對于空心樓板性能分析

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一、引言

　　無梁樓蓋體系是近年來發(fā)展較快的一項建筑結(jié)構(gòu)新技術(shù)，也叫板柱結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的梁板結(jié)構(gòu)體系相比，它有整體性好，建筑空間大，可有效地增加層高等優(yōu)點。采用無梁樓蓋體系的建筑物，其地震效應(yīng)也明顯小于層高較大的梁板結(jié)構(gòu)體系的建筑物。在施工方面，無梁樓蓋具有施工支模簡便，鋼筋綁扎及管線安裝方便，提高施工速度。因此，在大跨度，大空間這類特殊要求的結(jié)構(gòu)，采用無梁樓蓋具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。特別是箱型樓蓋，更具有優(yōu)勢。在此，主要目的是針對普通無梁樓蓋的受力性態(tài)，分析改良其性能的辦法和途徑。給出一般實心無梁樓蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并采用ANSYS對其建模，分析其力學(xué)性能特點，得出一些結(jié)論，以便今后的研究發(fā)展方向。

　　二、無梁樓蓋結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

　　無梁樓蓋目前有實心和空心之分，空心的性能較實心好，加預(yù)應(yīng)力效果更好。因跨度一般比較大，此種板較一般普通板厚些。可沿縱橫雙向布置暗梁，以提高鋼筋和混凝土的相互作用效果。板在邊梁上部配負(fù)筋，彎錨入混凝土暗梁或通長；在板底配通長鋼筋。上部負(fù)彎矩鋼筋和下部受力筋均按照彎矩計算配設(shè)，板厚按剪力計算配設(shè)。也可用一些暗梁將板分成若干塊，板和暗梁共同構(gòu)成無梁樓蓋。本文為了建模分析方便，采用配筋率反映結(jié)構(gòu)的配筋量。平面為10200mm×10200mm雙向板，厚300mm，分三層，上下配筋率均為0.01；其周圍為寬200墻或梁，作為剛性體處理。

　　三、力學(xué)性能分析

　　板有混凝土和鋼筋兩種不同的材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)主要利用混凝土的抗壓強度好和鋼筋的抗拉強度好這一特點，主要讓混凝土承擔(dān)壓力，鋼筋承擔(dān)拉力。將鋼筋和混凝土材料性質(zhì)試驗所測定的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用與構(gòu)件，不考慮鋼筋和混凝土的相互影響、加載速度和持續(xù)時間等的變化，忽略混凝土收縮、徐變、溫濕度變化引起的內(nèi)應(yīng)力和變形狀態(tài)。板在均布豎向荷載作用下，中部彎矩較大，在縱橫兩個方向都將彎曲，撓度大；端部剪力較大，截面上部存在拉應(yīng)力；這些是影響無梁樓蓋板承載力的主要考慮因素。在彈性階段，中部底板存在拉應(yīng)力，頂板沿邊緣存在拉應(yīng)力；在塑性階段，中部底板出現(xiàn)沿塑性鉸的裂縫，頂板沿邊緣塑性鉸出現(xiàn)裂縫；考慮到這種力學(xué)性能，板的設(shè)計中，鋼筋布置主要沿拉應(yīng)力方向，發(fā)揮材料的性能。

　　四、ANSYS程序建模

　　鋼筋混凝土的有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方式主要分為：分離式、組合式、整體式三種方式。三種模式在計算機性能要求、運用范圍各有特點，三種模式特點如下：

　　分離式模型：把鋼筋和混凝土作為不同的單元來處理，即混凝土和鋼筋各自劃分為足夠小的單元，兩者的剛度矩陣是分開來求解的，考略到鋼筋是一種細(xì)長材料，通?？梢院雎云錂M向抗剪強度，把鋼筋作為線單元處理。鋼筋和混凝土之間可以插入粘結(jié)單元來模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移。一般鋼筋混凝土是存在裂縫的，而開裂必然導(dǎo)致鋼筋和混凝土變形的不協(xié)調(diào)，發(fā)生粘結(jié)失效和滑移。

　　組合式模型：組合式模型又分兩種，一種是分層組合式，在橫截面上分成許多混凝土層和若干鋼筋層，并對應(yīng)變作出某些假設(shè)；另一種是采用帶鋼筋的等參單元。

　　整體式模型：將鋼筋分布于整個單元中，假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好，并把單元視為連續(xù)均勻材料，他一次求得綜合矩陣。

　　考慮到模型單元數(shù)量過多，對硬件要求過高，采用整體式模型比較適合解決此問題。

　　本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則：混凝土的本構(gòu)關(guān)系就是表示在各種外載作用下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變的響應(yīng)關(guān)系。假設(shè)材料是連續(xù)介質(zhì)，結(jié)合混凝土的力學(xué)特性，確定所需的材料參數(shù)。本構(gòu)關(guān)系分為：線性彈性，非線性彈性，彈塑性。線性彈性理論認(rèn)為材料服從胡克定律；非線性彈性有一一對應(yīng)的關(guān)系，但應(yīng)力和應(yīng)變不成比例關(guān)系；彈塑性理論不存在一一對應(yīng)和線形關(guān)系。破壞準(zhǔn)測是在試驗的基礎(chǔ)上，考慮到混凝土的特點而求出來的，又單軸，雙軸和三軸強度理論。

　　混凝土采用SOLID65單元，此種單元可定義三種不同的加固材料，加固材料采用鋼筋，也可同時考慮碳纖維，鑒于為分析未加碳纖維結(jié)構(gòu)，不加碳纖維。SOLID65單元具有線性行為和非線性行為，能預(yù)測彈性行為，開裂行為和壓碎行為。開裂模擬是通過修正應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，引入垂直于裂縫表面方向上的一個缺陷平面來表示在某個積分點上出現(xiàn)了裂縫。當(dāng)裂縫張開時，后繼荷載產(chǎn)生了在裂縫表面的滑動或剪切時，引于一個剪切力傳遞系數(shù)來模擬剪切力的損失。如果裂縫時閉合的，那么所有垂直于裂縫面的壓應(yīng)力都傳遞到裂縫上，但剪切力傳遞原來的一部分。壓碎意味著結(jié)構(gòu)完整性的完全退化，當(dāng)出現(xiàn)壓碎情況時，材料強度已經(jīng)退化到積分點上對單元剛度矩陣的貢獻完全可以忽略了的地步，此結(jié)構(gòu)不考慮混凝土壓碎。

　　材料性質(zhì)：

　　混凝土彈性模量：E=24000Mpa，軸心抗壓強度fc=14.3，泊松比v=0.2，單軸抗拉強度ft=3.1125Mpa，鋼筋采用雙線性隨動硬化材料，E=2e5Mpa，v=0.25，σ0.2=360Mpa，硬化斜率20000，配筋率為0.01，沿長寬兩方向布置。支座增加鋼性墊片?？紤]彈性變形和彈塑性變形。

　　五、建模步驟

　　打開ANSYS10.0，按照如下步驟建立模型。

　?、欧治鲱愋蜑榻Y(jié)構(gòu)分析；

　?、贫xSolid65為1號單元，Solid45單元為2號單元（用于鋼性墊片），選擇ingtegrationpts；

　?、嵌x實常數(shù)：mat1=2,Vr1=0.01，theta1=90,phil=0;mat2=2,Vr2=0.01,theta2=0,phil2=0

　?、榷x材料屬性（鋼筋和砼的彈性模量和泊松比）；

　　六、網(wǎng)格劃分

　　采用自由劃分，劃分混凝土網(wǎng)格及墊片網(wǎng)格。設(shè)定單元對應(yīng)的材料單元類型。合并、壓縮重復(fù)接點和單元，將墊片和板合并；

　　七、加載、求解

　　邊界條件，將支座鋼性墊片上側(cè)面所有自由度約束。施加15KN/m2荷載，設(shè)置分析選項，打開大變形開關(guān)。選擇所有元素，求解。

　　八、計算結(jié)果及分析

　　第一主應(yīng)力等值線分布：上下，左右對稱，原因是由于在選擇邊界條件時露選左右剛性墊片的原因，造成結(jié)構(gòu)形式為單跨形式。主應(yīng)力沿剛性墊片的邊緣。

　　裂紋分布情況：裂紋分布也是對稱的，主要在分布在板的中部，四個角部無宏觀裂紋，這些部位正是彎矩較大的地方。

　　鋼筋平均等效應(yīng)力：鋼筋的平均等效應(yīng)力也是中部大，邊緣小，說明在應(yīng)力較大的地方配置鋼筋是有利的，在應(yīng)力較小的地方，不能充分發(fā)揮鋼筋抗拉強度大的優(yōu)勢。

　　板的變形：板的撓度是中部大，四邊為零。

　　九、結(jié)語

　　空心樓蓋中部撓度和應(yīng)力很大，沿四邊頂部和中部底板出現(xiàn)裂縫積分點開裂狀態(tài)；在這些易開裂的部位施加預(yù)應(yīng)力是控制裂縫最好的辦法。

　　參考文獻：

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　　[4]過鎮(zhèn)海時旭東編著《鋼筋混凝土原理和分析》。