預(yù)應(yīng)力鋼——混凝土組合雙向樓板的非線性有限元分析

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簡介： 本文利用非線性有限元方法，對預(yù)應(yīng)力鋼－混凝土組合單向樓板和雙向樓板進(jìn)行了空間受力全過程分析，并通過改變預(yù)應(yīng)力筋配置進(jìn)行了參數(shù)討論。分析結(jié)果說明，相對于鋼－混凝土組合單向樓板，組合雙向樓板的承載力可以提高133％，剛度可以提高66％。而施加預(yù)應(yīng)力后，承載力還可以繼續(xù)提高。鋼－混凝土組合雙向樓板是一種非常有前途的結(jié)構(gòu)形式。
關(guān)鍵字：組合結(jié)構(gòu) 雙向樓板 預(yù)應(yīng)力 非線性有限元

1、引言

　　鋼－混凝土組合梁具有承載力高、延性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，如在組合梁上施加預(yù)應(yīng)力，則可以進(jìn)一步提高其承載力和剛度。在樓板體系中，考慮空間相互作用的普通雙向樓板和井字樓蓋比單向樓板有更大的承載力和剛度。因此，將組合梁在平面交叉組成雙向樓板體系，使兩個方向的組合梁在空間共同作用，并適當(dāng)配置預(yù)應(yīng)力筋，則其承載力還可以得到大幅度的提高，本文通過非線性有限元分析來證明這一點(diǎn)。

　　2、鋼－混凝土組合梁有限元類型及相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系

　　2.1 有限元類型

　　本次分析采用以下幾種單元形式

　?。?）        混凝土單元

　　混凝土采用文獻(xiàn)[2]中提出的整體式混凝土8結(jié)點(diǎn)六面體有限元模型。在整體式混凝土8結(jié)點(diǎn)六面體有限元模型中，將鋼筋分布于整個單元中，并把單元視為連續(xù)均勻材料，一次求得綜合的單元剛度矩陣。其具體表達(dá)式為：

　　                               (1)

　　                             (2)

　　       這里為砼的應(yīng)力應(yīng)變矩陣，在開裂前可按一般均質(zhì)體計算。

　　分布鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣可按下式求得：

　　                     (3)

　　 為鋼筋彈性模量，, ,  為沿x, y, z.方向的配筋率。

　　當(dāng)混凝土開裂后則混凝土單元使用分布裂縫模型。

　　（2）型鋼單元

　　型鋼采用四結(jié)點(diǎn)空間中厚板單元。

　　（3）預(yù)應(yīng)力鋼筋單元

　　預(yù)應(yīng)力鋼筋采用二結(jié)點(diǎn)空間桿單元。

　?。?）栓釘單元

　　       栓釘單元采用空間二結(jié)點(diǎn)彈簧單元。

　　2.2 本構(gòu)關(guān)系

　　       對不同材料采用不同的本構(gòu)關(guān)系。

　　（1）混凝土本構(gòu)關(guān)系

　　混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用過鎮(zhèn)海[3]建議公式

　　這里, ，、分別為混凝土峰值應(yīng)力、應(yīng)變。公式中各參數(shù)取值為：上升段參數(shù)a=2.0，下降段參數(shù)a=0.8，峰值應(yīng)變e0=0.002。

　　混凝土的破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnker的五參數(shù)模型，由于公式復(fù)雜，在此省略，詳見文獻(xiàn)[2][4]。

　　（2）鋼材本構(gòu)關(guān)系

　　鋼材采用二折線彈塑性強(qiáng)化模型[3][5]，強(qiáng)化模量Es’=0.01Es，Es為鋼材初始彈性模量。

　?。?）栓釘本構(gòu)關(guān)系

　　栓釘?shù)妮S向剛度為，剪切－滑移關(guān)系[6][7]為，這里，為栓釘彈模，為栓釘截面積，為栓釘長度，為滑移量，，為混凝土的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，為栓釘強(qiáng)度。

　　2.3 非線性分析方法及收斂準(zhǔn)則

　　       采用逐步增加荷載直至有限元模型失效的方法進(jìn)行非線性分析?？紤]到后期模型進(jìn)入塑性段后，切線剛度較小，因此，采用位移控制法作為收斂標(biāo)準(zhǔn)[8]。即當(dāng)?shù)嬎愕玫降奈灰普`差小于模型最大位移的5％的時候，就認(rèn)為計算已經(jīng)收斂。如果迭代計算超過25次仍不收斂，則將加載步長折半，如重復(fù)折半超過1000次仍不收斂，則認(rèn)為已產(chǎn)生很大的塑性變形而達(dá)到極限破壞狀態(tài)，計算結(jié)束。

　　3、鋼－混凝土組合雙向樓板有限元模型

　　選取了兩個四角點(diǎn)支撐鋼－混凝土組合樓板算例，受均布樓面荷載作用。鋼梁平面布置分別如圖1，圖2所示，預(yù)應(yīng)力筋為三折線布置。樓板其他結(jié)構(gòu)參數(shù)參見表1：

　　表1 樓板結(jié)構(gòu)參數(shù)

樓板編號跨度（m）混凝土層厚度（mm）混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）混凝土彈性模量（GPa）型鋼型號S-a4×4903434I 20aS-b10×102003434I 50a樓板編號型鋼屈服強(qiáng)度（MPa）鋼材彈性模量（GPa）預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力筋屈服強(qiáng)度（MPa）栓釘S-a3302007Φ516872Φ16@120S-b33020012Φ516872Φ16@120

　　為了進(jìn)行比較討論，共設(shè)定了以下五種鋼梁和預(yù)應(yīng)力筋布置方式：

　　1：鋼梁交叉布置（交點(diǎn)均為剛接），在每根鋼梁上張拉預(yù)應(yīng)力（簡稱雙向全預(yù)應(yīng)力）

　　2：鋼梁交叉布置（交點(diǎn)均為剛接），只在圈梁上張拉預(yù)應(yīng)力（簡稱雙向部分預(yù)應(yīng)力）

　　3：鋼梁交叉布置（交點(diǎn)均為剛接），無預(yù)應(yīng)力（簡稱雙向無預(yù)應(yīng)力）

　　4：鋼梁單向布置，即沒有圖中虛線表示的鋼梁，在圈梁上張拉預(yù)應(yīng)力（簡稱單向部分預(yù)應(yīng)力）      

　　5：鋼梁單向布置，即沒有圖中虛線表示的鋼梁，無預(yù)應(yīng)力（簡稱單向無預(yù)應(yīng)力）

圖2、S-b 樓板鋼梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋布置（m）

　　3.1 荷載位移關(guān)系

　　計算得到各布置方式相對與單向無預(yù)應(yīng)力方案的剛度和承載力提高量參見表2。其中樓板S-a在各種不同布置方案情況下的荷載－位移曲線如圖3所示。

　　從S-a計算結(jié)果對比我們可以看出，將普通的單向鋼－混凝土組合樓板改為雙向布置鋼梁后，雖然只增加了兩根鋼梁，用鋼量只增加了25％，但其承載力和剛度都得到很大提高，且由于雙向布置使得構(gòu)件空間受力，承載力提高幅度更大，提高了超過了一倍。從結(jié)果對比我們還可以看出，圈梁剛度和強(qiáng)度對雙向組合樓板影響非常大。通過在圈梁上張拉預(yù)應(yīng)力的方法，可以使雙向組合樓板的承載力再提高50％。而中央各分布井字鋼梁，張拉預(yù)應(yīng)力對強(qiáng)度和承載力提高貢獻(xiàn)不大。對于樓板S-b也有相似結(jié)論，而且，由于S-b跨度大、鋼梁多，空間作用更加顯著，效果也相應(yīng)的更好一些。

　　表2、相對提高系數(shù)

布置方案S-aS-b相對剛度相對承載力相對剛度相對承載力雙向全預(yù)應(yīng)力1.833.341.873.71雙向部分預(yù)應(yīng)力1.833.221.873.56雙向無預(yù)應(yīng)力1.662.331.712.45單向部分預(yù)應(yīng)力1.011.911.012.08單向無預(yù)應(yīng)力1.01.01.01.0

　　3.2 型鋼應(yīng)力變化

　　樓板S-a的型鋼下翼緣最大應(yīng)力隨荷載變化如圖4、5所示，對比這些曲線，我們可以看出，對于單向無預(yù)應(yīng)力工況情況，圈梁的應(yīng)力始終比井字梁大很多，當(dāng)圈梁型鋼達(dá)到屈服應(yīng)力后，整個樓板也開始隨之屈服，而此時井字梁的承載力還沒有充分發(fā)揮，有較大的材料浪費(fèi)。在雙向無預(yù)應(yīng)力工況中，圈梁仍然先于井字梁進(jìn)入彈塑性階段，此時樓板剛度開始降低。但是，由于井字鋼梁具有很好的空間相互作用能力，其承載力仍然能夠繼續(xù)增長，甚至在井字梁進(jìn)入彈塑性階段后，承載力還可以繼續(xù)提高。在荷載位移曲線上表現(xiàn)為樓蓋進(jìn)入非線性階段后承載力還可以上升很多。雙向部分預(yù)應(yīng)力工況由于圈梁事先被施加了預(yù)應(yīng)力，圈梁的下翼緣最初受壓，使圈梁和井字梁最后幾乎同時進(jìn)入彈塑性階段，在荷載位移曲線上表現(xiàn)為線性段較長，屈服拐點(diǎn)明顯。雙向全預(yù)應(yīng)力工況和雙向無預(yù)應(yīng)力工況類似，預(yù)應(yīng)力井字梁剛度貢獻(xiàn)沒有得到充分發(fā)揮。

　　由型鋼應(yīng)力變化我們得到啟發(fā)，在設(shè)計鋼－混凝土雙向組合樓蓋時，應(yīng)通過控制圈梁和井字梁的剛度，盡量使兩者同時屈服，這樣可以充分利用材料，避免結(jié)構(gòu)提早出現(xiàn)剛度下降。

　　4、結(jié)論

　　本文利用非線性有限元方法，對預(yù)應(yīng)力鋼－混凝土雙向組合樓板結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了空間受力分析和參數(shù)討論。分析結(jié)果表明，將鋼－混凝土組合梁交叉成空間受力體系，可以有效提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，且承載力提高幅度在一倍以上。而在圈梁內(nèi)適當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力后，承載力還可以得到繼續(xù)提高。隨著大型、高層結(jié)構(gòu)的不斷建造，對結(jié)構(gòu)高度、剛度、承載力的要求也日益提高。鋼－混凝土雙向組合樓板體系和鋼－混凝土雙向組合樓板體系將有廣泛的應(yīng)用前景。

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