铰接梁端混凝土楼板开裂性能的有限元分析.pdf

浙 江建 筑 ， 第 3 0卷 ， 第 1 1期 ， 2 0 1 3年 1 1月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ， V o 1 3 0 ，N o 1 1 ，N o v 2 0 1 3 铰接梁端 混凝 土楼板 开裂性 能的有 限元分析 F i n it e Ele me n t An a l y s i s o n Cr a c k i n g Re s i s t a n c e o f Co n c r e t e F lo o r wi t h Hi n g e d B e a m 赵 滇 生 ， 蒋 沛伶 ZH A0 Di a n s h e n gj l A NG P e i l i n g ( 浙 江工业大学建筑工程学 院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 基 于组合 梁模 型的数值模 拟， 通过对正常使用 阶段铰接梁端的受力性能进行分析， 进 一步确定 了混凝 土等级 、 混凝 土 板厚度 、 栓钉间距及配筋率等影 响因素的相对重要性 。可作为组合梁框架结构楼板的抗裂设计 之参考 。 关键词 ： 组 合梁 ； 铰接梁 端； 开裂 ； 数值模拟 中图分类号 ： T U 3 7 5 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 1 3 0 4 在 钢 梁 混 凝 土 板 楼 盖 结 构 中 ， 常 将 次 梁 设 计 成 为多跨简支梁 。这是 因为简支组合梁理论 上只 受到正弯矩 的作用 ， 截 面 中的混凝 土能充 分发 挥 其 抗 压 能力 ， 组 合 梁 承 载 力 高 ， 刚 度 也 大 。但 是 实 际上任何铰接 都存在 一定 的约束 ， 都 能传 递一 定 的弯 矩 ， 从 而 存 在 负 弯 矩 区 。该 处 混 凝 土 裂 缝 的 产 生 和 发 展 如 果 得 不 到 有 效 控 制 ， 就 会 影 响 到 组 合梁的正常使用 。本文基于组合梁模 型 的数值模 拟 ， 分析 正 常 使 用 阶 段 有 关 因 素 对 铰 接 梁 端 的 受 力 性 能 的 影 响 ， 以便 为 组 合 梁 楼 板 的抗 裂 设 计 提 供 参 考 。 1 有 限元模型 的建立 1 1几 何 模 型描 述 分 析模 型 为主次 梁 的节 点 区 ， 计 算 简 图见 图 1 。 楼 板 与钢梁 采用 双排 圆柱 头栓 钉连接 。主次梁 节点 及 钢梁 栓钉 布置 详 图见 图 2 。 一 一一圭 粱 In 1 一 1 ： n 次梁； I C L I ： 乱 ! I 7 6 0 0 a 7 6 0 0 一 图 1 计 算简图 图 2 主次 梁的节点详图和钢梁栓钉布置详图 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 52 7 作者简介 ： 赵滇生 ( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 浙江义乌人 ， 副教授 ， 研究 方向为钢结构 和空 间结构 。 第 1 1期 赵滇生等： 铰接梁端混凝土楼板开裂性能的有限元幻 祈 1 5 占 mm 图 6荷载 一挠度 曲线 开裂荷载、 荷载位 移 曲线 ， 见 图 7 ( a ) 。其 中 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5的三个计 算模型的开裂荷 载分别 为2 1 0 、 2 1 8 、 2 2 4 k N m ； 极 限荷载分别为 2 6 0 、 2 7 0 、 2 7 6 k N m 。 3 O 2 5 2 O 1 5 l O 5 0 占 mm ( a ) 混凝土强度等级影响 ( b ) 混凝土厚度影响 图 7计算模型 的荷载 一挠度 曲线 由图 7 ( a ) 可见 ， 随着混凝土强度的提高 ， 组合 梁 的开 裂 荷 载 和 极 限 承 载 力 有 所 提 高 ， 但 是 提 高 的速 度 并 不 快 。 在 实 际 工 程 利 用 中 ， 也 偏 向研 究 在正常使 用阶段 的裂缝开展 ， 由图 7( a ) 中可 以看 出均 布 荷 载在 达 到 7 k N m 之 前 ， 不 同混 凝 土等 级 的荷载位移 曲线很 接近。可见 ， 混 凝土 强度 等级 对组合梁梁端楼 板 的抗 裂性 能的影 响较小 ， 故 在 实际工程 中 ， 不应 以提高混凝 土 强度来减 缓 负弯 矩 区的裂 缝 开 展 。 2 3 混 凝 土板厚 度对 开裂 性能 的影 响 取 混凝 土板 厚 度 分 别 为 8 0 、 1 0 0 、 1 2 0 m m， 建 立 三个 计算 模 型进行 数 值 模 拟 ， 得 到 在 均 布荷 载 作 用 下 的开 裂荷载 和荷 载位 移 曲线 。有 限元 计算 的开裂 荷 载分别 为 1 9 、 2 1 、 2 4 k N m ； 极 限 荷 载 分 别 为 2 4 0 、 2 6 0 、 2 9 8 k N m 。具体见 图 7 ( b ) 。 从 图 7 ( b ) 可 知 ： 组 合 梁 的 开 裂 荷 载 和 极 限 承 载 力 随着 混 凝 土板 厚 度 的 增 大 而 提 高 。这 是 因 为 增 加混 凝 土 板 的厚 度 即可 增 大 混 凝 土 的 截 面 ， 中 和轴 向混 凝 土 板 上 表 面 移 动 ， 使 下 表 面 拉 应 力 下 降 ， 抑 制 了 混 凝 土 横 向 裂 缝 的 发 展 。 与 混 凝 土 强 度 等级 比较 ， 增 大 混 凝 土 厚 度 对 承 载 力 的影 响 更 大 ， 控 制 横 向 裂 缝 的 发 展 更 为 有 效 。但 是 考 虑 到 混凝 土 的 自重 比较 大 ， 加 大 厚 度 未 必 适 用 于 实 际 工程 ， 所 以 对 于 控 制 裂 缝 开 展 的 方 法 不 能 仅 限 于此 。 2 4栓钉 间距 对开 裂性 能的影 响 抗 剪 连接 件 的种类 、 数量 及 排 列方 式 会 对组 合 梁 的组 合作 用产 生一 定影 响 。连接件 的间距增 大 即 连 接件 的数 量减 少 可 以 降低 组 合 作用 ， 减 少 铰接 梁 端转动时对混凝土板的约束程度 ， 从而降低裂缝发 生 的可 能性 。 栓钉间距分别 为 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0 、 4 0 0 m m 四个计算模 型得到的开裂荷载分别为 2 2 、 2 1 、 2 0 、 1 9 5 k N m ； 极 限荷 载 分别 为 2 9 0 、 2 7 7 、 2 6 4 、 2 5 7 k N m 。具 体 各荷载 一位移 曲线见图 8 ， 承载力变化见图 9 。 比较 不 同 栓 钉 间 距 的 开 裂 荷 载 和 荷 载 位 移 曲线 ， 可 发 现 随 着 栓 钉 间 距 的 加 密 ， 开 裂 荷 载 和 极限荷载呈非线 性提 高 ( 图 9) 。值得 注意 的是 ， 栓钉间距越小 ， 裂缝 越集 中。这是 由于栓钉 处 的 混 凝 土 应 力 集 中 导 致 楼 板 易 开 裂 。 所 以栓 钉 间 距 不 宜 过 大 也 不 宜 过 小 。综 合 考 虑 承 载 力 、 开 裂 荷 载 和 裂 缝 分 布 ， 将 栓 钉 间距 控 制 在 2 0 0 mm 最 为合 适 。 5 O 5 O 时d= 1 6 浙江建筑 2 0 1 3年第 3 0卷 耋 2 9 28 2 7 2 6 2 5 8 mm 图 8不同栓钉 间距 的荷载 一位移 曲线 间p mm 图 9承载力随栓钉问距的变化 2 5 混凝 土板 配筋率 对开 裂性 能的影响 配筋率 是影 响钢筋 混凝 土构件裂 缝 开展 的主要 因素 ， 考虑 的参数 分 别是 横 向配 筋率 和纵 向配筋 率 两种 。文献 5 的结 果 表 明横 向配 筋 率 的提 高对 极 限承 载力 和变形 能力几 乎无 影响 。所 以本文方 案 中 4种 配筋 率 都 是 对 纵 向 配 筋 率 的改 变 。 图 1 0为 4 种配 筋率 的荷 载 一挠度 曲线 。 4种配筋率下 的计 算模 型的开裂荷 载分别 为 2 0 4、 2 1 0 、 2 2 0 、 2 2 5 k N m ， 其 中当纵 向配筋率 为零 时 ， 由于 混 凝 土 模 型 的 离 散 型 ， 开 裂 较 突 然 ， 开 裂 荷 载 误 差 较 大 。极 限 荷 载 值 分 别 为 2 4 0 、 27 0、 3 3 0、 3 8 3 k N m 。 可见 ， 随着 板 配筋 率 提高 ， 组合 梁 的混 凝 土 板 开 裂 荷 载 和极 限 承 载 力 不 断 提 高 ， 延 性 也 明显 增 加 。 当 配筋 率 为 0 0 0 0 时 ， 其 开 裂 和 破 坏 特 征 与 少 筋 梁 相 类 似 ， 但 由 于 具 有 良好 延 性 的 钢 梁 4 O 3 5 3 0 2 5 一 室2 0 1 5 l 0 5 O 0 3 O 6 0 9 0 1 20 l 5 0 1 8 0 m m 图 l O不同板配筋率 的荷载 一位移 曲线 参 与 工作 ， 整 个 梁 并 不 呈 现 脆 性 破 坏 特 征 。 当 配 筋率为 1 5 0 8 时 ， 荷载 位移 曲线 出现 明显 的加 强 段 。 对于 组 合梁 ， 仅 仅 用配 筋 率 反 映裂缝 的变 化是 不够 的 ， 因为组合 梁 的另一 个重要 组成 部分是 钢梁 ， 所配 的钢 筋数量 与 相对 应 的钢 梁 密切 相 关 ， 即力 比 参数 R的大 小 对 梁 端 负 弯 矩 区 混凝 土 翼 缘 的 裂 缝 的发展有 显 著 影 响 ( R=A Z A ) 。4种 配 筋 率 下 力 比 尺分 别 为 0 、 0 1 5 、 0 3 2 、 0 4 6 。进 一 步 分 析 极 限荷载与力比的关系， 具体见 图 1 1 。可见随着力 比 的提高 ， 极 限荷 载 随之线性 增长 。 4 0 3 5 3 O 一 耋 2 5 2 0 1 5 l O 图 1 1 承载力 随力 比 R的变化 o 4 o 5 3 结 语 通过 有 限元软件 对 主次梁 节点 区 的模 型在 不 同 参 量下 加载模 拟分 析对 比， 可 以得 到 以下结论 ： ( 下转 第 2 0页)