现浇混凝土蜂窝式空心双向板受力性能数值分析.pdf

2 0 1 4 年 第 4 期 (总 第 2 9 4 期 ) N u mb e r 4i n 2 0 1 4 ( T o t a l N o 2 9 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRETE P RODUCTS 现浇混凝土蜂窝式空心双向板受力性能数值分析 梁冰 a , b ，刘忠 一 ，岳岭 a ,b ( 湘潭大学 a 土木工程与力学学院；b 赵伟南 a ,b ，周柯靖 a , b ，宋登武 流变力学研究所 ，湖南 湘潭 4 1 I 1 0 5 ) 摘要 ： 针对现浇混凝土蜂窝式空心双向板的受力性能 ， 利用有限元分析软件 A N S YS ， 进行了非线性数值模拟 ， 分析结果与试验 结果吻合较好， 证明所建立的三维有限元模型是有效的。 利用该模型， 分析了现浇混凝土蜂窝式空心双向板的破坏形态以及混凝土 强度等级 、 面层钢筋配筋率、 底层钢筋配筋率、 面板层厚度、 空心率等因素对构件受力性能的影响， 为工程设计提供参考依据。 关键词 ： 蜂窝式 ；空心双 向板 ；承载力 ；非线性分析 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 1 3 3 0 5 Nume r i c a l a n a l y s i s o n m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c a s t - i n - s i t u c o n c r e t e c e l l u l a r v o i d e d t w o - w a y pl a t e s s u p p o se d L I AN GB i n g ,b , L 1 UZ h o n g 一 ， Y U EL i n g a ,b , Z H AO We i n a n a b ， Z H O UK e fi n g b , S O NGD e n g w u ( a Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n dMe c h a n i c s ； b I n s t i t u t e o f R h e o l o g y ， Xi a n g t an Un i v e r s it y ， Xi a n g t a n41 1 1 0 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ：Th e n o nl i n e a r n u me r i c a l s i mul a t i o n an a l y s i s wa s c o n d uc t e d t o i nv e s t i g a t e t h e me c ha ni c a l be h a v i o r s o f c a s t i n s i tu c on c r e t e c e l l ul a r v o i de d t wo wa y p l a t e s s u pp o r t e d b y ANSYS s ova r e an d t h e c a l c u l a t e d r e s ul t s we r e a gre e d we l l wi th the e x p e r i me n t a l o n e s Th e r e s u l t s s h o w tha t t h e 3 D fin i t e e l e me n t a n a l ys i s mo de l i s e ffe c t i v e Th e f a i l u r e mod e of p l a t e s wa s a na l y z e d u s i n g t h e mo de 1 Fu r t h e r mo r e me me c ha ni c a l b e h a v i o r wa s s tudi e d c o r r e s p o nd i n g t o d i ffe r e n t p a r a me t e r s s uc h a s c o n c r e t e s t r e ng t h g r a de ， s t e e l r e i nf o r c e me nt r a t i o o n t h e s u r f a c e， Th e u n de r l yi n g s t e e l r e i nf o r c e me n t r a t i o， pan e l t hi c k n e s s ， ho l l o w r a t e a nd t he r e s ul t s p r o v i de d s o me us e f u l r e f e r e n c e s f o r e n g i n e e r i n g d e s i g n K e y wor d s ： c e l l u l a r ； v o i d e dt wo - wa yp l a t e s s u p p o r t e d ； b e a r i n g c a p a c i ty； n o n l i n e ar ana ly s i s 0 引 言 现浇混凝 土空 心楼板 是指按 照一定 规则放置填充 式 内模 ， 经现场 浇筑混凝土而在楼板 中形成空腔 的楼板 l _ 3 。 近年来开始被广泛采用的现浇混凝土空心楼盖结构 ， 因其 自重轻 ， 刚度大 ， 板具有较大的结构跨越能力 ， 能方便地在 楼板 中铺设设备 ， 还能减轻结构和地基基 础的受 力 ， 能明 显地减轻结构的地震作用等优点被运用于大型的商场 、 办 公楼 、 宾馆 、 车站等各种类型建筑物中 。 本研究 针对 现浇混凝 土蜂窝式空心双 向板 的力学性 能 ， 利用有 限元分析软件 A NS YS ， 建立 了现浇混凝土蜂窝 式空心双 向板三维有 限元模型 ， 计算结果与试验数据吻合 较好 。 同时利用该模型， 分析 了现浇混凝 土蜂窝式空心双 向 板的破坏形态及主要参数对空心双向板受力性能的影响 ， 为工程设计提供参考依据。 1 现浇混凝土蜂窝式空心双向板有限元模型 1 1试 验 概 述 考虑 到现浇混凝土蜂窝式空心双 向板在工程 中的适 应跨 度在 6 1 5 mm之间 ， 其 中以 8 mm左右最具有典型性 和代表性 ， 所 以设计 的试件是以工程实 际中常用 的柱 网尺 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 0 1 6 寸 为 8 mx 8 m。 本研 究所选用 的试验是东南 大学程远兵 1 采用 尺寸相似 比 1 2 ， 制作 4 mx 4 m采用支承在 四角柱上 的钢筋混凝土蜂窝式空心双 向板 ， 加载方式为竖向均布荷 载 ， 如 图 1 所示 。 混凝土的各项力学性能指标见表 1 ， 钢筋 的各项力学指标见表 2 。 1 2 三维有限元模型 根据试验过程 ， 利用有 限元分析软件 A NS Y S ， 建立 了 以板左下 角为坐标原点 的 1 4三维有限元模型 ， 如 图 2所 示 。 该模 型不考虑钢筋与混凝土之间 的滑移 。 在边角位置 X = 0 2 5 0 mm， Y = 0 - 2 5 0 m m 区域 内添加 z方 向的约束 ， 在 X = 2 1 2 5 1T I 1T I 截面处添加 方向的多排约束 ， 在 Y = 2 1 2 5 m m 截 面处添加 y方 向的多排约束 。 同时在 Z = 3 5 0 m m平面上 施加一 z方 向的均布荷载。 混凝土选用 8 节点实体单元 S o l i d 6 5 ， 钢筋选用 2 节点 的实体单元 L i n k 8 。 分析过程中， 混凝土本构关系上升段采用 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 n 规定的公式， 下降段则采用 H o n g n e s t a d 的处理方法 ， 即： 当 时 ： r o n 1 【 l _ ( 1 - ) l ( 1 ) 1 3 3 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 l 6 0 0 钢筋应 变 1 0 ( a ) X= 2 1 2 5 mm， Y = 2 1 2 5 mm 0 4 0 0 8 0 0 l 2 0 0 1 6 0 0 钢筋应变 1 0 ( b ) = 2 1 2 5 mr fl ， y =1 6 2 5 mm 图 4 荷载一 板不同位置处下部钢筋应变 曲线 表 3 对比分析 4 O 35 3 0 2 5 登 2 0 匠1 5 l O U )UU l 00U I，UU Z U UU Z )UU 计算 点到 板中心 的距 离 mm 图 5 板中间截面( X = 2 1 2 5 mm) 的竖向位移曲线图 竖 向位移显著增加 ， 直至构件破坏。 由以上 3图可知 ， 空心板的上层混凝土中间部位处于受 压状态 ， 边梁附近处于受拉状态； 下层混凝土中间部位处于受 拉状态， 边梁附近处于受压状态。 随着荷载的增加 ， 受拉区混凝 土拉应力不断增大， 直至破坏， 一部分受压区混凝土压应力持 续增大， 一部分受压区混凝土， 由受压状态向受拉状态转变。 根据板 中心处混凝土 、 钢筋的荷载一 应力曲线 ( 图 7 、 8 ) 可知 ， 现浇混凝土蜂窝式空心双向板在达到破坏状态时 ， 板 底受力钢筋已到达屈服 ， 而板 面的混凝土尚未达到屈服应 力 。 因此 ， 现浇混凝土蜂窝式空心双 向板 的破坏是 由于板底 受力钢筋达到屈而引起整个构件破坏。 3 参数分析 利用已有模型， 讨论了混凝土强度等级、 面层钢筋配 筋率、 底层钢筋配筋率、 面层厚度及空心率等因素， 对现浇 36O 340 , 3 2 0 旧 + 3 O O 2 8 O 2 6 0 00 0 0 8- 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 8 坊 向应 变 ( a ) Y =2 0 0 0mm 36O 340 32o 旧 30 0 2 8 O 26 0 -0 0 0 04 3 6 0 3 4 0 32 o 旧 3 0 0 28 0 26 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 8 向应变 f b 1 y =1 2 5 0 mm 一 0 0 0 04 0 0 0 0 04 00 0 0 8 x -h - 向应变 ( b ) Y = 5 0 0mm 图 6 当 X = 2 1 2 5 mm。 y取不 同位置时的 X方向应变沿 Z方向高度分布图 0 246810 一l 2 1 4 1 6 18 应 力 ( N mm 1 图 7 板中心处板面混凝土荷载一 应力曲线 U 5U l UU l 5U ZU U 25U jUU j5U 应力 ( N mm ) 图 8 板中心处板底钢筋荷载一 应力曲线 混凝土蜂窝式空心双向板受力性能的影响。 混凝土强度等级对构件荷载一 竖向位移曲线的影响 ， 如图9 所示。 随着混凝土强度等级的提高， 构件承载力的提 1 35 6 4 2 0 8 6 4 2 O 一 吡 z 、 镛惺 6 4 2 0 8 6 4 2 一 叫 z 、 挺 4 2 0 8 6 4 2 一 W z 、 禧 4 2 O 8 6 4 2 一 至 一 、 镛挺 0 5 l U l ， 2U 2， jU j 5 40 板 中心 处挠度 mm 图 9 混凝土强度等级对荷载一 竖向位移 曲线的影响 高较为明显 ， 板中心处竖向位移有一定程度的减小。 当混凝 土强度等级由 C 2 5 提高到 C 6 5 时 ， 其承载力提高了 2 9 9 0 ， 板中心处竖 向位移减小 了 1 2 6 6 。 U ， l U 1 ) U ) 3U j)4 0 板 中心处挠 度 mm 图 1 0 钢筋直径对荷载一 竖向位移 曲线的影响 面层钢筋配筋率对构件荷载 一 竖 向位移曲线 的影 响 ， 如图 1 0 所示( 钢筋配筋率的变化通过钢筋直径体现) 。 随 配筋率 的提高 ， 构件 承载力仅有小幅度的提升 ， 板中心处 竖 向位 移基本 不变 。 当钢筋 直径 由 6 n ml 提 高至 1 4 m m 时 ， 其承载力仅提高 7 _ 3 。 因此 ， 在设计过程 中对于面层 钢筋可 以仅按构造要求设置。 底层钢筋配筋率对构件荷载一 竖 向位移曲线 的影 响 ， 如 图 1 1 所示 。 底层钢筋配筋率的变化对构件承 载力有 较 为 明显的影响 ， 板 中心处竖 向位移也有一定的变化 。 当钢 筋直径 由 8 mm增至 1 4 m m 时( 考虑构件构造要求 ， 钢 筋 直径最 大只能配制 1 4 mm) ， 承载力 提高 了 9 3 6 1 ， 中心 处竖向位移也相应增加了 5 3 1 9 。 25 。 蚕1 5 面 1 0 牲5 0 l U 2 0 jU 4,9 ) U OU 板 中心处挠 度 ram 图 1 1 钢筋直径对荷载一 竖 向位移曲线的影响 面板层厚度对构件荷载一 竖向位移曲线的影响， 如图 1 2 所示。 面板层厚度的提高促使构件承载力大幅度提高， 同 时一定程度的减小 了板 中心处 的竖 向位移 。 当面板层厚度 由 4 0 m m增 至 8 0 m m 时 ， 承载力 提高了 5 4 5 9 ， 板 中心处 竖 向位移反之减小 了 2 3 9 7 。 空心率对构件荷载一 竖向位移曲线 的影响 ， 如图 1 3 所 示 ( 空心率的变化是在面板层厚度不变的条件下增 大空心 1 36 2O 一 1 5 1 0 霆s 0 5 1 0 1 5 20 25 30 35 4 O 板 中心处挠度 ram 图 1 2 面板层厚度对荷载一 竖向位移曲线的影响 U l U 1 ) U 2) j U j) 4U 板 中心处竖 向位移 mm 图 1 3 空心率对荷载一 竖向位移 曲线的影响 的大小 ) 。 随着空心率 的提高 ， 构件的承载力有小幅度的降 低。 当空心率由9 8 o 至 2 7 2 2 时 ， 其承载力降低了1 4 9 1 ， 板中心处竖 向位移也有一定的影响 ， 但变化不大。 4结 论 利用有限元分析软件 A N S Y S 针对现浇混凝土蜂窝式 空心双 向板 的受力性能进行 了数值分析 ， 同时讨论 了相关 参数对现浇混凝土蜂窝式空心双 向板受力性能的影响 ， 得 到以下结论 ： ( 1 ) 本试验所建立的现浇混凝土蜂窝式空心双 向板有 限元分 析模 型 ， 其计算结果与试验结果吻合较好 ， 证 明该 模型是合理 的。 ( 2 ) 现浇混凝土蜂窝式空心双向板的竖 向位移从板中 向板边 逐渐减小 ， 当荷载达到极限荷载 4 0 时 ， 竖 向位移 较小 ， 超过 4 0 竖 向位移增加显著 。 现浇混凝土蜂窝式空心 双向板达到破坏状态时 ， 板中心处板底受力钢筋已屈服， 板 面受压区混凝土尚未达到屈服。 ( 3 ) 提高 昆 凝土强度等级可以增大空心板 的承载力 ， 但 影响程度随着混凝土强度等级超过一定值时而减 弱 ， 同时 昆 凝土强度 等级的提高能够减小空心板 的竖 向位移 。 兼顾 一 定的经济性能， 在工程设计时， 本研究建议选用 C 2 5 C 4 0 强度混凝土。 增加面层钢筋的配筋率虽对空心板的承载力 有一定的提高 ， 但提 高幅度较小 ， 同时对空心板的竖 向位 移基本没有影响。 综合考虑 ， 面层钢筋在设计过程中按构造 要求设置即可。 ( 4 ) 增加底层钢筋 的配筋率或加大面板层厚度都能有 效的提高空心板 的承载力 ， 其中增加底层钢筋 的配筋率 只 在塑性工作阶段对承载力有提高 ， 而加大面板层厚度在弹 性和塑性工作 阶段都有一定 的提高。 在竖 向位移方 面 ， 底 层钢筋配筋率的增加不能减小位移反而持增 长趋势 ， 而面 板层厚 度 的增加却 能有 效 的减小竖 向位移 。 在 工程设计 6 4 2 O 8 6 4 2 一 ， z岜 遥 、 赫培 6 4 2 O 8 6 4 2 一 u v z 、 蘧 挺 4 2 O 8 6 4 2 一 L u z 善 耀 中， 两者应相互考虑 。 空心率的增加空心板的承载力随之减 小 。 在空心率由 9 8 增至 2 2 0 5 时 ， 承载力减小较快 ， 超过 2 2 0 5 ， 减小缓慢 。 因此 ， 本研究建议设 计中采用空心率为 9 8 -2 2 0 5 。 参考文献 ： 【 1 】 程远兵 边支承大跨现浇混凝土蜂窝式空心双 向板 的试验研 究【 D 南京 ： 东南大学， 2 0 0 6 2 】H A S H I M M S ， e t a 1 R i g i d i t y a n d s t r e n g t h o f o r t h o t r o p i c r e i n f o r c e d c o n c r e t e w a f f l e s l a b s J o u r n o f s t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 3 】吴方伯， 王显都， 汪幼林 WF B密肋空心楼盖简介 c 中国工程 建设标准化协会混凝土结构专业委员会主编 全国现浇混凝土 空心楼盖结构技术交流会论文集 上海， 2 0 0 5 上接第 1 3 2页 日 山 、 魑 辖 它 石粉 含量 ( k g m ) ( a ) 70 65 6O 姜5 5 0 辖 4 5 4 o 焉 3 5 30 25 石粉 含量 ( k g m ) ( b ) l + M 1 0 I I + M I 5 1 J + M 2 0 J F J + M 1 0 J l +M1 5 I I - - M 2 0 1 石粉含 量 ( k g m ) f c ) 图 4 石粉含量对水泥砂浆不同龄期抗折强度影响 3结论 ( 1 ) 机制砂 中石粉具有吸水效应 、 形态效应 、 填充效应 和微晶核效应 ， 并且石粉 的填充效应在低强度等级砂浆 中 更明显。 ( 2 )机制砂水泥砂浆用水量随着石粉含量增大而增 加。 不同石粉含量下水泥砂浆标准稠度用水量可以由定义 l 4 I EL L I O T T G， C L AR K L A C i r c u l a r v o i d e d c o n c r e t e s l a b s t i ff n e s s J J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l Di v i s i o n， A S C E， 1 9 8 2 5 】程文溧 蜂窝式大跨空心双向板楼盖的设计研究【 J 1 建筑结构 ， 2 00 4 6 】张瀑， 鲁兆红 现浇双向空心楼板性能试验研究【 J I 四川建筑科 学研究 ， 2 0 0 5 【 7 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 1 0 ， 混凝士结构设计规范【 s J 8 】王新敏A N S Y S 工程结构数值分析 -MJ E 京： 人民交通出版社， 2 01 2 作者简介： 梁冰 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 联系地址： 湖南湘潭市湘潭大学( 4 1 1 1 0 5 ) 联 系 电话 ： 1 3 9 7 5 2 5 9 3 6 8 的水粉 比 和调节系数 n 计算 。 ( 3 ) 水泥砂浆 强度 等级越 高 ， 砂浆 质量密度 、 抗压 强 度 、 抗折强度越大 ， 石粉含量 的增加不改变此规律 。 ( 4 ) 石粉 的微 晶核 效应能加速水泥 的水化反应速度 ， 对于提高砂浆早期 的抗压 、 抗折强度更为有利 。 ( 5 ) 不 同强度 等级水 泥砂浆石 粉的最 佳含量并 不 相 同， 同一强度等级 的水泥砂浆不同龄期的最佳石粉含量也 并不相 同。 通过本试 验的研究 ， M5 、 M1 0 、 M1 5 砂 浆最佳石 粉含量为 1 0 M5 之间 ， M2 0 砂浆最佳石粉掺量为 1 5 2 0 之间。 参考文献： 【 1 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 1 1 ， 建设用砂 北京： 中国标准出版社， 2 0 1 1 【 2 】刘桂凤， 陈正发， 秦彦龙， 等 石粉部分替代水泥对机制砂干混 砂浆力学性能的影H 3 1 3 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 4 9 5 2 3 1 刘桂凤 ， 陈学星 ， 马建 机制砂中石粉部分替代水泥对干混砂浆 强度的影响研究l J 1 _混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 1 1 5 1 1 7 【 4 刘数华， 方坤河 石灰石粉和粉煤灰对干燥状态下砂浆性能的 影D NJ 水力发电， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 4 1 4 3 【 5 印志松， 周扬铭， 苏登成 石灰石粉对砂浆微观结构和力学性能 的影响 J J 水泥工程， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 2 1 6 一 【 6 刘大超， 杨晓艳， 马世洪， 等 石粉含量对预拌砂浆性能影响的 试验研究 J 1 西部交通科技 ， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 2 1 2 3 【 7 J G J T 7 0 2 o o 9 ， 建筑砂浆基本性能试验方法标准( s 】 _ E 京： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 9 8 】J G J T 9 8 2 0 1 0 ， 砌筑砂浆配合比设计规程【 s 】 E 京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 1 0 作者简介 联系地址 联系电话 赵顺波( 1 9 6 4 ) ， 男， 教授， 博士， 博士生导师， 主要从 事混凝土材料与结构研究。 郑州市北环路 3 6 号 华北水利水电大学土木与交通 学院( 4 5 0 0 1 1 ) 0 3 71 6 91 2 7 5 8 5 1 37 如 勰 加 H 毫、 熙辖 口n