（岩土工程专业论文）现浇混凝土空心板面层厚度对其受力性能影响的分析.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 现浇钢筋混凝土空心楼盖是一种新型的楼盖结构体系，它能适应现在大柱 网、大开间、大空间多高层建筑的需要，能为业主们提供灵活的应用空间，同时 经济技术指标比其他类型的楼盖体系有明显地提高，有着广阔的应用前景。但作 为一种新兴的楼盖体系，人们对它受力性能的认识还不够充分，它在计算理论和 设计方法上还很不完善。 本文通过对两块不同混凝土面层厚度的l ：4 比例的现浇混凝土空心楼板模 型做对比试验，并进行有限元分析，以及对钢筋混凝土空心板大板的有限元分析。 初步了解现浇钢筋混凝土空心楼盖顺孔方向和垂直孔道方向的受力性能差异和 传力机制；分析了面层和底层混凝土厚度对现浇钢筋混凝土空心楼板顺孔和垂直 孔道方向受力性能差异的影响规律。初步得到了以下几条主要结论： ( 1 )当保持钢筋混凝土空心板的厚度、空心管管径和开孔间距不变时， 随着混凝土面层厚度的增大及混凝土底层厚度的减小，钢筋混凝土 空心楼板顺管和垂直管道方向受力性能差异程度变小； ( 2 )当保持钢筋混凝土空心板的厚度、空心管管径和开孔间距不变时， 随着混凝土面层厚度的增大及混凝土底层厚度的减小，钢筋混凝土 空心楼板中心点的挠度变小； ( 3 )当保持钢筋混凝土空心板的厚度、空心管管径和开孔间距不变时， 随着混凝土面层厚度的增大及混凝土底层厚度的减小，钢筋混凝土 空心楼板四边支撑反力的差异程度变小，同时钢筋混凝土空心楼板 的极限承载力增大。 关键词：现浇钢筋混凝土空心楼板：有限元；混凝土面层厚度；a d i n a 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s - i r a c r c a s t - i n - s i t ur e i n f o r c e dc o n a 嘭t eh o l l o ws l a bf l o o rs y s t e mi saf l e wf l o o rs m l e t t n a l s y s t e mw h i c hc 趾s u i tm u l t i l a y e ro rt a l lb u i l d i n g sw i t hb i gc o l u m ng i r d i n go rb i g s p a c e s i tc a l lo f f e ro w n c l sf l e x i b l es p a c e se c o n o m i c a l l y , a n dh a v eaw i d eu s e d f o r e g r o u n d w h e r e a s ，鹤an e wt e c h n i c s ，i t sp r o p e r t i e sh a v en o tb e e nc o m p r e h e n d e d a d e q u a t e l y a n d , i t sc a l c u l a t i n gt h e o r e t i ca n dd e s i g nl l l e a s u t c s 辑s t i l ln o t c o n s u m m a t e b a s e do nt h ec o n t r a s te x p e r i m e n t sa n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o ft h e e x p e r i m e n t a lm o d e lo fc a s t - i n - s i t ur e i n f o r c e dc o n c r e t eh o l l o ws l a bw h i c hi s1 ：4i n s c a l e , a n df i n i t ed e m e n ta n a l y s i so fb i gc o n c r e t eh o l l o ws l a b s ，t h ep r o p e r t y d i s s i m i l a r i t yo fp a r a l l e ls l a b sa n dp e r p e n d i c u l a rs l a ba n dt h el o a dt r a n s f e rp a t hh a s b e e ns t u d i e d ；n 峙c h a n g i n gr u l eo ft h ed i s s i m i l a r i t yi n f l u e n c e db yt h et l a i e k n e s so f c o n c r e t eu pa n du n d e rt h et u b e sh a sb e e ns t u d i e d f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o n sh a v e b e e nm a d e ( 1 )w h e nt h ed i a m e t e ra n di n t e r v a lo fh o l l o wt u b e sa n dt h et h i c k n e s so f h o l l o ws l a bf i l en o tc h a n g e d , w i t ht h et h i c k n e s so fc o n c l 试eu pt u b e b e c o m i n gb i g e r , t h ed i s s i m i l a r i t yo fl 嘧r a l l e ls l a ba n dp e r p e n d i c u l a r s l a bi sb e c o m i n gs m a l l e r ( 2 )w h e nt h ed i a m e t e ra n di n t e r v a lo f h o l l o wt u b e sa n dt h et h i c k n e s so f h o l l o ws l a b 淝n o te h a n g c d ，w i t l lt h et h i c k n e s so fc o n c r e t eu pt u b e b e c o m i n gb i g e r , t h ed e f l e c t i o no f h o l l o ws l a bi sb e c o m i n gs m a l l e r ( 3 )w h e nt h ed i a m e t e ra n di n t e r v a lo fh o l l o wt u b e sa n dt h et h i c k n e s so f h o l l o ws l a ba n o te h a n g e d , w i t l at h et h i c k n e s so fc o n c r e t eu pt u b e b e c o m i n gb i g e r , t h ed i s s i m i l a r i t yo ft h eb u t t r e s sf o r c ei sb e c o m i n g s m a l l e r , a n dt h eu l t i m a t el o a d - b e a r i n gc a p a c i t yi sb e c o m i n gb i g e r k e y w o r d ：e a s t - i n - s i t ur e i n f o r c e dc o n c r e t eh o l l o ws l a b ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；t h e t h i c k n e s so f h o l l o ws l a b ；a d i n a 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 在我国工业与民用建筑中，钢筋混凝土结构是应用最为广泛的结构形式。在 高层建筑发展中，存在着逐渐以钢结构、钢和钢筋混凝土组合结构取代传统的钢 筋混凝土结构的趋势但是，在我国，钢筋混凝土结构因材料广泛、技术成熟、 造价低廉，有很强的生命力，仍然是应用最为广泛的结构形式。 1 1 钢筋混凝土棱盖概述 楼盖体系是建筑结构的基本组成部分，在一个建筑物中，楼盖约占土建总造 价的2 0 3 0 。在钢筋混凝土高层建筑中，混凝土楼盖的自重约占总自重的 5 0 6 0 ，因此降低楼盖的造价和自重对整个建筑物来讲是至关重要的m 。 在多高层建筑中，由于楼盖沿竖直方向有规律地重复，因此减小混凝土楼盖 的结构高度，就可明显地降低建筑物总高度，对建筑工程具有很大的意义。例如 3 0 层楼，每层降低0 1 m ，就可增加一个楼层楼盖结构的性能不仅对保证建筑 物的承载力、刚度、耐久性，以及提高抗风、抗震性能有重要的作用，对建筑物 的隔声、隔热和美观等建筑效果也有直接影响。 此外，楼盖的模板工程量在一般现浇结构中占总模板工程量的绝大部分，因 此简化楼盖的施工复杂程度及工程量，对加快工程施工进度，保障施工质量等， 具有十分重要的意义 1 2 钢筋混凝土樱盖的分类 钢筋混凝土楼盖有三种分类方法。 按结构形式，可分为单向板肋梁楼盖、双向板肋梁楼盖、井式楼盖、密肋楼 盖和无梁楼盖等五种其中单向板肋梁楼盖和双向板肋梁楼盖是用得最普遍的， 它受力明确，板上荷载直接传给框架梁，框架粱将荷载传给柱或剪力墙，通过梁 将竖向结构连为一个整体，使之起空间协同作用，抗水平力作用也较好。其缺点 是楼盖结构高度较大，再考虑上管线布置和吊顶处理，导致建筑物层高较大。为 了弥补梁板式楼盖体系结构高度太大的缺陷，在建筑物层高受限制时，常采用宽 扁梁现浇楼盖宽扁梁可降低层高，但为了保证梁具有足够的抗弯刚度，梁的宽 度必须做的很大，增加了混凝土的用量；而且梁的高度减小，使钢筋的内力矩减 小，因而也增加了钢筋的用量，使楼盖的自重加大，经济技术指标下降珊。 按预应力旌加情况，可分为钢筋混凝土楼盖和预应力钢筋混凝土楼盖两种。 按施工方法，可分为现浇楼盖、装配式楼盖和装配整体式楼盖三种。现浇楼 盖的刚度大，整体性好，抗震抗冲击性能好，防水性能好，对不规则平面的适应 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 性强，可开洞。缺点是需要大量模板，工期也较长。我国高层建筑混凝土结构 技术规程( j g j 3 2 0 0 2 ) 规定，在高层建筑中，楼板宜现浇；对抗震设防的建筑， 当高度 一5 0 m 时，楼盖应采用现浇；当高度5 0 m 时，在顶层、刚性过渡层和平 面复杂或开洞过多的楼层，也应采用现浇楼盖。 随着商品混凝土、泵送混凝土以及工具式模板的的广泛应用，现在国内外的 钢筋混凝土结构，包括楼盖在内，大多数是采用现浇的。事实上，我国钢筋混凝 土高层建筑中的楼盖，基本上都是现浇的 目前，我国装配式楼盖主要用在多层砌体房屋，特别是多层住宅中装配整 体式楼盖是提高装配式楼盖的刚度、整体性和抗震性能的一种改进措施。 1 3 适用于大跨度的楼盖结构体系 随着我国科技进步和生产力水平的不断提高，人们对生活、居住的水平的要 求不断提高，要求建筑形式灵活多样，给人以更多的想象空间因此，大柱网、 大开间灵活分割的多高层建筑得到了迅速发展，成为最活跃的发展领域之一。为 了适应建筑上对大开间的要求，近年来已发展了不少新的、技术经济效果较好的 楼盖结构体系。普通肋梁楼盖和实心无梁楼盖在跨度较大时，因自重大，混凝土 用量大，技术经济指标就不理想，并且因其美观性欠佳，在大柱网、大空问建筑 中并不适用。 目前，广泛应用于大跨度、大空间场合的几种流行的钢筋混凝士楼盖体系有 井式楼盖和密肋楼盖体系、无粘结预应力混凝土楼盖体系，钢筋混凝土空腹夹层 板楼盖体系，现分别介绍如下； 1 3 1 井式楼盖和密肋楼盖体系 井式楼盖是由双向板和交叉梁系共同组成的楼盖体系，多用于具有较大跨度 的建筑物( 如办公楼、邮电大楼、图书馆、展览馆、候机楼、火车站、车库) 的 门厅和大空间处。交叉梁不分主次，互为支承，协同受力，其截面高度往往相同， 布置方式有正交正放和正交斜放两种方式。网格的边长一般为2 m 3 m ，且边长 相等。 密肋楼盖与肋粱楼盖相仿，它因肋梁摔列很密而得名，是由薄板和间距较小 ( 通常1 5 m ) 的肋梁构成。肋可以是单向的也可以是双向的，双向密肋楼盖由 于是双向受力作用，受力较单向密肋楼盖合理，且双向密肋较单向密肋的视觉效 果好，可不吊顶，与一般楼盖体系相比，由于省去了肋间的混凝土，可节约混凝 土3 0 5 0 ，降低楼板造价1 3 左右，技术经济合理，故近年来在大空间的 多高层建筑中得到了广泛得应用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 推广应用密肋楼盖的关键之一是模板问题，当前广泛应用的是玻璃钢模壳和 塑料模壳。这种模壳易于制作成型，并可加工成各种形状，强度较高、刚度较大， 可以形成肋距为0 9 1 5 m 或更大的密肋楼盖。这种楼盖的缺点是，用钢量大， 布置管线后仍需采用吊顶加以处理，层高降低作用也不明显嘲。 1 3 2 无粘结预应力混凝土棱盖体系 无粘结预应力混凝土楼盖在工程中的应用开始于5 0 年代末，当时，美国将 其应用于大柱网平板中。随后，由于预应力工艺、设备的革新，带动了无粘结预 应力混凝土楼盖的迅速发展。我国经过十几年的研究开发也逐步得到了推广应 用。 该楼盖体系具有节约混凝土材料、减轻结构自重、降低结构层高、改善了结 构的受力性能等优点，可以应用于大柱网、大开间、大空间的多、高层和超高层 建筑中但是，由于预应力施工难度较大，技术费用高，因此该楼盖体系的经济 技术指标仍然较低瞄此外，该楼盖体系对施工队伍的技术能力要求较高，设计 上也相对较为复杂，因此实际工程中的应用也相对较少。 1 3 3 钢筋混凝土空腹夹层板棱盖体系 钢筋混凝土空腹夹层板，又称“剪力键式双向空心大板”，是一种新型的三 维空间板片结构楼盖，它由上下两层带肋钢筋混凝土板和起连接作用的剪力键构 成，剪力键设置于井字格的交叉处。 该楼盖体系自重轻，受力性能好，施工安装方便，并为建筑空间的灵活划分 提供方便，建筑物水平管线可以从空腹内穿越，降低了层高，是钢筋混凝土多、 高层建筑楼盖的优良结构，其造价比普通楼盖结构节约1 5 左右。 另外，该楼盖体系已经发展有较完善的设计计算理论，进行了板的连续化分 析、离散化弹性分析、弹塑性分析、动力特性分析和楼盖体系的整体分析，并进 行了大量的试验研究。 这种板的不足之处是施工复杂、混凝土需二次浇筑、施工速度慢咖。 1 4 现浇钢筋混凝土空心楼盖结构体系 1 4 1 现浇钢筋混凝土空心楼盖简介 现浇钢筋混凝土空心楼盖是最近几年国内发展起来的结构新技术，它利用预 制空心板的概念，将起内模作用的空心管按一定方向埋入混凝土板中，现场浇筑 成型，不抽管，使原实心混凝土板变成空心板。现浇钢筋混凝土空心楼盖可以做 成只设框架梁而无次梁的大板体系，也可以把框架粱做成与板同厚的暗扁梁，以 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 进一步减小层高圆形空心管在平面上一般呈单向捧列，如图l l 所示 图1 1 现浇钢筋混凝土空心楼盖的平面布置示意图 图l l 中还表示了顺管道方向截面以及垂直于管道方向的截面，其中垂直 于管道方向的横肋并不认为是必需的，但往往认为设置这样的横肋在构造上是有 利的，并且也有利于改善垂直于管道方向的截面刚度目前应用较为广泛的空心 管一般采用轻质材料制成，多为水泥、固化剂和塑性玻璃纤维网浇筑成高强薄壁 管，每根标长1 2 m ，壁厚5 1 0 m l ，管径1 0 0 5 0 0 m m ，也可以根据需要向厂家 定做，空心管一般为圆管，也有方管和椭圆形管。空心管具有强度高、吸水率低、 不燃、水密性好、质轻壁薄、安装施工简便，价格低廉等优点。 1 a 2 现浇钢筋混凝土空心楼盖的设计要点和构造要求1 4 1 设计要点： 根据目前工程上使用现浇钢筋混凝土空心楼盖的一般经验，现浇钢筋混凝土 空心楼盖的设计要点可以表述为： 、 ( 1 ) 结构布置原则：柱与柱、柱与剪力墙间设置框架梁，框架梁围成的板 采用现浇钢筋混凝土空心板，并使框架主梁所围合的范围为平顶。 ( 2 ) 框架梁也可为暗梁，暗梁高度与空心板厚度相同，从而使整个楼层的 内部空间为平顶。 ( 3 ) 主体结构一般可按现行规范设计，暗梁按宽扁梁考虑。 ( 4 ) 现浇钢筋混凝土空心板一般按单向或双向受力进行内力分析和配筋计 算。 一般构造要求： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ) 混凝土强度等级应c 2 0 ，板厚一般可取为去寺乙，为板的短边 长。 ( 2 ) 最小配筋率为0 2 ，最大配筋率为1 2 ( 3 ) 空心率为3 0 5 5 ( 4 ) 卫生间楼面可以下降8 0 3 6 0 m m 不等，但应考虑楼面局部下降带来的 刚度变化的影响。 1 4 3 现浇钢筋混凝土空心按盖的应用范围 现浇钢筋混凝土空心楼盖体系适用于各种跨度和各种荷载作用下的建筑结 构，特别适用于： ( 1 ) 大荷载和大跨度、大空间的多层或高层建筑，如商业楼、办公楼、图 书馆、展览馆、教学楼、车站以及多层或单层厂房、仓库、锅炉房等工业设施。 ( 2 ) 需灵活分隔或经常变换使用用途的建筑，如宾馆娱乐场所、住宅、公 寓等。 ( 3 ) 采用集中式( 中央) 空调的建筑。 ( 4 ) 有特别隔音、保暖要求的建筑。 1 4 4 现浇钢筋混凝土空心棱盖主要技术参数与施工工艺流程 由于现浇钢筋混凝土空心楼盖是一种由非抽芯式空心楼板组成的楼盖，所以 应根据柱网、板跨荷载等的设计要求来确定楼板厚度、开孔直径、开孔间距和面 层、底层混凝土厚度以及暗梁的宽度、梁板配筋等参数。 现浇钢筋混凝土空心楼盖施工工艺流程如下：测量放线一装平板模一放梁及 空心管位置线一绑扎粱及板底钢筋，水电预埋一肋间钢筋网片绑扎，安装空心管 一绑扎面筋一检查，验收一铺设操作马道，安装混凝土输送泵管一浇捣混凝土一 混凝土养护一拆板底模。 施工过程中应注意以下问题： ( 1 ) 空心管为轻质薄壁管，运输码放过程中应轻拿轻放； ( 2 ) 空心管安装的位置偏差不得大于l o 哪； ( 3 ) 浇筑混凝土前，破损的空心管应用胶带粘好，以免漏浆； ( 4 ) 泵送混凝土的管道均应架空，禁止上述机具直接压在管上；同时，操 作人员应在扳上作业。混凝土浇筑沿管纵轴单向进行，混凝土坍落度不低于1 5 1 8 c m ，石子最大粒径不超过3 0 m m ； ( 5 ) 混凝土浇筑振捣时采用振捣棒的直径不得大于3 0 岫。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 1 4 5 现浇钢筋混凝土空心楼盖的特点 ( 1 ) 工作性能好 现浇钢筋混凝土空心楼盖在减轻自重的同时又保持了良好的整体性和受力 性能，另外由于结构的自重减轻了，使结构的抗震性能也得到了相应的提高。 ( 2 ) 使用功能优良 与普通框架结构比较，现浇钢筋混凝土空心楼盖使空间更开阔美观，使用更 加方便。现浇钢筋混凝土空心楼盖与无粘结预应力楼盖、实心无梁楼盖比较，无 柱帽，无凸出部位；开孔洞方便，射钉、电锤打孔，吊挂不受影响。 ( 3 ) 综合经济效益提高 由于预埋了空心管，节省了混凝土的用量，使楼盖的自重降低，较之实心板， 承担楼盖自重部分的钢筋可以节省1 5 ；柱子和基础可降低材料5 1 5 ：比 普通混凝土实心板减少混凝土用量4 0 ；比预应力混凝土板减少混凝土用量1 2 。 该项技术的土建工程费用与一般钢筋混凝土框架结构基本持平，与一般的平 板、无粱板相比，工程费用大大降低。对于采用集中式空调的建筑来说，板高比 梁高减少0 4 米左右，有利于水平管线，特别是空调管道的安装。因而提高了建 筑净空。如果建筑仍按原有净高进行设计，则可以降低层高。降低层高，等于增 加了层数，增加了使用面积，给业主带来可观的经济效益。表1 - - 1 为现浇钢筋 混凝土空心楼盖体系与其他楼盖体系的经济对比分析“1 表1 - - i 现浇钢筋混凝土空心楼盖体系与其他楼盖体系的经济对比分析( 8 x 8 m 柱网) 对比项目莱板结构现浇钢筋混凝土空心棱盖无粘结预应力混凝土楼盖 非顶应力钢筋3 2 , , - 9 5 用钢l ( k g m 2 ) 4 i 1 3 43 i 1 0 5 璜应力钢筋4 - , 1 0 混凝土用量( i i i m 2 ) o 1 7 n 3 50 1 孓- n 2 70 1 3 棚3 4 模扳费用( 元 呐 2 6 寸82 2 0 02 4 3 混凝土需达刭一定强度时张拉 工期5 5 天，层4 5 5 天，层 整个棱层张拉完毕后才能拆模 净空增加( m ) 0 3 5 6 51 0 - 3 0 增加建筑面积 0 增加1 层，1 0 层增加1 层1 5 层 面积增大收益额o) 3 1 直接成本降低 o 麟 增加辨嘘右 综合经济效益增长 0孓d 铂 2 左右 ( 4 ) 真正实现空间灵活分隔 现浇钢筋混凝土楼盖体系，使分隔墙的真正任意布置成为可能。由于墙体可 以任意移动，对办公楼、娱乐场所、展览馆等需要随时变更间隔的公共建筑尤为 适用。另一方面，当这项技术应用于住宅建筑时，在整个平面布局中，除了厨房、 厕所由于走管要求，不能任意移动外，发展商可以根据业主不同的需求量身订做 出不同面积、不同开间的住宅，业主也完全可以在户内进行任意的个性化设计， 而无须在结构上作改动。 ( 5 ) 施工经济、方便 与普通梁板结构相比，减少了模板的损耗，减少了支、拆模板的人工费用， 施工简便缩短了工期。降低了成本。与无粘结预应力无粱楼盖相比，施工方便 快捷、不需张拉。 ( 6 ) 隔音效果优良 该楼盖的封闭空腔技术大大减少了噪音的传递，楼盖隔音效果提高5 1 2 分 贝，解决了图书馆、教学楼、住宅、医院、疗养院等噪音问题。 ( 7 ) 隔热、保温性能显著提高 现浇钢筋混凝土空心楼盖因空腔的存在，减少了热量的传递，使隔热、保温 性能得到显著的提高，大大降低了空调费用，而对大型冷库、储物库等，此种效 益尤其明显。 总之，现浇钢筋混凝土空心楼盖体系既捧除了现浇钢筋混凝土楼盖自重太大 的缺陷，又弥补了装配式楼盖整体性太差的不足；同时还继承了现浇钢筋混凝土 楼盖和预制空心板各自的优点既具有整体性能好、底面平整、节省吊项、增加 楼层净高的优点，又具备自重轻、材料省、造价低以及保温、隔热、隔声的效果。 1 4 6 现浇钢筋混凝土空心棱盖研究现状 钢筋混凝土空心楼盖的概念兴起于二十世纪六、七十年代。美国曾有学者提 出一种蜂窝式楼盖，并进行了相关实验。它是利用发泡塑料填充块填在楼盖内构 成空腔，从而达到减轻楼板售重的目的，但研究较多地限于施工方法，而且其材 料本身亦有缺陷。这种楼盖形式并没有得到很好的应用和发展。目前我国提出了 一套利用轻质高强薄壁管作为混凝土空心楼盖填充构件的体系，它具有较高的空 心率和显著的结构优越性。二十世纪6 0 8 0 年代，应用于房屋建筑的空心板基 本上都是预制构件，预制空心板在受力性能、抗震、节点设计及构造措藏等各个 方面存在着很多局限性。现浇钢筋混凝土空心板最早出现在二十世纪七十年代， 主要应用于桥梁结构，而且是单向板。近年来国内外对空心板的研究亦得到了一 定的开展在设计方法方面相继提出了一些能够满足工程精度要求的近似算法， 例如矩形网格板法，综合刚度法等，其思路主要是将板转化成某种形式，可以利 用现有的设计程序( 如t a t 、t b s a 等) 进行计算配筋，以满足工程要求。其它 利用实体有限元的穗确分析方法也有一定的应用。相关类似结构体系的试验工作 辽宁工程技术大学硕士学位论文s 也在一些高校和研究机构展开，并且取得了一些初步的成果，如同济大学的吕西 林教授对无梁楼盖进行了振动台试验。在经典弹性理论方面，国内许多学者进行 了研究工作，取得了一定的成果。青岛建筑工程学院的曲庆璋通过经典弹性理论 求解出正交各向异性矩形薄板线弹性弯曲的一般解析解嘲；郑州工业大学的许琪 楼得出三角点或四角点支撑的矩形板弯曲统一求解方法忉；东南大学的王群依、 宋启根对局部均载作用下的混凝土空心板的挠度和内力的应力重分布进行了简 化分析：东南大学的吕志涛院士、张继文教授提出了变刚度双向板内力的能量 法计算”；武汉理工大学对竖向荷载作用下现浇钢筋混凝土空心楼板的弯矩分布 进行了分析“，得出如下结论：空心楼板虽预埋成孔，但板在两个方向上的刚度 相差不是很大，空心楼板在竖向荷载作用下仍是双向受弯状态，板的受力状态没 有发生根本的变化。另外，国内许多学者和工程技术人员分别对现浇钢筋混凝土 空心板的受力性能、设计、施工、应用与发展“”。“”等多个方面进行了论述。还 有国内许多学者对空心板的抗剪与抗冲切进行了理论分析与试验研究。东南大学 的蒋永生教授对板柱结构体系的设计进行了大量的试验研究和理论研究工作 “”“”。现浇钢筋混凝土空心板是一种新型楼盖，与普通的双向实心板与单向预制 空心板相比，空心板在受力性能、构造措施及施工工艺等各方面都更为复杂。目 前我国尚未建立起一套关于现浇钢筋混凝土空心板比较完整的设计计算理论和 方法，实际工程中只能借助实心无梁楼盖的设计方法及设计人员的经验因此， 对这种新型的空心楼板进行了试验研究，提出了合理的设计方法，是工程中急待 解决的一个问题 1 4 7 现浇钢筋混凝土空心棱盖的应用前景 现浇钢筋混凝土空心楼盖技术是我国建筑结构领域的一项重大创新，它为 2 l 世纪建筑现代化提供了技术支撑，是一种性价比优越、更符合人性的高技术 水平的结构体系，具有巨大的社会经济价值该技术自问世的短短几年来，已成 功地应用于各类建筑工程，应用面积达1 0 0 多万平方米，创造社会经济效益超过 1 5 亿元，实例工程遍布全国，市场潜力巨大，推广应用前景广阔目前非预 应力的现浇钢筋混凝土空心楼盖跨度已超过2 0 ：并已有不少工程将预应力技术 也应用于现浇钢筋混凝土空心楼盖中，使现浇钢筋混凝土空心楼盖可以适应更大 的柱网，造就更广阔的应用空间。 1 5 本文的主要研究工作 正如前面所述，现浇钢筋混凝土空心楼盖是一种新型的楼盖结构体系，它能 适应现在大柱网、大开间、大空间多高层建筑的需要，能为业主们提供灵活的应 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 用空间，同时经济技术指标比其他类型的楼盖体系有明显地提高，有着广阔的应 用前景。作为一项新兴技术，它的计算理论和设计方法还很不完善，东南大学等 对现浇钢筋混凝土空心板的受力性能进行过试验研究，但都没有考虑面层厚度、 空心管的管径、管间距离等因素对其受力性能的影响。 本文试图通过对两块不同面层及底层混凝土厚度的空心板试验模型做对比 试验和有限元分析，并对钢筋混凝土空心板大板进行有限元分析，初步了解面层 及底层混凝土厚度对空心板顺管方向和垂直管道方向的受力性能及传力机制的 影响，为完善现浇钢筋混凝土空心楼盖计算理论和设计方法提供理论和试验依 据。具体的研究内容包括以下几点： ( 1 ) 通过试验研究四边简支情况下的钢筋混凝土空心板顺管方向和垂直管 道方向受力各阶段的受力性能。 ( 2 ) 通过试验对比不同面层、底层混凝土厚度对钢筋混凝土空心板竖向挠 度和顺管方向、垂直管道方向受力性能的影响。 ( 3 ) 通过有限元分析对比不同面层、底层混凝土厚度对钢筋混凝土空心板 竖向挠度，顺管方向和垂直管道方向受力性能及支撑反力的影响 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 现浇钢筋混凝土空心楼盖有关的分析理论 2 1 计算方法的演变 2 1 1 单向设计法 现浇钢筋混凝土空心楼盖自开始使用以来，其设计使用过程发生过一系列的 变化。开始使用阶段，空心管的排列较单一，在楼板中管的布置非常有规律，即 不间断地布管，在与管平行方向的间隔中布置受力钢筋网片和受力钢筋，按单向 板布筋，另一方向按构造配筋，以控制垂直管道方向板的裂缝。其简化计算模型 与t 形、。工”字形截面的钢筋混凝土梁计算要求一样，变形控制也按单向板模 型。这样做法，设计人员容易接受，计算方便，同时旄工作业难度也较低 按单向板控制配筋，对板而言是安全的，对梁而言就会出现梁上的计算荷载 不真实，垂直管道的粱分配荷载过多，平行管道的梁分配不到荷载。因此后来对 管道的方向进行了调整，即按棋盘格的方式布管，使框架梁能均匀地受到板荷载 的作用。对没办法进行调整的边梁，则按双向板的原则将荷载分配到边梁，而板 的配筋方式仍按单向原则。 现浇钢筋混凝土空心楼盖的单向设计法是在认定该楼盖体系是单向传力的 基础上建立的，它忽略了楼盖垂直孔道方向的传力能力，无疑增加了楼盖体系用 钢量，降低了该楼盖体系的经济技术指标。 2 1 2 垂直管道方向全长按最薄弱截面计算的双向设计法 垂直管道方向全长按最薄弱截面计算的双向设计法是现浇钢筋混凝土空心 楼盖体系目前最常用的设计方法，它是将现浇钢筋混凝土空心楼盖按开孔方向的 不同进行简化，顺孔方向简化为。工”字型截面( 图2 一l a ) ，垂直管道方向简 化为。二”字型截面，也就是说，垂直孔道方向不考虑纵肋的作用，沿板全长按 最薄弱截面计算( 图2 1 b ) 。然后，根据简化后的模型分别计算空心板两个方 向的刚度。 单个“工”字型截面的抗弯刚度为： 毋e 瞄一刳= e ( 譬一爿 式中 e 混凝土弹性模量 t 单个。工”字型截面惯性矩 因此，顺管方向单位宽度截面的抗弯刚度为： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 骅譬= 为= e 譬等伽_ 垂直管道方向只考虑最薄弱截面的单位宽度截面的抗弯刚度为： 乓如= 箬一鲁= 壶防3 一d 3 】 式中 如最薄弱截面惯性矩 二二二二 司 出 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 丑顺臂方向b 垂直臂道方向 图2 1 颓管方向和垂直管道方向截面剐度的计算简图 从上面的计算可以看出，由于板孔的存在，造成了现浇钢筋混凝土空心板在 顺管和垂直管道方向上的刚度产生差异，可以按双向不等刚度的等代框架法进行 板的内力和配筋计算，或利用截面剐度等效的原则，将顺管方向和垂直管道方向 一定宽度的混凝土空心板分别等价成厚度相同( 通常取空心板的厚度) 、宽度不 同的矩形截面粱，形成两个方向不等刚度正交的等代空间网格粱( 虚拟交叉粱 “”) ，然后用计算机进行平面分析计算，按空间计算结果进行双向配筋。 垂直管道方向全长按最薄弱截面计算的双向计算方法在一定程度上缓解了 采用单向配筋造成荷载分布不真实的问题。但垂直管道方向，只按最薄弱截面的 刚度计算自然就没能尽可能地反映垂直管道方向的刚度，使计算结果和实际情况 仍有一定的差异，但毕竟与单向设计法相比这种设计方法已有所改善，并且实际 操作性强，所以在工程设计中得到了广泛的应用。 2 1 3 用。平均刚度的概念计算空心板垂直孔道方向的刚度 同时考虑空心段和实心段的“平均刚度”的概念来描述空心板垂直孔道方向 的刚度。首先假定，无论是顺孔方向还是垂直毳道方向，截面应变都服从平截面 假定。取单位宽度的垂直管道方向的板带，计算它的平均抗弯刚度。 如图2 - - 2 所示，可以计算出圆心角为口的单位宽度垂直截面的惯性矩为： k = 西h 3 一d 3 瓦c o s 一3 ( 2 - 3 ) 嚣州 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 该垂直截面在圆心角取徼增量d 8 时对应的溥片厚度为： 4 = 罢瞄伽 由此可以求出水平直径d 范围内截面的累积惯性矩为： = 巴厶。西= 2 f 胆临一穹字岿c o s 伽 经积分运算并整理得： 伽鲁一等 孔道之间宽度为s 的纵肋所对应的累积惯性矩为： z i , ：= 苦1 z 【2 5 ) ( 2 呦 图2 - - 2 垂直管道方向平均刚度计算简图 e 厶= e o 睚厶。+ 厶：) p + s ) 经整理可得。 g d , = e 譬一等弘_ ( 2 - 7 ) 将( 2 - 7 ) 式与( 2 - 1 ) 式比较可知，用。平均刚度”概念算出的垂直于管道 方向单位宽度范围内板的平均抗弯刚度与顺管方向单位宽度范围内板的抗弯刚 度完全相同。是不是正如所计算的那样，现浇钢筋混凝土空心楼盖顺孔和垂直孔 道两个方向的刚度一样，还有待于试验和理论分析的迸一步验证。 2 2 经典弹性分析理论 2 2 1 概述 由两个平行平面和垂直于它们的柱面所围成的弹性体，当其纵向尺寸远小于 平面尺寸时，称为扳。设板的厚度为t ，板面内的最小尺寸b ，当t b 5 为时称 辽宁工程技术大学硕士学位论文 为薄板。平分厚度的平面称为中面。中面的垂直位移w 称为挠度。 在竖向荷载作用下薄板将发生弯曲变形，并产生抵抗这一变形的弯曲应力。 变形后，中面变为曲面，称为弹性曲面。如果弹性曲面不可展，就会在曲面内产 生张力，称为薄膜应力。一般情形下，扳内的应力为薄膜应力和弯曲应力之和。 如荷载较大，由中面产生的薄膜应力不能忽视，这种同时考虑薄膜应力和弯曲应 力的薄板称为柔性板。只考虑弯曲应力的薄板称为刚性薄板。前者考虑了中面的 伸缩和剪切变形，后者忽略了这一变形，通常称为薄板的小挠度理论或线性理论。 薄板的小挠度理论，系基于以下的柯克霍夫假设，它们可以叙述为： ( 1 ) 变形前垂直于中面的直法线，在变形后仍为直线，且垂直于变形后的 中面( 弹性曲面) ，其法线长度不变。 ( 2 ) 垂直于中面的法向应力，对于变形和应力状态的影响都很小，可以忽 略。 ( 3 ) 在中面内没有伸缩或剪切变形。 较之单向空心板与双向实心板，双向空心板的受力计算是十分复杂的。单向 空心板仅考虑长边方向上的板的抗弯刚度；双向实心板是按各向同性板考虑的。 双向空心板在两个方向上的抗弯刚度与抗剪刚度有一定的差异，其受力具有正交 各向异性板的特征。 ， 本方法的思路就是通过拟板法将空心板等效为具有各向异性的实心板，等效 的原则就是各个方向上的抗弯刚度与抗剪刚度相等。这种计算方法的特点是简 捷、方便、实用，有助于从整体上把握双向空心板的受力特征“”。 图2 - 3 空心板直角坐标系 为研究方便，建立笛卡儿直角坐标系，如图2 - 3 所示其方向定义如下： ( 1 ) 在板平面内，定义平行于管轴方向为x 向，又称1 方向。 ( 2 ) 在板平面内，定义垂直于管轴方向为y 向，又称2 方向。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 ( 3 ) 定义垂直板平面方向为z 向，又称3 向 2 2 2 物理方程与几何方程 空心板是具有三个弹性对称面的各向异性板，称为正交各向异性板。在柯克 霍夫假设的基础上，将只有三个应变分量毛、勺、设x 、y 、z 轴与三个正 交的弹性主方向重合，则物理方程可写成如下的形式： 毛2 老一以苦 占产考一以考 = 垒g ( 2 - 8 ) 式中吒、毛x 方向上的单元体的应力与应变； q 、q y 方向上的单元体的应力与应变； 、，0 垂直于】( 1 平面上的剪应力与剪应变。 方程组还可以写成下面的形式： 吒= 每也懈1 q = 每b ) g 哪q 2 f 声乜+ 段毛j g - 9 ) 勺= g 岛i j 其中公式存在着恒等的关系： ( 1 ) 以鳓- - p 2 上式表示x 、y 向的泊松比存在着一定的关系，其乘积为卢2 ，其值大小主 要取移于材料特性 t 2 ) e 。p ，= e 。p 。 在各向异性板中，根据柯可霍夫的基本假设，应变与位移间关系的几何方程 不变，其几何方程如下： 毛一窘勺= - ：寄岛一啬 ( 2 - 柳毛5 唁萨勺2 吒矿岛2 。2 2 丽 1 0 ) 沿平板的厚度方向h 积分，得弯矩与扭矩的表达式如下： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 以一q 孥+ 以刳 坞咄( 雾+ 以割 = 之b 等 ( 2 q 1 ) 式中d i 、d 2 分别为沿x 与y 向的抗弯刚度，q 为抗扭刚度。 d l = 讫尚；d 2 = 嗣e y h 3 ；b = 百g h 3 ( 2 - 1 2 ) 2 2 3 平衡方程 图2 - - 4 表示一平板中面的微元体受力图。一般情况下微分体有六个平衡方 程，对于薄板来说，有三个方程x = o 、y x = o 、 t = o 是恒等的。 图2 4 徽分体内力图 简化其他平衡方程可以得到： 警+ 等中。 缸却 1 警+ 誓一q = o苏却 一4 警+ 警一g = 。 a l ， 缸 ” ( 2 - 1 3 ) 将公式( 2 1 1 ) 代入平衡方程( 2 一1 3 ) 得正交各向异性板的挠曲面方程： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 d l 窘啦寿+ _ 可0 4 0 ) 吼，力 其中d l 、b 见公式( 2 - 1 2 ) ，岛为折算刚度： d 3 = d l 以+ 2 4 ；要( d 1 以+ d 2 以+ 4 q ) ( 2 - 1 5 )d 3 = d l 以+ 2 4 ；寺【d 1 以+ d 2 以+ 4 q j 2 2 4x 方向抗弯刚度d i 空心板沿x 向( 即平行于管轴方向) 板带的横剖面如图2 - 5 所示，其阴影 部分为横剖厦的典型区段。沿x 向板带横截面基本上保持不变，其抗弯刚度取典 型截面直接求解即可。计算得出的等效抗弯刚度e i ，由于截面惯性矩i 由截面 决定的，其刚度折减可通过改变材料的弹性模量来实现。 计算公式推导如下： ) o 励 ) 图2 - - 5 平行于管轴方向空心板横剖面图 厶= 扣一扣= 扣卜筹 e o l 。钱l i 耻e o 鼍- e 茜1 纠砌嘉 b = 为= 为当 式中d l 板沿x 向的抗弯刚度； 磊混凝土弹性模量，仅与混凝土材料本身特性相关； e x 向的弹性模量； 磊_ x 向的的抗弯刚度折减系数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 2 2 5y 方向抗弯刚度d 2 空心板沿y 向( 即垂直于管轴方向) 板带，如图2 6 所示板带沿着x 方 向上的剖面类似空腹粱，空腹梁中部的孔洞高度l l - 随着位置的不同而变化，如 图2 6 中的剖面( 2 2 ) 所示；沿y 方向的剖面为开洞的梁，如图2 6 中的剖 面( 1 1 ) 所示。在计算y 向的抗弯刚度d 2 时，可将无梁空心板视为开孔洞的 变截面刚度的梁。y 向的刚度折减系数计算比较复杂，一般计算方法为等效系统 法和有限元计算。计算得出的等效抗弯刚度e i ，由于截面惯性i 由截面决定的， 其刚度折减可通过改变材料的弹性模量来实现。 晒毒害2 - 2 图2 - - 6 空心板剖面图 等效系统法是将变截面刚度的梁用等刚度的粱来代替，其中等效系统的每一 个挠曲线等于原来变刚度梁的挠曲线。若由一已知的变刚度梁得到了一个等效系 统，就可用等效系统对原结构进行计算。 弹性曲线的一般微分方程为： 一d 2 y 丝 出 班l 积分可以得到： 妄= _ + q y = j _ 争2 邮+ 吃 式中c t 和c 2 是积分常数，可根据变刚度粱的边界条件来确定系统等效，即 辽宁工程技术大学硕士学位论文 挠衄缓刀程彳甘，寺 - 甏岫- - 争+ c i f _ 每出24 - c j ：d x = 争2 “p + t 等效构件与原构件的长度、厚度以及边界条件完全相同，所以q = d ，c 2 = c 2 则得到等效系统法方程： j 争- - 争 _ 争2 = 俨酉m x 疵2 空心板中的空心管均匀地分布与板中，形成的空腔是等间距排列着的。按照 空腔的捧列方式，可以将空心板分割成许多小段，每一段其截面的抗弯刚度与空 r 栀蘑佑的杭鸾刚席县相同的冼取的区目血图2 - 7 中的阴影部分所示。 圈2 7 典型区段截面的选取 l 一l 图2 - - 8 空心板典型区段抗弯刚度计算模型 空心板典型区段很小，可以认为弯矩m 在区段内保持不变。空心板平行于管 轴方向上的宽度为a 。 用等效系统法推导空心板y 向的抗弯刚度计算公式如下： f ”：f n 旦斑 h ”e l q“2 e i l 辽宁工程技术大学颈士学位论文1 9 砉2 畿争= 2 。 + 争 s i m p s o n 公式推导得： 丢= 票他寸1 22 r f r2 + 一4 a hl 2 a6h 8 r 厶 3 j l 旷 3 3 j 厶印磊1 ( 2 - l 外 公式( 2 - - 2 2 ) 推导出的i 。即为空心板的等效截面惯性矩，将其乘以混凝土 的弹性模量，即可以得到y 向抗弯刚度d 2 “”。 w o = q z 妒e o 鼍- e 南 磊= _ 1 1 至r 1 + 3 b ( h 3 - 8 r 3 ) f 2 - 2 0 ) d 2 = 为= 硼e o h 3 5 _ ：， 从以上的介绍我们可以看出，现浇钢筋混凝土空心楼盖的设计计算理论还处 于初步探索阶段，对板在弹性阶段两个方向的刚度差异的认识都还很不全面，对 楼盖的离散化分析、连续化分析、整体分析、弹塑性分析、动力特性分析则更是 缺少，严重阻碍了现浇钢筋混凝土空心楼盖在全行业范围内的推广进程。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 现浇钢筋混凝土空心板静载试验 3 1 试验目的 本次试验的目的为： ( 1 ) 研究钢筋混凝土空心板在均布荷载作用下的工作性能，包括钢筋应力， 板的挠度等的发展和分布情况； ( 2 ) 研究不同面层厚度的混凝土空心板在均布荷载作用下，板的挠度、内 力等的差异变化。 3 2 试验试件的设计和制作 3 2 1 试件的设计 一般来说，由于试验设备和经济条件的限制，通常是做缩尺比例的结构模型 进行试验。模型试验理论是以相似原理和量纲分析为基础，确定模型设计中必须 遵守的相似准则。相似条件主要有几何相似、荷载相似、时间相似 本次试验模型几何比例按1 ：4 进行缩尺。试验模型有两块：两块空心板的 尺寸皆为2 5 7 0 x 2 5 4 0 m ，板厚1 2 0 r m 。空心管为p v c 空心管直径5 0 1 m ，空心管 间净距4 5 m ，其中1 号板空心管的管顶距板的顶部为4 5 m ，空心管的管底距板 的底部为2 5 哪；2 号板空心管的管顶距板的顶部为2 5 m ，空心管的管底距板的 底部为4 5 m 空心管横向布置，每段空心管长度为1 0 0 0 m ，在每段空心管之间 留有l o o m m 的距离，形成板中肋梁。