保足够的强度，混凝土填料只需抵抗叠加荷载产生的应力。
无支撑板结构是最常用的系统。较深或较厚板的额外成本通常远低于支撑成本。从强度和挠度的角度来看，为了提高无支撑板在支撑未硬化混凝土重量和施工活荷载方面的效率，板面通常在支撑构件上连续延伸两到三个跨度，而不是单跨施工。但是，对于混凝土硬化后的荷载，除了根据传统钢筋混凝土板设计在支架上提供负力矩钢筋（不考虑金属压板作为抗压钢筋），组合板设计为总荷载包括板自重，板被视为单跨。
轻质混凝土与普通混凝土。轻量混凝土或普通重量混凝土可用于压型钢板上混凝土填料的结构功能。虽然与轻质混凝土相关的成本溢价，有时钢框架和基础成本的节省可以抵消溢价。此外，足够厚度的轻质混凝土可以为楼板系统提供必要的防火等级，从而消除对额外楼板防火的需要（见下文“防火”）。
轻质混凝土与普通混凝土以及防火材料的使用应按项目进行评估。
防火。在建筑物的压型钢板上，大多数混凝土填料的应用要求楼板组件具有防火等级。对于实心压型钢板，通常通过在金属板上方提供足够的混凝土厚度或在金属板下方喷洒防火涂料来获得防火等级。对于使用贯穿混凝土填料的出口的空心压型钢板，通常通过后一种方法获得防火等级。作为替代方案，防火天花板系统可安装在多孔或非多孔板下方。
当仅通过混凝土填充厚度获得所需防火等级时，对于相同等级，轻质混凝土要求的厚度小于正常重量混凝土的厚度。例如，通过使用3/4英寸的轻质混凝土或4/2英寸的金属板上方的正常重量混凝土，可以获得2小时的额定值。后一种方案很少使用，因为较重混凝土的附加厚度会降低钢材吨位（即较重的梁、梁和柱）和基础。
如果在压型钢板的下面使用防火喷剂，则板上方的混凝土厚度可以是抵抗施加的地板荷载所需的最小厚度。该最小厚度通常为2/2英寸，可使用较便宜的普通重量混凝土代替轻质混凝土。因此，在2小时额定值的实心楼板系统中，经常考虑的两种方案是：金属板上方3.25英寸的轻质混凝土（无需喷射防火装置）和金属板上方2.5英寸的普通重量混凝土（有喷射防火装置）（图86）
由于两种方案的楼板的静载基本相同，钢框架和基础也基本相同。因此，相比之下，更贵的轻质混凝土成本降低了，而普通重量混凝土的成本还要包括防火喷雾。由于成本和承包商的倾向随地理位置的不同而不同，因此必须在单个项目的基础上进行评估（另见第6.32节）
压型钢板系统的横隔板作用。金属板上的混凝土填料很容易充当一个相对坚硬的横隔梁，通过面内剪力将各楼层水平的侧向荷载（如风力和地震力）传递给结构的抗侧向荷载构件，如剪力墙和支撑框架，所产生的剪应力通常可以通过混凝土填充物和金属桥面板的组合强度来调节，而无需额外加固。金属板与钢框架的连接以及相邻板单元之间的连接必须足以转移所产生的剪应力（见下面的“金属板连接板到框架”）。
在具有大开口（例如用于楼梯或竖井的开口、用于配电的沟槽集管或具有其他剪切不连续性的开口）的楼板中，可能需要额外的抗剪钢筋。此外，多层建筑中，累积侧向荷载从一个抗侧向荷载系统转移到另一个系统（例如，从周边框架转移到内部剪力墙）的楼层可能会受到异常大的剪切应力，这需要的横隔梁强度明显大于典型楼层的横隔梁强度。
图8.6两小时防火楼板系统，带冷弯型钢甲板。（a） 轻质混凝土填料；（b）普通重量混凝土填料。
压型钢板与框架的连接。金属板可以用胶泥（即点焊）、螺钉或粉末驱动的紧固件连接到钢框架上。这些附件为钢框架提供横向支撑，并在适用的情况下，传递由隔板作用产生的剪切应力。连接到钢架的最大间距一般为12英寸。
相邻的板单元相互连接，即侧板连接，可以用焊接、螺钉或按钮冲孔。通常，侧板附件的最大间距是36英寸。除了隔板或其他装载要求，附件的类型、尺寸和间距有时由保险（工厂相互保险或实验室保险）要求决定。
焊缝尺寸通常在最小可见直径72英寸和3/4英寸之间。当金属板焊接到钢框架上时，如果板厚度小于22 ga，则应使用焊接垫圈，以尽量减少通过板燃烧的可能性。对于22 ga及更薄的板，不建议采用侧搭焊。
螺钉可以是自钻或自攻。自钻螺钉在螺钉端部有钻孔点和螺纹。这使得直接安装无需在钢中预先钻孔。框架或金属板。自攻螺钉要求在安装前钻一个孔。典型的螺钉尺寸为12号和14号（分别具有0.216英寸和0.242英寸杆径），用于将金属板连接到钢框架上。8号和10号螺钉（分别具有0.164英寸和0.190英寸杆径）常用于侧搭连接。
用气动或粉末驱动设备将粉末驱动紧固件穿过金属板安装到钢框架中。不需要预先钻孔。这些类型的紧固件不用于侧面搭接连接。
按钮冲头可用于某些类型的金属板的侧搭接连接，这些金属甲利用侧搭接处的直立接缝。然而，由于安装的均匀性很难控制，通常认为按钮冲头对隔板强度的贡献不大。
钢结构协会的横隔梁设计手册中给出了各种类型的横隔梁性能以及金属板和附件的布置。
8.2预制混凝土板
这是另一种用于钢框架结构的楼板（图8.7）。预制板的标准宽度通常在4到8英尺之间，通常采用高强度钢束进行预应力。随后，在木板边缘形成的剪力键被灌浆，以便在相邻木板之间分配荷载。通常在板材厚度范围内放置空隙，以减少自重，而不会导致板材强度的显著降低。预制混凝土板的固有耐火性使其不需要额外的防火保护。
图8.7混凝土面层预制混凝土板楼板
顶部木板与非顶部木板。预制板的结构设计可以承受所需的荷载，而无需现浇混凝土面层。然而，在许多情况下，利用面层消除接缝处相邻木板之间的拱度和高程差异，从而提供光滑的板顶面是有利的。当使用面层时，为了达到面层与板层之间的复合作用，可能会故意使板的顶面粗糙。面层也可作为楼面板系统的结构构件。
现浇混凝土面层也可用于埋置提供电力和通信服务的导管和插座。带有木板的空隙也可作为配电系统的一部分。然而，当面层被设计成与木板配合使用时，必须仔细考虑这些嵌入物的效果。
混凝土板的恒载挠度。在预应力混凝土板的设计中，预应力荷载平衡了大部分恒载。因此，会出现相对较小的恒载挠度。对于承受持续性显著叠加恒载条件的板，例如支撑外墙的周边板，需要额外的预应力来补偿增加的恒载，或其他一些加固方法，以防止板材的大的初始和蠕变挠度。
混凝土板系统的横隔梁作用。由预制混凝土板组成的楼板的横隔梁作用可以通过在沿着相邻板的剪力键断续放置的钢嵌入件之间进行现场焊接连接来加强。（另见第8.1条）
混凝土板与框架的连接。预制混凝土板连接在钢框架上并提供横向支撑。典型的连接方法是在预制板的支撑钢和钢嵌入件之间进行现场焊接连接。
8.3现浇混凝土板
现浇混凝土在钢结构楼盖施工中的应用是一种传统的方法，在金属楼盖出现和消防喷淋出现之前更为普遍。对于一种较为常见的现浇混凝土楼板，模板被配置成组合钢框架，为钢提供防火和横向支撑（见图8.8）。如果提供了适当的限制细节，这种组合也可以实现钢框架和地板之间的复合作用。
应计算恒载挠度，对于挠度较大的大跨度，模板应在拆除模板支撑后起拱以提供水平板面。在现浇混凝土楼板上，横隔梁的作用是容易实现的。（另见第8.1.）
楼盖
用于楼板的系统（第8.1条至第8.3条）也可用于屋盖。当用作屋盖时，这些系统由屋顶材料覆盖，以提供防风雨的外壳。第8.4至8.7条描述了其他屋盖系统。
图8.8混凝土外包钢框架组合作用的最低要求
8.4金属屋盖
钢框架建筑通常使用由金属板组成的屋顶板。当适当倾斜排水时，金属板本身可作为防水外壳。或者，屋顶材料可以放在板的顶部。在任何一种情况下，隔板作用都可以通过适当的尺寸和金属板的连接来实现。防火等级可通
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