现浇钢筋混凝土密肋空腔楼盖力学性能与计算方法.pdf

第 2 6卷第4期 2 0 0 9年 l 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f H U S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) V0 1 2 6 No 4 De c 2 o o 9 现浇钢筋混凝土密肋空腔楼盖力学性能与计算方法 王兴肖， 李保德， 李晶晶 ( 武汉理工大学土木工程与建筑学院， 湖北武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 现浇钢筋混凝土密肋空腔楼盖 D C K J 是由现浇密肋梁与预制混凝土空腔构件 D C K Q组合而成， 适用于 大跨度结构的一种新型楼盖体系。本文通过竖向均布荷载作用下 3 X 2空腔构件的楼盖模型试验， 研究了现浇 密肋粱、 空腔构件间协同作用机理， 得出了试件的破坏机理、 力学性能。通过对试件的有限元计算 ， 分析了空腔 构件对试件刚度的影响， 研究了拟梁法、 查表法和有限元等多种计算方法计算该楼盖的合理性， 提出了合理简 化设计方法， 理论计算结果与试验结果基本一致。研究成果可为该楼盖体系的设计、 应用和研究提供参考。 关键词： 空腔构件； 密肋梁； 刚度； 有限元 中图分类号 ： T U 3 7 5 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 4 - 0 0 7 6 - 0 4 现浇混凝土密肋空腔楼盖 D C K J ( 简称密肋 空腔楼盖) 的主要特征是将预制好 的空腔构件 D C K Q ( 简称空腔构件 ， 如图 1 ) 镶嵌在纵横密肋梁 之间进行整体现浇， 倒梯形断面的空腔构件与梯 形断面的密肋梁形成契合且等高， 无需再现浇混 凝土板 ， 是一种无现浇板式暗密肋钢筋混凝土新 型楼盖体系。它具有结构 自重轻 ， 整体性能好； 楼 盖刚度大， 变形小 ， 抗震性能好 ； 保温隔热、 隔音效 果良好 ； 综合造价低等优点。本文根据 3 X 2密肋 空腔楼盖模型的试验结果和有限元计算结果 ， 进 行理论分析， 提出了该结构的简化设计方法 ， 为其 设计与应用提供依据。 1 试验 图 1 空腔构件示意 1 1 试验模 型 本次试验制作一个密肋空腔楼盖 ， 试验模型 如图2所示 ， 密肋梁截面大小、 配筋如图 3 。空腔 构件为顶面 6 0 0 m m 6 0 0 mi l l ， 下底面 5 8 0 m m 5 8 0 n l m， 高 3 0 0 m m的倒梯形截面， 上下底板厚为 4 0 m lT l ， 四周侧板厚为 1 0 I B m， 四角简支。 3 U U 口 r _ 2 l i 0 0 【 o 0 。 。 【 。 L a l 。【 z 7 7 31 0 0 7 7 z ( 注 ： 图中中 为百分表， 一 为应变片) 图 2 3 2试件模 型及测点布置 图 3 a a 剖面 1 2 试验方法 测点布置如图 2 4 。其 中， 1 2测点测量楼 盖挠度， 3 8测点测量钢筋应变， 9I 1 测点测量 混凝土应变。采用堆积荷载方法在空腔构件和密 肋梁上施加竖向荷载( 图5 ) 。第一级荷载和加载 步长均为 1 0 k N， 每级荷载持荷 1 0 m i n 采集数据。 收稿 日期： 2 0 0 9 - 0 7 1 0 作者简介：王兴肖( 1 9 8 4 - ) ， 男 ， 河南登封人， 硕士研究生， 研究方向为结构理论与计算方法 ， w a n g x i n g x i a o 1 0 1 7 1 6 3 C O IT I 。 第 4期 王兴 肖等 ： 现浇钢筋混凝土密肋空腔楼盖力学性能与计算方法 7 7 I 二 二 l 1 ) I 图4 百分表及应变片 布置 图5 f试验加载 1 3 试 验结 果 1 3 1 破 坏特 征 当荷载加至7 0 k N时， 在 A轴与轴肋梁 交接处 ， A轴的底 面和侧面 出现裂缝 ( 图 6 ) 。但 随荷载增加 ， 变形并未因开裂而迅速增大 ， 裂缝的 数量、 宽度也并未迅速增多和增大。加至 1 0 0 k N 时， 在 A轴肋梁的跨中和 B轴肋梁侧面下部出现 裂缝 ， 空腔构件底 板与轴肋梁 的结合面附近出 现平行 于轴 的裂缝 ( 图 7 ) 。荷 载进一步加 至 2 0 0 k N时， 裂缝布满整个纵 向肋梁 ( 图 8 ) ， 而空 腔构件并未破坏 ， 试件整体性能 良好。 图 6 纵 向密肋梁裂缝 图 7 肋梁底面和侧 面裂缝 图 8试件破坏 1 3 2变形 买测结果 试件在 7 0 k N时位移达 0 4 m m， 加载至 2 0 0 k N时位移为 1 O 5 3 m m， 基本是规范 中规定的 限值 ( 1 2 0 0 1 2 5 0 ) 。继续加载 ， 位移没有剧增 ， 表明试件的内力和应力进行 了重分布 ， 结构受力 均衡 ， 整体性能突出。若承载力取 7 0 k N， 相当于 均布荷载 2 1 k N m ， 超过规范 中一般民用建筑 各类别的荷载取值 ， 表明结构的刚度较大 ， 能满足 一 般情况下结构承载力 ， 且仍有较大的富裕 ， 可在 密肋空腔楼盖的设计方面做进一步改善 ， 以尽可 能做到经济 。 1 3 3应 变 实测结果 密肋梁钢筋应变结果表 明， 试件在 7 0 k N时 开裂 ， 钢筋没有立即出现明显拐点 ， 而是滞后 了 1 级加载。随着荷载增长 ， 开裂截面处钢筋应变迅 速增加 ， 内力 和 刚度进行 调 整， 内力重新 分 布。 1 6 0 k N时实测应变为 2 2 3 0 IZ S ， 钢筋屈服 ， 与文献 2 中钢筋屈服点的取值 ( 0 2 ) 一致。 混凝土测点应变结果表明， 试件初裂时， 混凝 土应变在 7 08 0 k N出现了明显拐点 ， 试件进人 弹塑性阶段 ， 部分混凝土逐渐退 出工作 ， 钢筋受力 明显 。此后的加载中， 应变迅速增加 ， 变化较荷载 快。钢筋屈服时， 混凝土应变变化进步加大。 2 空腔楼 盖计 算方法 2 1 拟梁 法 拟梁法是将密肋空腔楼盖离散成 由交叉梁系 组成的楼盖， 密肋梁的抗弯刚度分别按 T 形、 I 形 ( 考虑空腔构件作用) 和矩形梁( 不考虑空腔构件 的作用) 计算 ， T形梁和 I 形梁的有效翼缘板宽度 取值参照文献 4 ， 得 ， 。 =3 8 91 0 mm ， ， =3 1 0 m m ， 矩形截 面 I y =2 2 51 0 mm 。等效 后的交叉 梁系 的挠 度按 文献 4 中计算 方法计 算， 测点2的挠度计算值和试验值如表 1 。 表 1 测点 2挠度计算值和试验值 1 0 n u l l 荷载 k N 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 矩形截面 2 2 4 5 6 7 8 9 1 1 2 1 3 4 T形截面 l 5 2 9 4 4 5 8 7 3 8 7 I 形截面 1 3 2 6 3 9 5 2 6 5 7 8 试验值 1 8 3 8 5 0 6 4 9 0 1 0 8 结果表明 ， 用拟梁法把 密肋空腔楼盖等效成 矩形、 T形和 I 形截 面梁的挠度计算值 与试验值 有较大差异。 2 2 查 表法 查表法是将密肋空腔楼盖简化成普通密肋楼盖， - 7 8 华中科技大学学报 ( 城 市科学版 ) 2 0 0 9拄 按照 I 形或 T形截面可从文献 5 查得楼盖挠度 ： 5 = 1 0 。 表中系数 D 式中， a为井字梁正方形 网格的长度 ； q为单位面 积上的计算荷载； 为井字梁刚度 ， 按弹性理论计 算 B= E 。测点 l 挠度计算值和试验值如表 2 。 表 2 测点 1 挠度计算值和试验值 1 0 m m 荷 k N 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 5 3 1 06 1 5 9 21 2 26 5 3 1 8 3 6 7 2 1 0 9 1 4 5 1 81 2 1 7 3 1 6 1 9 2 1 2 2 1 5 3 1 8 3 3 0 6 8 1 o 0 1 3 4 1 7 4 21 0 矩形截面 T形截面 I 形截面 试验值 由表 2可知 ， 用查表法把密肋空腔楼盖等效 成为 T形和 I 形截面梁 ， 挠度计算值和实测值相 差不大 ， 在工程设计上具有一定参考意义。 3 有限元分析 为分 析 密肋 空 腔 楼 盖 的非 线 性 性 能， 用 s o l i d 6 5 和 l i n k 8单元对密肋空腔楼盖建模 6 J ， 模型 以试验模型尺寸为基准。并建立密肋梁 间距为 7 0 0 mm 7 0 0 mm 、 8 0 0 mm 8 0 0 mm、 90 0 n l m 9 0 0 m m和1 0 0 0 mm1 0 0 0 m m密肋空腔楼盖和 普通密肋楼盖模型 ， 探索密肋空腔楼盖 的简化设 计方法。因结构和荷载对称 ， 取 1 4模型计算。 3 1 有限元模型与计算参数 混凝土按 s o l i d 6 5单元模拟 ， 材料属性取 自实 测应力应变点 ， 按 M u l t i l i n e a r I s o t r o p i c H a r d e n i n g P l a s t i c i t y ( MI S O) 模 型输 人 。破 坏 准 则 为 N o n m e t a l P l a s t i c i t y目录下的 c o n c r e t e输入， 分析参数 如表 3 。 表 3 混凝土分析参数 萎 g M 泊 比 重 塑 堡 望 墨 墼单 轴 极 限 单 轴 极 限 张 开 裂 缝 闭 合 裂 缝 抗 拉 强 度 抗 压 强 度 MPa MP a 堡 堑 圭 ： 兰 ： ： 兰 ： ! ： 箜 二 ： 钢 筋选 l i n k 8单元 ， 弹 性模量 取 2 01 0 M P a ， 泊松比取 0 3 。屈服强度取 2 1 5 M P a ， 剪切 模量取 0 。有 限元建模采用 钢筋和混凝土分离 式 ， 模型约束为四角简支 ， 有限元模型如图 9 、 1 0 。 3 2 有限元计算结果分析 通过密肋空腔楼盖和普通密肋楼盖的有限元 模拟分析 ， 可以得到 以下结论： ( 1 )从图 1 1 、 1 2可看出： 楼盖顶板在密肋梁 和空腔构件交接处 的应力较大且较为集 中； 楼盖 的底板除支座附近受压外， 其它都受拉 ， 并且最大 拉应力在边梁与中间肋梁的交点处。 图9 1 4密肋空腔楼盖有限元模型 图1 0 1 4密肋空腔楼盖钢筋有限元模型 1 N5 。 ： F EB 2 6 2 0 s 1 i 5： 5 2- sUB = 3i 一 l 冒 t l| ， m 口 D D瞳 ： 二 趱l一 篓 嚣鞋 鲎萎 豁 箍 、 撵 朝 - 蘸 壹耀 郸 ： ， 一 隳 pt 互 、 i ； “ 善 暑 、 婺 猫 I c 。 t 寻t c d m - 置 ： 妻 一 图 1 1 1 4试件顶板应力等值线 图 1 2 1 4斌件底板应力等值线 第4期 王兴肖等： 现浇钢筋混凝土密肋空腔楼盖力学性能与计算方法 7 9- 混凝土、 钢筋应变 的计算值和实测值 吻合较 好 ( 图 l 3 、 l 4 ) 。在 7 O k N后 ， 混凝土开裂， 部分混 凝土退 出工作 ， 钢筋应 变迅速 变大。在 1 6 0 k N 后 ， 可认为钢筋屈服 ， 进入强化 阶段。在 1 6 0 k N 时计算 结果 为 2 1 2 7 1,z e ， 比试验 结果小 5 ， 差异 不大。 ： ： ： 至l 2 0 囊 0 0。 4 6 。 0 2 2 】 1 1 z 1 隶l 柱 一 1 0 0 4 0 0 9 0 0 l 4 0 0 1 9 0 0 2 4 0 0 2 9 0 0 应 变u e 图 1 4 混凝土应变实测值和有限元计算值 ( 2 )位移 的计算值 和实 测值 吻合 良好 ( 图 1 5 ) 。结果表明试件 结构 变形 较为缓慢 ， 说明结 构 的刚度下降并不十分明显 ， 结构整体受力性能 好 。密肋空腔楼盖和普通密肋楼盖 的非线性分析 表明， 计算结果与试验结果吻合较好 ， 即采用有限 元程序 的非线性分析能较好地模拟竖向荷载作用 下密肋空腔楼盖各阶段的工作性能。 2O 1 8 1 6 1 4 三1 2 毒1 0 8 6 4 2 图 1 5 测点 1的挠度试 验值 和有 限元计算值 ( 3 )肋梁问距不同的密肋空腔楼盖 ， 空腔构 件参与工作 的贡献程度有所不同。在 9 k N m 的 竖向荷载作用下 ， 肋粱间距不 同的密肋空腔楼盖 和普通密肋楼盖的有限元模型计算结果如表 4 。 表4 不同肋梁间距的普通密肋楼盖和 密肋空腔楼盖挠度计算值 mm 结果表明： 当空腔构件和现浇密肋梁结合后 ， 密肋梁 的截面等同一个 I 字形截 面， 而普通密肋 楼盖则为 T形截面。密肋梁的间距为 7 0 0 m m 7 0 0 m m时 ， 密肋空腔楼盖的刚度与普通密肋楼盖 的刚度 比值为 ， I I T =1 4 4 ( 按文献 4 为 1 3 0 ) ， 8 0 0 m m 时为 1 4 0 ， 9 0 0 II l l T I 时为 1 3 7 ， 1 0 0 0 m m 时为 1 。 3 1 。这表 明密肋空腔楼盖的刚度 比普通 密肋楼盖 的刚度大 ， 空腔构件对整个密肋楼盖的 刚度有一定贡献 ， 且随楼盖的高跨比减少而减少。 综合以上理论计算结果 ， 本文建议密肋空腔楼盖 梁的刚度 可按普 通密肋楼盖 的刚度计算后乘 以 1 3的增大系数。 4 结 论 ( 1 )密肋空腔楼盖能够满足一般民用建筑正 常使用荷载情况下承载力。 ( 2 )密肋空 腔楼盖开裂后 ， 结构刚度下降并 不 明显 ， 表明结构整体性能较好。 ( 3 )在计算 密肋空腔楼盖刚度时 ， 应考虑空 腔构件的作用 ， 否则将低估楼盖 的刚度。建议密 肋空腔楼盖梁的刚度可按普通密肋楼盖的刚度计 算后乘以 1 3的增大系数， 从而简化了此楼盖的 设计 。 ( 4 )密肋空腔楼盖力学性能与其它普通密肋 楼盖存在许多相似特征， 但也有差异。由于缺乏 系统的研究成果 ， 在高层建筑中应用应 受到严格 限制。 参考文献 1 王根燕 现浇密肋空腔楼盖的受力性能研究 D 武汉 ： 武 汉理工大学 ， 2 0 0 7 2 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 3 G B 5 0 0 0 9 -2 0 0 1 ， 建筑结构荷载规范 s 4 吴 晓鹏 现浇 预应力 空心板梁楼盖体 系受 力特性研 究 D 杭州 ： 浙江大学， 2 0 0 5 5 李陪林 混凝土密肋及井式楼盖设计手册 M 北 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 3 6 姜勇， 张波 A N S Y S 7 0实例精解 M 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 ( 下转第 8 7页) 第 4期 黄加坡等 ： 预应力粘钢加 固钢筋 混凝土梁 的理论分析计算 8 7 的受力机理研究 J 山东建筑工 程学 院学报 ， 2 0 0 3 ， 1 7 ( I ) ： 2 4 - 2 9 5 吴志平， 杨林德粘钢加固混凝土梁的抗弯设计方 法 C 第五届全国工程结构安全防护学术会议 论文集2 0 0 5 ： 3 7 3 3 7 9 6 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 7 G B 5 0 3 6 7 - 2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 S 8 天津大学，同济大学混凝土结构 M 北京：中 国建筑工业出版社 ， 1 9 9 7 Th e or e t i c An a l y s i s a n d Ca l c u l a t i o n o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a i l l S Affi x e d wi t h Pr e s t r e s s ed S t e e l Pl a t e s HU A NG批 - p o ， L I d a q i n g ， Y U k u n (1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a ； 2 E a s t C h i n a I n s t i t u t e o f I n v e s O g a t i o n ，H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e f o r mu l a s f o r c a l c u l a t i n g t h e he i g ht s i n t he r e l a i v e c o mp r e s s i v e r e g i o n a n d the a r e a o n t he c r o s s s e c t i o n s o f RC B s tr e n g t h e n e d b y t h e P r e - s t r e s s e s S t e e l p l a t e a r e d e d u c e d b a s e d o n t h e c o mb i n a t i o n o f the e x - p e r i me n t s a n d the p l a i n c r o s s s e c tio n h y p o th e s i s Th e n the f o r mu l a o f c o n t r o Hi n g t e n s i l e s t r e s s e s i n s t e e l p l a t e s i s i n d u c e d wi th the l i mi mt i o ns o f l o a d c a r r y i n g c a pa c i ti e s an d d e fle c tio n s o f the b e a mAl s o the p r a c t i c al c a l c u l a t i n g i ns t a n c e s a r e g i v e n a t t h e e n d Ke y wo r d s：p r e s t r e s s；s t r e ng t he n i n g wi th a ffi x e d s t e e l p l a t e s；c o n t r o l t e ns i l e s tre s s ( 上接第 7 9页) 7 K e n n e d y J B， I y e n g a r K J R i g i d i t i e s o f n o n o h o g o n a l l y s h a p e d w a ff l e s l a b s J J o u rna l o f t h e S t r u c t u r a l D i v i s i o n ， 1 9 8 2 ， i o 8 ( i o ) ： 2 2 6 3 - 2 2 7 2 8 A l i S S ， P a g e A W F i m t e e l e m e n t m o d e l f o r ma s o n r y s u b j e c t e d t o c o n c e n t r a t e d l o a d s J J o u r n al o f S t r u e t u r a l E n g i n e e r i n g， 1 9 8 8 ， 1 1 4 ( 8 ) ： 1 7 6 1 1 7 8 4 M e c h a n i c a l Pr o p e r t i e s a nd Ca l c u l a t i o n M e t ho d o f Ca s t - i n - - pl a c e Re i nfo r e d Co nc r e t e De ns e Ri b Ca v i t y Ce i l i ng W A N G X i n g x i a o ， L I B a o d e ， L I rin g - ri n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，Wu h a n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e D CK J r i b b e d c a s t i n p l a c e r e i n f o r c e d c o n c r e t e fl o o r wi th c a v i t y i s a n e w typ e o f fl oor s y s t e m w h i c h i s m a d e u p o f fi b b e d c a s t i n - p l a c e b e a m a n d t h e D C K Q p r e c a s t c o n c r e t e h o l l o w b o x a n d a p p l i e d t o l a r g e s p a n s t r uc t u r e s I t h a s ma n y c h a r a c t e ris t i c s s uc h a s l i g h t we i g h t ，c o n v e n i e n t c o ns t r u c t i o n，g o o d s t i ff n e s s a n d l a r g e s tre nhBa s e d o n t h e flo o r mo d e l t e s t o f 3 2 c a v i ty c o mp o n e n t s u n de r the v e r t i c al u n i f o rm l y d i s t r i b ut e d l o a d i n t he pa p e r ，the s y n e r g y me c h a ni s m b e t we e n rib b e d c a s t i n p l a c e be a ms a n d the c a v i t y c o mp o ne n t s i s i n v e s t i g a t e d，a nd the f a i l u r e me c h an i s m a nd me c h a n i c a l pr o p e r t i e s o f thi s mo d e l a r e o b tai n e dW i th the fin i t e e l e me n t s i mu l a t i o n o f t h e mo d e 1 i t e x p l o r e d a nd a n a l y z e d t h e e ff e c ts o f t h e c o mp o n e n t s t o t he s t i f f - n e s s o f t h e mo d e l c a v i t y t h e o r e t i c a l l y，a n d a na l y z e d th e r a t i o n a l i t y thr o u g h a wi d e v a rie t y o f c o mp u t i n g the fl o o r ， s u c h a s t he p r o p o s e d b e a m ， l o o k u p tab l e， the fi ni t e e l e me nt ， a nd so o n An d i t t h e n ma de a s i mp l e r e a s o n a b l e d e s i g n me tho d o l o g y Th e r e s u l t s o f the o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s a r e c o n s i s t e n t wi t h e x pe rime n t a l r e s u l t s b a s i c a l l y I n t h i s p a p e r， the r e s u l t s c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r the d e s i g n， r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o ns o f thi s fl o o r s ys t em Ke y wo r ds：c a v i t y flo o r ；de fle c t i o n；s t i f f n e s s；fin i t e e l e me n t a n a l y s i s