《重力荷载作用下整浇钢筋混凝土无次梁楼盖梁工作性能研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《重力荷载作用下整浇钢筋混凝土无次梁楼盖梁工作性能研究（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、重力荷载作用下整浇钢筋混凝土无次梁楼盖梁工作性能研究吴兵郑愚傅学怡（深圳大学建筑设计研究院深圳 518060 ）摘 要： 整浇混凝土无次梁楼盖中，梁、板作为直接承担重力荷载的构件，楼盖梁板相互影响，共同工作。本文采用大型通用有限元分析程序ANSYS 和 SAP2000 对整浇楼盖进行全SOLID 弹性块体单元建模分析，同时也采用结构设计程序ETABS 对整浇混凝土楼盖进行了纯杆系单元、杆+壳单元建模计算，分析和总结重力荷载下整浇楼盖梁的工作性能，找出目前杆系模型、 杆+壳模型计算设计方法中不合理之处，为整浇楼盖梁设计的安全、合理、经济做出初步的探索。关键词： 整浇钢筋混凝土无次梁楼盖，SOLI
2、D 弹性块体模型，纯杆模型，杆+壳模型一、前言楼盖是整个结构体系中较为重要的一部分，影响着整个结构的安全性和经济性。随着建筑科学的发展，楼盖形式也越来越多，但应用最广泛的，仍是普通钢筋混凝土梁板体系楼盖，分析研究其在重力荷载作用下的工作性能，对于楼盖梁板体系安全合理经济有着很大的实际意义。整浇钢筋混凝土楼盖中， 梁、板水平构件起着直接承担重力荷载和传递水平荷载的巨大作用，楼盖梁板相互作用，相互影响，共同工作，设计应将楼盖梁板作为 整 体 一 并 考虑。但目前国内外实际工程中，重力荷载作用下整浇钢筋混凝土楼盖的设计大都采用了梁板分离的设计方法，即设计时，先按板周边简支，确定周边梁承担的板上重力荷
3、载，然后由梁单独把重力荷载传给竖向构件。梁和竖向构件组成一个空间杆系结构，计算分析这个空间杆系结构的变形受力，确定梁内力及相应配筋。在这个过程中， 板对梁的作用通常只通过近似引入梁平面内刚度增大系数、梁扭矩折减系数等来反映。本文对重力荷载作用下的整浇钢筋混凝土无次梁楼盖进行了精确的弹性有限元计算，分析和总结了重力荷载作用下梁板的相互影响及其受力性能。进而与现行杆系模型或杆+壳模型进行对比分析，找出目前杆系模型、简化计算方法设计中不合理之处，为整浇楼盖梁合理设计做出初步探索。二、计算模型为了涵盖中柱、边柱、角柱，边梁、中梁，角楼板、边楼板、中间楼板等，并结合工程实际，取3 X 3 跨、 16 柱
4、无次梁楼盖体系，典型模型的计算简图如图1 所示：基本模型计算参数： 柱截面尺寸150x150mm ， 柱高 2m， 柱下端嵌固； 梁截图 1 16柱无次梁楼盖体系面尺寸为300x150mm，板厚70mm；梁、板、柱都采用C30 混凝土材料，弹性模量为3.0x107KN/m2，泊桑比取0.2，结构自重不算，模型加板上均布荷载1667N/m2。基本模型计算时，变换主梁的截面尺寸，即保持主梁的b x h 不变，主梁分别取 450x100、300x150、225x200、150x300、100x450(mm.mm) ，同时变换柱高度参数。三、分析研究方法采用纯 SOLID 块元、纯杆单元、 杆+壳单元
5、弹性模型及经典理论简化分析。计算采用了3 种国外的大型通用有限元分析程序：ANSYS 、SAP2000、ETABS2000 。其中， ANSYS 、SAP2000 都以 SOLID 实体单元建模，即在整个结构中，无论是梁、板、柱，都是用实体单元来模拟， 这样，不同构件之间的变形和受力可得到很好的协调，在较小的网格尺寸下，得到的结果可作为精确的有限元解。ETABS 作为现行结构设计软件的代表，用它的计算结果来和精确有限元解进行比较，可找出现行杆、 壳计算模型在计算重力荷载作用下整浇楼盖内力时的缺陷。ETABS 计算中，也采用了两种不同的模型：一是用frame 杆系单元来模拟梁、柱，用shell
6、单元来模拟楼板，即杆 +壳模型；二是只用frame 单元模拟梁、柱，计算时不进楼板，板上重力荷载按周边简支，直接分配加在梁上，即纯杆模型。四、无次梁楼盖梁内力分析及配筋计算4.1 无次梁楼盖梁边支座内力分析表 1 SOLID 块体基本模型梁边支座内力构件位置内力 (N.m) 梁截面450x100 300x150 225x200 150x300 100x450 X 向梁 1( 边梁 ) 边跨左支座N 712 1146 1257 1320 1601 边跨左支座My -141 8 108 146 171 边跨左支座Mz 45 167 211 210 183 边跨左支座Qy -1387 -1921 -
7、1904 -1130 -3189 边跨左支座Qz -1340 -1213 -1184 -698 -941 边跨左支座Tx -451 -466 -427 -258 -280 X 向梁 2( 内梁 ) 边跨左支座N 1020 1995 2567 2491 2908 边跨左支座My -287 -142 4 118 159 边跨左支座Mz 0 -3 -5 -6 -9 边跨左支座Qy 289 358 304 210 252 边跨左支座Qz -3532 -3647 -3456 -2478 -2571 边跨左支座Tx 31 15 2 -11 -7 表 2 ETABS 杆+壳基本模型梁边支座内力构件位置内力
8、(N.m) 梁截面450x100 300x150 225x200 150x300 100x450 X 向梁 1( 边梁 ) 边跨左支座N -414 -349 -276 -165 -85 边跨左支座My -318 -126 60 255 314 边跨左支座Mz 23 12 7 2 1 边跨左支座Qy 123 87 59 28 11 边跨左支座Qz -1440 -1368 -1318 -1290 -1321 边跨左支座Tx -368 -434 -475 -455 -361 X 向梁 2( 内梁 ) 边跨左支座N -500 -427 -354 -243 -149 边跨左支座My -536 -382
9、-158 200 401 边跨左支座Mz -1 -1 -1 0 0 边跨左支座Qy -16 -13 -9 -4 -2 边跨左支座Qz -2778 -2722 -2753 -2955 -3382 边跨左支座Tx 30 20 15 12 13 表 3 ETABS 纯杆基本模型梁边支座内力构件位置内力 (N.m) 梁截面450x100 300x150 225x200 150x300 100x450 X 向梁 1( 边梁 ) 边跨左支座N -639 -460 -327 -176 -90 边跨左支座My -590 -341 -184 -50 14 边跨左支座Mz -16 -5 -2 -1 0 边跨左支座
10、Qy -10 -3 -1 0 0 边跨左支座Qz -1664 -1564 -1507 -1464 -1451 边跨左支座Tx -128 -154 -139 -76 -25 X 向梁 2( 内梁 ) 边跨左支座N -1060 -749 -545 -321 -176 边跨左支座My -1308 -920 -637 -281 -41 边跨左支座Mz -10 -3 -1 0 0 边跨左支座Qy -6 -2 -1 0 0 边跨左支座Qz -3384 -3226 -3119 -2996 -2931 边跨左支座Tx 15 25 26 16 5 计算结果分析 : 1、 轴力SOLID 模型、纯杆模型和杆+壳模
11、型计算梁边支座轴力有较大的差异。三种模型轴力之间的比较见表13。SOLID模型解得重力荷载作用下梁边支座存在着轴拉力，且随着梁刚度的增大，梁边支座轴拉力逐渐增大。典型梁边支座截面正应力分布如图2。可以看到，梁截面大部分的应力为拉应力， 且截面上最大拉应力约为Sx=0.25N/mm2, 而最大的压应力约为Sx=-0.11N/mm2，整个截面应力积分得到了轴拉力。同时，重力荷载作用下，板内有较大的轴力，它除了引起边梁扭矩外， 对边梁还有一个外推作用，引起边梁沿梁宽方向的剪力和平面外弯矩，该剪力参与了另向梁轴力平衡。图 2 边梁边支座正应力分布图(N/mm2) 图 3 边梁边支座平面外剪应力分布图(
12、N/mm2)纯杆模型、杆+壳模型解得重力荷载作用下梁边支座轴力为轴压力，边支座处于偏心受压状态。杆 +壳模型中，板内的轴力较小，板轴力对梁影响不大。当梁刚度较小时，杆+壳模型和纯杆模型解得的梁轴力相差较大；梁刚度较大时, 两者的结果较为接近。其主要原因在于, 当梁刚度较大时, 竖向变形较小, 板壳贡献影响较小。2、 弯矩重力荷载作用下，三种模型得到的梁边支座弯矩也存在着较大的差异，三种模型的计算结果见表13。对于梁平面内弯矩，SOLID模型计算结果表明，在整浇楼盖中，由于板参与弯曲变形，分担了部分弯矩，梁边支座负弯矩M 较小；杆 +壳模型得到的该负弯矩相对有一定增大；纯杆模型完全抛开了楼板进行
13、计算，没有考虑板的作用，该负弯矩增大很多。SOLID 模型计算得到的边梁边支座截面正应力图（图2）可以看得到，该截面上侧及内侧拉应力较大， 边梁边支座截面实际处于双向受弯的受力状态。边梁边支座处， 尚应考虑梁平面外弯矩Mz影响。有时该弯矩值会比梁平面内弯矩还大，不容忽视。对于纯杆模型，由于没有考虑楼板的作用，边梁边支座平面外弯矩很小；对于杆+壳模型，虽然考虑了梁板的整体作用，但杆、壳两种单元变形协调不够充分，得到的边梁平面外弯矩值也很小。而中梁边支座平面外负弯矩非常小，可以忽略。由表 1 还可看到，梁刚度对其边支座弯矩影响较大，梁刚度增大时，梁端负弯矩逐渐减少，然后出现正弯矩，梁端平面外弯矩逐
14、渐增大。这是因为，此时梁柱刚度比增大，柱对楼盖及梁的约束作用减弱的缘故。3、 剪力一般来说，重力荷载会由板梁墙、柱这样的路径传给基础，只要板上的重力荷载相同，全部梁梁端总剪力Qz 会相同或相差不大，但考虑或者不考虑梁板的整体作用，对于各根梁所分担的荷载影响较大，总剪力Qz在各根梁端部的分配会有较大的差异。角柱弯曲变形相对于中柱而言较大，柱的变形对梁支座剪力有一个卸载效应，因而 SOLID模型得到的边梁边支座剪力较纯杆模型小；在梁刚度较小时，内梁边支座剪力较纯杆模型大，梁刚度增大时，内梁边支座剪力较纯杆模型小。对于边梁，还应该考虑梁的平面外的剪力，即沿梁宽度方向的剪力Qx或 Qy，边梁边支座处沿
15、梁宽度方向上的剪应力分布见图3。 从图中可以看出， 梁截面的上下侧的剪应力反号，但范围大小不等，整个截面积分得到梁平面外剪力，有时其甚至会比梁在平面内的剪力Qz还大。该剪力是由板的轴力所引起的。而杆+壳模型和纯杆模型中，梁沿梁宽方向上的剪力都接近于零。各个模型的计算结果比较可参看表13。4、 扭矩边梁边支座由于受到楼板传过来的荷载作用，存在着较大的扭矩，考虑梁板整体作用的SOLID 模型和杆 +壳模型的计算结果都表明了这一点，这两种模型在计算扭矩时的计算结果较为接近。在梁刚度较小时，SOLID 模型计算结果较杆+壳模型稍大，而在梁刚度较大时，则 SOLID 模型计算结果较杆+壳模型计算结果稍小。在纯杆模型中， 重力荷载是直接加在梁上的，没有存在板对梁的作用，因此，纯杆模型得到的边梁扭矩很小。随着梁弯曲刚度增大，扭转刚度减少，边梁边支座扭矩逐步减少。而内梁一般扭矩都很小，可忽略不计。4.2 无次梁楼盖梁中支座内力分析表 4 SOLID 块体基本模型梁中支座内力构件位置内力 (N.m) 梁截面450x100 300x150 225x200 150x300 100x450 X 向梁 1( 边梁 ) 中跨左支座N -2227 -4831 -5270 -3687 -2063 中跨左支座My -544 -648 -674 -534 -452 中跨左支座Mz -73 57 125 1
