现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的有限元分析.pdf

收稿日期:2006 - 10 - 25 基金项目:河北省教育厅基金资助(Z2006449) 作者简介:刘建明(1964 - ) ,男,副教授,博士研究生,主要从事结构工程研究. 文章编号:1671 - 2021(2007)04 - 0572 - 04 现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的有限元分析 刘建明,申星煜 (燕山大学建筑工程与力学学院,河北 秦皇岛066004) 摘 要:目的 分析竖向均布荷载作用下的现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的受力性能,计算其 开裂荷载和极限荷载.方法 应用ANSYS有限元软件对空心无梁楼盖进行了非线性有限元计 算,分析了加载过程中的变形特征和裂缝形成、 发展及在空心无梁楼盖上的分布规律.结果 给 出了空心无梁楼盖中点的荷载-挠度曲线图,开裂荷载为6. 4 kPa ,极限荷载为1 5kPa ;空心 无梁板的板厚宜为短跨长度的1/ 251/ 30 ,上下保护层厚度不小于50 mm;空心板管端净距 宜为管长的1/ 6 ,不应小于80 mm;暗扁梁的宽度宜为板跨的1/ 131/ 16 ,且不小于400 mm; 圆管直径可按构造设计,空心管管间净距不宜小于50 mm.结论 现浇钢筋混凝土空心无梁楼 盖具有整体性能好、 跨度大、 不突出梁、 增加房屋净空、 自重轻、 节约材料、 降低造价、 简化施工、 施工周期短等优点,是一种新型楼盖. 关键词:空心无梁楼盖;有限元分析;开裂荷载;极限荷载 中图分类号:TU375 文献标识码:A 现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖是在现浇钢筋 混凝土实心板中按一定规则放置一定直径的高强 薄壁管而形成的一种新型楼盖.与预制装配式楼 盖相比具有整体性能好、 跨度大的优点;与普通现 浇钢筋混凝土肋梁楼盖相比,具有不突出梁,增加 房屋净空、 简化施工的优点;与现浇钢筋混凝土实 心无梁楼盖相比,具有自重轻、 跨越能力强的优 点;与无黏结预应力现浇混凝土实心楼盖相比,具 有节约材料、 降低造价、 施工简便、 施工周期短等 优点.这种结构形式已在大空间的商场、 图书馆、 教学楼和大开间住宅等多高层建筑中得到了广泛 的应用.笔者利用ANSYS有限元软件,分析了现 浇钢筋混凝土空心无梁楼盖在竖向均布荷载作用 下的裂缝和挠度变化规律,得到了其开裂荷载和 极限荷载. 1 模型的建立 根据工程实例建立符合实际尺寸的无梁空心 板模型,柱网为7. 5 m7. 5 m ,柱高3. 5 m ,柱子 的截面尺寸为400 mm400 mm.空心板的厚度 为250 mm ,管径为150 mm ,上下保护层厚度为 50 mm.空心板内共布置5排薄壁管,每排32根, 每根管长1 150 mm ,管端净距为150 mm ,管间净 距为50 mm ,空心板的四周实心部分作为空心板 的暗扁梁.如图1所示. 图1 无梁空心板示意图 2 0 0 7年0 7月 第23卷 第4期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) Jul.2007 Vol123 , No14 2 计算结果及分析 Solid 65单元能较好地模拟混凝土的力学性 能,因此,笔者采用整体式的Solid 65单元对空心 无梁板进行弹塑性计算.采用C30混凝土,弹性 模量E= 3. 0010 GPa ,泊松比 = 0. 167 ,密度 = 2 500 kg/ m3;采用HRB 335级钢筋,弹性模 量E= 2. 06100 GPa ,泊松比= 0. 3.混凝土采 用5折线的应力应变关系曲线1,钢筋采用两直 线的应力应变关系曲线. 2. 1 开裂荷载和极限荷载 图2所示为分级加载空心板中心点荷载与挠 度的关系曲线. 图2 空心板中点荷载处挠度曲线 从图2中可看出:当荷载 6. 4 kPa时,结构 各点的竖向位移和荷载呈线性关系,结构处于弹 性状态;当总荷载达到6. 4 kPa ,板在柱端出现了 第一条裂缝,之后随荷载的增加,裂缝开始不断地 出现和发展,与此同时,暗扁梁也出现裂缝,结构 抗弯刚度下降明显.当总荷载达到15 kPa时,楼 板的裂缝和挠度急剧增加,进入破坏阶段.因此空 心板的开裂荷载为6. 4 kPa ,极限荷载为15 kPa. 2. 2 受力性能分析 图3 图4分别为空心板开裂荷载与极限承 载力的挠度图. 从图3和图4可以看出:空心板的弯曲变形 在整个受力过程中呈 “拉网状”.开裂荷载和极限 荷载的挠度等值线分布很相似,空心板在竖向荷 载作用下,板依然呈现双向受力的特性.空心板的 两向挠度略有不同,顺孔方向的挠度比垂直孔方 向的挠度小一些,因为顺孔方向的刚度比垂直孔 方向的刚度略大2. 图3 开裂荷载时空心板的挠度图 图4 极限承载力时空心板的挠度图 从板在柱端出现第一条裂缝开始,构件就进 入了裂缝阶段.随着荷载的增加,在板的跨中底 部、 暗扁梁跨中底部均出现了裂缝,裂缝不断发 展,进入破坏阶段以后,板底出现了大量的纵横交 错的裂缝,裂缝分布比较均匀,两个方向上的裂缝 分布基本相同.这说明虽然板内圆管分布的单向 性造成板的各向异性,但是由于板的两个方向的 刚度差异不是太大,所以板的两个方向上的弯矩 差异也不大,与板底裂缝相比,板顶的裂缝较少, 集中在柱边. 3 开裂荷载和极限荷载的影响因素 3. 1 管端净距 在保证X向暗扁梁宽度不变的前提下,首先 改变管端净距,相应的管长也随着变化.管端净距 对板的开裂荷载和极限荷载的影响程度如表1所 示. 从表1可以看出:改变管端净距对开裂荷载 的影响不大,但是对极限荷载有一定的影响.管端 净距减小,其所起到的密肋作用减小;管端净距增 大,楼板的自重增大,因此,承载力存在最优值.当 第23卷刘建明等:现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的有限元分析573 管端净距为190 mm时,开裂荷载和极限承载力 均达到最大值,尤其是极限承载力呈现较明显的 递变规律.因此,管端净距为190 mm时为较合理 的尺寸,约为管长的1/ 6. 表1 改变管端净距引起板的性能指标变化 管端净距/ mm开裂荷载/ kPa极限荷载/ kPa 1006. 3916. 96 1206. 4116. 94 1506. 4015. 00 1706. 4714. 92 1906. 6417. 13 2106. 5215. 69 2306. 5415. 44 2506. 4915. 03 3. 2Y向暗扁梁宽度 改变Y向暗扁梁宽度,其对开裂荷载和极限 荷载的影响程度如表2所示. 表2 改变Y向暗扁梁宽度引起板的性能指标变化 暗扁梁宽/ mm开裂荷载/ kPa极限荷载/ kPa 3756. 3213. 51 4756. 3613. 57 5756. 4015. 00 6756. 3813. 65 7756. 3513. 10 8756. 5915. 86 从表2可以看出:Y向暗扁梁的变化对空心 板的开裂荷载影响不大,对极限承载力有一定的 影响.暗扁梁宽度减小,对楼板的支撑作用降低; 暗扁梁宽度增大,增加了空心板的自重,因此,暗 扁梁宽度也存在最优值.梁宽为575 mm时出现 了一个转折点,到达875 mm时,两者又变大但 是暗扁梁太宽,空心率不能保证.因此,梁宽为 575 mm是比较合理的尺寸,约为板跨的1/ 13. 3. 3X向暗扁梁宽度 改变X向暗扁梁宽度,其对开裂荷载和极限 荷载的影响程度如表3所示. 从表3可以看出:改变X向暗变梁的宽度, 对空心板的开裂荷载影响不大,对极限荷载有一 定的影响.梁宽为475 mm时出现了一个转折点, 梁宽875 mm时板的开裂荷载和极限承载力均为 最大,与Y向暗变梁相似.同样暗扁梁太宽,会影 响板的空心率,因此,不是合理的尺寸.梁宽475 mm时,板的开裂荷载和极限承载力均达到最大, 应该是比较合理的尺寸,约为板跨的1/ 16.顺管 方向的刚度比垂直管方向略大,因此相应的X向 暗扁梁宽度最优值比Y向的小. 表3 改变X向暗扁梁宽度空心板的性能指标 暗扁梁宽/ mm开裂荷载/ kPa极限荷载/ kPa 3756. 3112. 88 4756. 4316. 69 5756. 4015. 00 6756. 3714. 10 7756. 3815. 67 8756. 6719. 08 3. 4 管径 在保证Y向暗扁梁宽度不变的情况下,改变 管径的大小,同时相应地改变管间净距的大小,其 对板的开裂荷载和极限承载力的影响程度如表4 所示. 表4 改变管径大小空心板的性能指标 圆管直径/ mm开裂荷载/ kPa极限荷载/ kPa 1106. 4114. 75 1206 4415. 21 1306. 4615. 68 1406. 5014. 89 1506. 4015. 00 1606. 4514. 55 从表4可以看出:改变圆管直径的同时改变 管间净距,对空心板的开裂荷载和极限承载力的 影响不大.因为板厚是一定的,同时为了满足保护 层厚度的需要,空心管边缘距板的上下边至少要 有50 mm3,所以此处可按构造来设计管的直径 大小. 4 结 论 由弹塑性有限元分析结果可知,竖向均布荷 载作用下,无梁空心板的孔道单向性并没有改变 其双向受弯的性质,考虑到板的受力特性,得如下 结论: (1)空心无梁板的板厚宜为短跨长度的1/ 25 1/ 30 ,上下保护层厚度不小于50 mm; (2)空心板管端净距宜为管长的1/ 6 ,同时不 应小于80 mm; 574沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第23卷 (3)暗扁梁对无梁空心板有一定的支撑作用, 暗扁梁的宽度宜为板跨的1/ 131/ 16 ,且不小于 400 mm; (4)空心管管间净距不宜小于50 mm ,圆管 直径可按构造设计; (5)对于多跨的空心无梁板,为了考虑板的双 向性,可调整板孔的方向,使相邻柱网的空心管位 置互相垂直,即进行棋盘式布置,这样更有利于板 的受力. 参考文献: 1 程文,康谷贻.混凝土结构M.北京:中国建筑工 业出版社,2001. 2 陈静茹,熊火清,彭少民.现浇钢筋混凝土空心无梁 楼盖设计弯矩分析J .武汉理工大学学报,2002 ,24 (7) :24 - 26. 3 程文,江韩,高仲学,等.圆管式无柱帽空心无梁 楼盖的试验研究J .建筑结构学报,2004 ,25(5) :78 - 84. 4 江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析M.西 安:陕西科学技术出版社,1994. 5 过镇海.钢筋混凝土原理M.北京:清华大学出版 社,1999. 6Nilsson A H. Nonlinear analysis of reinforced concrete by the finite element methodJ . ACI Journal ,1968 65 :252 - 258. 7Sargin M. Stress - strain relationship for concrete anal2 ysis of structural concrete section C. Canada Study No. 4 ,Solid Mechanics Division ,University of Water2 loo ,Ontario ,Canada 1971. 8Unnikrishna S. Pillai. Ultimate strength of cellular flat plateJ .Journal of the Structural Division ,19974 ,100 (5) :1162 - 1168. 9Corley W G,Jirsa J O. Equivalent Frame Analysis for Slab Design J . ACI Journal ,1970 ,67 (10) : 875 - 884. The Non2Linear Analysis of Cast2in2Place RC Hollow Flat Slab L IU Jianming , S HEN Xingyu (Civil Engineering and Mechanics Institute ,Yanshan University ,Qinhuangdao 066004 ,China) Abstract :Based on the elastic and plastic analysis ,the crack load and ultimate load of cast2in2place RC hol2 low flat slab subjected to vertical uniformly distributed load are given. The deformation character and deflec2 tion distribution of the slab are analyzed. The deformation ,development and destroy modes of cracks are also described. The load2deflection curve of the hollow flat slabs midpoint is received ,and the deflection chang2 ing law of the slab is presented. Changing the distance of tube end ,the width of hidden girder and the diam2 eter of tube ,it can be found that the distance of tube end should be 1/ 6 of the tube length and not be less than 80mm ,the clearance width should not be less than 50mm ,and the width of hidden girder should be be2 tween 1/ 131/ 16 of the width of the span. Some suggestions are advanced. Key words :cast2in2place RC hollow flat slab;the finite element analysis;crack load;ultimate load 第23卷刘建明等:现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的有限元分析575