（安全技术及工程专业论文）预应力混凝土倒T形叠合板楼盖结构的非线性有限元分析.pdf

a b s t r a c t n ep r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o m p o s i t es l a bi sak i n do fn e w t y p e s t r u c t u r ef o r mi nf l o o rc o n s t r u c t i o no fi n d u s t r ya n dc i v i lb u i l d i n g s t r u c t u r e t h et y p es t r u c t u r eh a v ea d v a n t a g e so fc a s t - i n - p l a c em o n o l i t h i c c o n s t r u c t i o na n dp r e c a s tf a b r i c a t e dc o n s t r u c t i o na n da v o i dt h e i r s h o r t c o m i n g s t h i sk i n do fs l a bh a v eg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s i h ei n v e r t e dtc o m p o s i t es l a bh a s p r o d u c e da g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d n ek i n do fs l a bh a si n g e n i o u si d e aa n dh a sm o r ea d v a n t a g e st h a n t r a d i t i o n a ls l a b t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s sn o l i n e a ra n ds u p e r p o s i t i o nc h a r a c t e r i z e so f r e i n f o r c e dc o n c r e t es 1 艄t u r e a n dt h e na n a l y z es u p e r i o r i t yo fp r e - t e n s i o n r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ，w ef o u n dt h a t p r e - t e n s i o n r e i n f o r c e d c o n c r e t es u p e r p o s i t i o ns t r u c t u r ec a na c h i e v ef i n ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i ta n dh a v eg o o dp r o g r e s sp o t e n t i a l s ot h ei n v e r t e dtc o m p o s i t e s l a bi san e wm o d a l i t y t h ei n v e r t e dtc o m p o s i t es l a bi sap a r t i c u l a r s t r u c t u r em o d a l i t ya n ds h o wi t sr a t i o n a ls n u c c u r e m o d a l i t y a n d c o n v i n e i n c e n t l yc o n s t r u c t i o nr e c e n t l yi na p p l i c a t i o n a to n et i m e ，t op o i i l t o u tt h a tt h es i m p l y - s u p p o r t e di n v e r t e dtc o m p o s i t es l a bh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s t h ea d v a n c e ds t r a i n o fp r e s t r e s s e dc o m p r e s s i o n c o n c r e t ea n d t h e l o c a l i n t e r n a lf o r c et r a n s f u s i o nb e h a v i o r i ts i m u l a t et h es i t u a t i o no fi n v e r t e dtc o m p o s i t es l a bo fp r e c a s t f a b r i c a t e dc o n s t r u c i o n b y n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , b ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gn u m e r i c a ls i m u l a t er e s u l tw i mt h er e s u l to ft e s to ns p o t w e n o to n l ye o n f m - nt h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , b u ta l s ot h e u n d e rl o a d i n gs i t u a t i o no fc o m p o s i t es l a bc a nb es h o wc l e a r l yb yt h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sp i c t u r e ，b ys i m u l a t et h ei n v e r t e dtc o m p o s i t es l a b w ea n a l y z et h eu n d e rl o a d i n gs i t u a t i o no fi n v e r t e dtc o m p o s i t es l a ba n d a l s os i m u l a t et h et h r e es t r i d e s 、f o u rs t r i d e s w h i c hi sd i 伍c u l tt ot e s to n s p o ti np r a c t i c e ，as e r i e sc o n c l u s i o nf r o ma b o v ew i l lc o m ei n t ob e i n ga g u i d e l i n es i g n i f i c a n c et ot h ec o n s t r u c t i o ni np r a c t i c e w et a k et h ea i rf o r c em a i n t e n a n c ev o c a t i o n a lt e c h n i c a lc o l l e g e sa sa i l s a m p l ea n db r i n gu pac a l c u l a t em e m o df o rt l l ed e s i g no fi n v e r t e dt c o m p o s i t es l a ba n ds o m en o t e sa b o u tt h ek e ya p p r o a c h e si nc o n s t r u c t p r o c e s ss ot h a tw e c a np o p u l a r i z ea n d a p p l yt h ei n v e r t e dtc o m p o s i t es l a b m o r e c o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：i n v e r t e dtc o m p o s i t es l a b ，u n i d i r e c t i o n a l c o m p o s i t e c o n s e c u t i v es l a bb o a r d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e s i g nm e t h o d 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注 和致谢地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过 的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中 作了明确的说明。 作者签名：瘟越墨差日期：望出j 二月笪日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被i j 习和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲遘缝导师签名：雌嗍碰啦月丛日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢筋混凝土结构非线性分析的特点和发展状况 工程技术领域中的许多力学问题和场问题，如固体力学中的位移场、应力 场分析、电磁学中的电磁分析、热力学中的温度分析、流体力学中的流场分析等， 都可以归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。虽然人们可以得到它们 的基本方程和边界条件，但是能够用解析法求解的只是少数性质比较简单和边界 比较规则的问题，而实际结构的形状和所受的荷载一般来说比较复杂，用解析法 来解决是非常困难的。解决这类复杂问题主要有两种方法：一是引入简化假设， 使其达到可以用解析法求解的状态；二是保留问题的复杂性，利用数值仿真方法 求得问题的近似解。本文所讨论的倒t 形叠合板楼盖的材料性质和受力性能比较 复杂，故通过数值仿真的方法分析其受力性能。 1 1 1 钢筋混凝土结构非线性分析的特点 钢筋混凝土结构是目前工业与民用建筑中最主要的结构型式。由于钢筋混 凝土是由两种性质不同的材料( 混凝土和钢筋) 组合而成的，它的性能明显地依 赖于这两种材料的性能，特别是在非线性阶段，混凝土和钢筋本身的各种非线性 性能，都不同程度地在这种组合材料中反映出来。而按照弹性理论来分析混凝土 结构不能真实的反映它们的具体受力性能“1 。本文所研究的倒t 形叠合板由于其 结构形式和材料比较特殊、受力比较复杂，用弹性理论来分析主要存在着如下问 题： 1 由于钢筋和混凝土的抗拉强度相差很大，钢筋混凝土结构在正常使用状态 下，大部分受弯构件的受拉区混凝土都已经开裂而进入非线性状态，但钢筋并未 屈服仍在弹性状态下工作。因此对一个结构或构件来说，必然是在非线性状态下 工作，用弹性分析方法求得的结构内力和变形就不能反映结构的实际受力状态。 2 混凝土和钢筋在一个结构中共同工作的条件是两者之f 司存在着粘结力且 变形协调，没有相对滑移，但实际上这个条件并不能完全满足，特别是在反复荷 载作用下，光圆钢筋与混凝上之间的粘结往往被破坏，某些情况下会导致变形过 大，因此用传统的线弹性结构方法来分析则不能反映这些现象 3 目前在结构设计中，进行内力分析时，往往按弹性理论考虑，而在构件 截面设计时，却按极限状态进行计算，其结果是内力分析和截面设计的结果都不 硕士学位论文第一章绪论 能反映结构的实际受力情况，从而造成了钢筋混凝土结构分析和截面设计的严重 脱节。 4 与其他任何形式的结构一样，节点和连接是保证钢筋混凝土结构能作为 一个复杂体系承受外力的基本条件，而传统的弹性结构分析将节点理想化为刚结 或者铰接，从而难以为设计提供正确的信息。 ” 由于存在着这些问题，钢筋混凝土结构的非线性分析就显得特别重要，并成 为结构工程领域研究的一个热点。但是用传统的解析法分析钢筋混凝土结构的非 线性问题时只能解决一些非常简单的构件或结构的的计算，而对于比较复杂的钢 筋混凝土构件( 比如本文所讨论的预应力倒t 形叠合板的研究) 用传统的解析 法就很难实现，只能通过有限元的方法得到。有限元法作为一种强有力的研究工 具，成功的运用于各个行业，在钢筋混凝土结构中应用也取得了非常好的效果， 总体来说具有如下的优点陆”： 1 可以模拟钢筋和混凝土之间的粘结，并且在计算模型中能反映钢筋和混 凝土两种材料的非线性特征。 2 在一定程度上模拟节点的构造和边界条件。 3 提供了大量的结构反映信息，诸如结构位移、应力、应变的变化，混凝 土压屈、钢筋流变、粘结滑移、破坏荷载等等。而且可以借助于先进的计算机图 形显示技术，直观地看到结构受荷后从弹性变形到开裂、破坏的全过程，为进行 合理的设计提供形象直观的依据。 4 能部分代替较难实现的现场试验来进行大量的参数分析，为设计和制定 规范提供一定的依据。如本文所讨论的倒t 形三跨、五跨叠合连续板若按常规方 法做现场试验就存在着加荷量太大而难以实现的问题，因此采用数值仿真的方法 得到了较好的效果。 正是由于上述这些优点，有限元非线性分析方法在钢筋混凝土结构的研究和 设计中有着广泛的应用前途。目前国际上著名的有限元通用软件有a n s y s 、 m c s p a t r a n 、m c s n a s t r a n 、a d i n a 等“。他们大多都是采用f o r t r a n 语言编写， 其中a n s y s 是由美国a n s y s 公司开发的用于微机平台的大型有限元分析软件， 不仅包含了多种条件下的有限元分析程序而且带有强大的前处理和后处理程序， 在当今强大的硬件基础条件下，对于工程校验、仿真计算有着广阔的应用前景。 本文所讨论的倒t 形叠合板楼盖分析就是采用该软件来分析的。 1 1 2 钢筋混凝土结构非线性分析的发展状况 最早用有限元法分析钢筋混凝土结构的学者是d n g o 和a c s c o r d e l i s o 一。 1 9 6 7 年他们运用有限元法分析钢筋混凝土简支梁的的抗剪分析，在研究中，主要 2 硕士学位论文第一章绪论 还是基于线弹性理论，将钢筋和混凝土均划分为三角形单元，按平面应力问题和 线弹性理论分析混凝土和钢筋的应力。他们根据试验观察结果，在混凝土梁中预 设了裂缝，并且用无几何尺寸的弹簧来模拟钢筋混凝土的关系。在以后的3 0 年中 钢筋混凝土结构有限元分析有了长足的发展，大体上经历了三个阶段。 第个阶段是1 9 6 7 1 9 7 7 年这一时期，在这个阶段中，在n g o 和s c o r d e l i s 的工作基础上，还提出了分布裂缝( s m e a r e dc r a c k ) 模式，将钢筋分布在混凝土 单元中，假定钢筋和混凝土之间有效粘结。由于分布裂缝模式计算相对简单并具 有较好的精度，这一模式已经被应用于平面应力、平面应变、板弯曲、壳体、轴 对称和三维实体问题。这一阶段的研究和应用都取得了很大的进展，但总的来说， 不管是理论研究还是工程应用都比较粗糙，处于探索阶段。 第二个阶段是1 9 7 7 - - 1 9 8 5 年这段时期，这个时期的研究工作主要可分为两 个方面。一方面是继续在单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论，裂缝 的模拟和拉伸强化，骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究。另一方 面是系统性的总结和交流工作。美国土木工程师协会组织了一个2 0 人的委员会， 花了5 年的时间，总结和分析了钢筋混凝土结构有限元分析领域的大量研究资料 和信息。在这一时期，欧洲和亚洲一些学者也在钢筋混凝土结构的有限元分析方 面进行了大量的研究工作，1 9 8 1 年，国际桥梁与结构工程协会在荷兰召开了“高 等混凝土力学”的国际会议；1 9 8 4 年，在前南斯拉夫召开了“混凝土结构的计 算机辅助分析与设计”国际会议；1 9 8 7 年7 月在联邦德国召开了“钢筋混凝土 空间结构非线性性能”的国际会议；。同时期，日本学者在起步晚的情况下，他 们在梁、柱、梁柱节点、剪力墙、核反应堆结构等方面都进行了深入细致的研究， 并部分地应用于工程设计或为制订规范提供了依据。而我国学者在资料较少的情 况下也开始进行了研究工作，发表了一些论文和专著。 第三个阶段是1 9 8 5 年到现在这段时期。除在混凝土的本构关系的表述和试 验研究方面继续进行更深入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一 步向实用方向发展，努力把现有的分析方法与工程设计结合起来。研究的领域也 进一步扩展到动力、冲击荷载下的非线性分析，分析模型和材料参数成为预测钢 筋混凝土结构在动力与冲击荷载下性能的研究热点；高强混凝土和受约束混凝土 结构的非线性有限元分析也受到了重视；材料非线性、几何非线性以及时间因素 的综合考虑也溶入了钢筋混凝土结构的非线性有限元分析。在这一时期中，我国 在钢筋混凝土结构非线性有限元分析的大部分领域开展了研究工作，取得了很大 进展。我国虽然没有专门召开过钢筋混凝土非线性有限元分析方面的会议，但这 方面的研究工作在计算力学、结构工程、地震工程等全国性的学术会议中都有所 反映，也出版了钢筋混凝土结构非线性有限元分析方面的专门著作，反映了我国 硕士学位论文第一章绪论 在这一领域的研究成果。近几年来我国在地震作用下钢筋混凝土结构的非线性有 限元时程分析方面的所做的工作也在国际上产生了一定的影响。 i 1 3 钢筋混凝土结构非线性分析的发展趋势 钢筋混凝土结构非线性有限元分析的目的主要有两个方面，第一是认识钢筋 混凝土结构在各类苟载作用下的受力性能和破坏机理；第二是为钢筋混凝土结构 的合理设计提供依据，今后的研究将在这两个方面开展工作。 一为了更好地认识钢筋混凝土结构的受力性能和破坏机理，对下列一些基 本问题的深入研究是必需的： 1 在多轴应力状态下混凝土本构关系的试验及分析模型的建立 2 在反复荷载作用下混凝土受力性能的试验及滞回关系模型的描述。 3 粘结、开裂及剪切机理的进一步研究和有限元描述。 4 各种单元的最优选择，例如是选择钢筋与混凝土的组合单元还是分别单 独选择混凝土单元和钢筋单元等。 5 裂缝模式的最优选择，例如选择离散裂缝模式或者分布裂缝模式的条件 和适用场合，这种选择对计算结果的影响等等。 6 非线性计算的各种算法及其稳定性问题。 二为了更好地用非线性有限元分析方法解决钢筋混凝土结构设计中的各种 复杂问题，也需要在下列一些问题上进行深入研究旧： i 大型、开放的钢筋混凝土结构非线性分析程序的研制。这种程序应经过 试验数据的检验，应包含混凝土在各种受力状态下的本构关系，应为用户提供灵 活方便的接口，允许用户使用具体工程的试验数据来建立混凝土和钢筋的本构关 系，允许用户使用按最新试验数据建立的破坏准则等等。 2 各种分析模型、计算方法的比较和选择。在基本模型和方法的研究中， 一般是用有限的试验数据检验分析的正确性，而作为在设计中的应用，由于工作 的复杂性和大型化，不可能直接用试验检验某种分析方法的正确性。这时就必须 选择不同的分析模型和方法，对同一类结构进行计算分析，再通过进行参数研究 和比较分析，从中选择适合某一类结构的分析模型和方法。也可以通过这种有效 的计算，使得验证性试验的数量大大减少。 3 对现有的规范设计方法的评价和改进。其目标是，借助于有限元分析方 法，重新评价现有的设计公式和宏观分析模型，通过大量的参数分析来改进宏观 模型，进一步完善设计方法；希望发展一种有效的单元，例如像钢筋混凝土组合 单元一样，这种单元具有较少的自由度，可以用于分析大尺度的结构而仍然具有 较高的精度，等等。 4 硕士学位论文第一章绪论 4 不完整结构的分析和模拟。正在施工中的结构、分段装配式结构、在全 部施加预应力之前的预应力混凝土结构，这些结构都是不完整的结构，在实际施 工中经常存在。对这些结构，用钢筋混凝土结构有限元方法进行非线性总体分析、 区域分析以及局部分析是具有重要现实意义的课题，近几年来受到了人们的重 视，这也是有限元分析方法应用于工程实际的一个重要领域陬。“。 1 2 预应力混凝土叠合结构的产生背景和特点 1 2 1预应力混凝土结构的发展概况 所谓预应力混凝土结构就是在结构承受外荷载前，先对混凝土构件预加压 力，人为地事先对结构造成一种应力状态。这种应力的大小和分布规律，与外荷 载产生的应力大小和分布规律相反，使之可以抵消由于外荷载产生的全部或部分 拉应力。这样由预压应力与外荷载产生的拉应力叠加后，根据事先预加应力的大 小，可使结构在使用状态下不出现拉应力、或推迟裂缝的出现，或将裂缝宽度控 制在一定的限度内，这就是预应力的基本原理。造成这种预应力状态，通常是靠 张拉高强度钢筋，使之伸长后的钢筋锚固于混凝土中( 靠锚具和粘结力) 。由于混 凝士构件阻止钢筋的回缩而造成钢筋受拉、混凝土受压的预应力状态。这种预应 力状态必须靠高强度钢筋来实现。混凝土由于受到高的预压应力，也应尽量采用 较高强度混凝土” 预应力混凝土最早是由著名的法国工程师弗来西奈研究成功的【m 硼。经过数 十年的研究开发与推广应用，取得了很大进展，在房屋建筑、桥梁、水利、海洋、 能源、电力及通讯工程中得到了广泛应用，节约了大量的材料与投资，促进了社 会生产力的发展。目前，世界各国都在大力发展预应力混凝土，可以说，预应力 混凝土结构作为一种先进的结构形式，其应用的范围和数量是衡量一个国家建筑 技术水平的重要指标之一。预应力结构在房屋建筑中得到了工程上的广泛应用， 预应力技术在楼盖中的应用主要有三种形式：全现浇的无粘结预应力楼盖，全预 制的装配整体式预应力圆孔板楼盖，半预制半现浇的预应力叠合板楼盖，本文所 研究的预应力混凝土倒t 形叠合板楼盖属于半预制半现浇的预应力叠合板楼盖， 其主要优点表现在： 1 改善和提高了结构和构件的受力性能； 2 节约钢材、混凝土，减轻结构的自重； 3 提高了构件的抗疲劳性能： 5 硕士学位论文 第一章绪论 4 提高结构或构件的耐久性和抗震能力； 5 可以解决使用其它结构材料难以解决的技术问题，建造各类大型、大跨 度重载、高耸的建筑工程。 1 2 2 预应力混凝土叠合结构产生的背景 混凝土叠合绩构是在预制的钢筋混凝土或预应力混凝土梁( 板) 上后浇混凝 土所形成的两次浇筑混凝土结构，欧美称组合结构( c o m p o s i t es t r u c t u r e ) ( 1 。1 3 o 混凝土叠合结构最初是为了解决全预制结构吊装能力不足，或者是为了解决现浇 整体结构现场浇筑混凝土时施工模板支撑困难，或工期较长等施工问题而发展起 来的。按其受力性能可以分为“一次受力叠合结构”和二次受力叠合结构”两 类n 1 。 在工业与民用建筑中，楼盖结构一般采用整体现浇式和预制装配式两种形 式。整浇式钢筋混凝土楼盖是钢筋混凝土结构的最早型式，众所周知这种结构虽 有整体性好刚度大的优点，但相应也有很多缺点，如费工大、费木料多、施工周 期长、生产较难工业化等。因此随着建筑施工技术的发展，人们逐渐将整浇式钢 筋混凝土结构部分发展成装配式钢筋混凝土结构，装配式结构可使建筑构件工业 化( 设计标准化、制造工业化、安装机械化) ，制造不受季节限制，能加快施工进 度；还可提高构件质量、免去大部分模板支撑，因而节约木料和钢材。但是这种 结构的致命缺点是整体性差，不利于抗震，此外抗渗性也差。1 9 7 6 年的唐山大 地震，装配式结构几乎全部倒塌，因此在地震区人们对装配式结构房屋视为畏途。 就是非地震区的多层工业厂房如造纸厂、糖厂、酒厂等为了抗渗仍然采用整浇式 结构。这说明整浇式结构和装配式结构都有它不可忽视的优点和缺点，因此人们 也就想到了取二者之长而舍其短发展混凝土叠合结构。本文中所研究的倒t 形 叠合板楼盖就是在这样的背景下产生，且通过巧妙的构思所设计的。 1 2 3 预应力混凝土叠合结构的优缺点 严格地说，所谓混凝土叠合式装配整体结构，就是将整浇式结构根据其使用 时和制造时的受力特点改变为预制的单个构件部分和现浇部分，其中预制的单个 构件部分在工厂制造，然后将其运到现场装配，再在其上浇捣现浇部分，当现浇 部分结硬后即形成混凝土叠合式装配整体结构。因此这种结构的主要优点是显而 易见的1 。 1 从受力性能上看，相对于全预制装配结构而言可提高结构的整体刚度和 抗震性能；在配置同样的预应力筋时，相对于全截面的荷载作用受拉边缘而言， 6 硕士学位论文第一章绪论 在预制截面上建立的有效预压应力较大，从而提高了构件的抗裂性能。在同样抗 裂性能的前提下，则可节省预应力筋用量。同时混凝土叠合结构的二次受力特点 减少了连续结构支座截面的负弯矩，从而减少了相应的钢筋量，更加便于施工。 2 从制作工艺上看，叠合结构的主要受力部分在工厂制造，机械化程度高， 易于保证质量，采用流水作业生产速度快，并且可提前制作，不占用工期。现浇 混凝土以预制部分做模板，较全现浇结构可减轻支模工作量( 尤其是高空或困难 条件下) ，节省摸板材料、提高施工效率、缩短工期、同时工厂预制易于实现较 复杂截面形式的制作，对于开发构件承载潜力，降低结构自重具有明显的优势 3 混凝土叠合式装配整体结构的预制构件、体积小、重量轻、运输吊装都 比较方便，比装配式结构的灵活性和适用性更大，运输安装设备较差的小城市和 山区都可采用“”。 4 科学试验和工程实践结果表明，混凝土结构工程中采用叠合结构可取得 十分显著的经济效益。当结合采用高强钢筋时，钢筋用量可大大降低，节省钢材 5 0 左右。当结合采用空腹预制截面时，节省混凝土3 0 一4 0 。模板可节约 7 5 一8 5 ，i 期可缩短l 5 l 3 。尽管增加了预制加工和运输吊装环节， 但工程总造价仍可降低1 0 以上。 混凝土叠合式装配整体结构有它突出的优点，也存在一定的缺点。混凝土叠 合结构的基本构件。般为叠合梁和叠合板，截面由预制混凝土截面和后浇混凝土 截面组成，它们的共同工作性能依赖于新旧叠合面的抗剪性能。因此，混凝土叠 合结构设计除需要进行预制构件和叠合构件的正截面、斜截面设计外，叠合面的 抗剪设计是非常重要的组成部分。因此混凝土叠合结构的设计要复杂一些，将增 加设计工作量。显而易见，混凝土叠合结构的施工技术含量也有较大的提高，特 别是在施工质量管理方面向施工单位提出了更严格的要求。 ，尽管混凝土叠合结构的受力性能研究与工程应用已经历了半个多世纪的历 程，但其发展仍方兴未艾。随着新型建筑材料的出现，叠合结构的组成也有了新 的变化，例如将钢纤维混凝土应用于简支叠合梁( 板) 的预制部分，用于连续叠合 梁( 板) 的预制部分和承受负弯矩的现浇混凝土部位，用于叠合梁板结构节点区域 等，其受力性能也在改变，这对于混凝土叠合结构领域的扩展具有十分重要的意 义。 7 硕士学位论文第一章绪论 1 3 预应力混凝土倒t 形叠合板楼盖的研究概况 i 3 1 倒t 形叠合板的提出 由于装配式楼盖和整体现浇式楼盖都有着相反的优点和缺点，而这些缺点大 大的制约了这两种楼盖在工程中的应用。高效预应力薄板叠合楼盖是一种新兴的 结构形式，现在已经被广泛采用，高效预应力叠合板楼盖是利用高强度钢筋和高 强度等级混凝土，经工厂化制作成预应力预制构件，运至工程现场安装后，与现 浇混凝土叠合而成的新型装配整体超静定结构，这种结构兼具现浇式和装配式两 种结构形式的优点而避免它们缺点的一种合理的楼盖结构形式。但是传统的薄板 叠合板其预制薄板太薄，其截面形式如图l - l 所示，制作和运输中易于损坏，并 且由于预制板太薄不能直接承受施工荷载，而必须在板底处间隔一定距离设置由 立柱和横撑等组成的临时支撑且一般要保持连续两层支撑。故在很大程度上制约 了这种结构的大规模推广应用。而预应力倒t 形叠合板楼盖就是针对薄板叠合 楼盖的上述缺点而提出的一种新型的结构形式呻。”，如图l - 2 、1 - 3 所示。 厂 巨苎至至至至三虽巨三三! ! ! 三虽 图1 - 1 薄板叠合板的预制板示意图图l 一2 倒t 形叠合板的预制板示意图 图l - 3 倒t 形叠合板的预制板图图1 4 倒t 形叠合板二次配筋图 倒t 形叠合板楼( 屋) 盖是以预制倒“t ”形板为底模，由于预制倒。t ” 形板的肋部高度已达叠合板的最终设计厚度，因此后浇叠合层混凝土只浇注于安 装后的倒。t ”形板肋间的凹槽内。预制倒。t ”形板的端支座处肋间凹槽内上 部的配置非预应力负弯矩钢筋，跨中肋部凹槽内下部可以配置非预应力纵向正弯 l 硕士学位论文第一章绪论 矩钢筋，再通过二次浇筑混凝土便可以形成单向连续整体叠合板“”，如图1 - 4 所示，近几年来倒t 形叠合板已经在实际工程中得到了推广应用，倒t 形叠合 板与传统的薄板叠合楼盖相比具有以下优点： 1 预制倒“t ”形板肋部厚度大，因而具有较大的施工刚度和施工承载力， 由此使预制构件的制作、施工变彳导简便、可靠。 2 后浇混凝土只叠合于预制倒“t ”形板的翼缘部分，倒“t ”形叠合板属 于部分叠合板，其受力性能优于薄板叠合板楼盖。 3 在后浇混凝土条带中，可配置跨中截面的非预应力筋( - - 次配筋) ，为设 计人员提供了二次设计的空间。 1 3 2 预应力混凝土叠合连续板概述 在叠合结构的实际应用中，叠合连续板采用得最为广泛，因此对这种结构 进行系统研究具有非常重要的现实意义，在欧洲很多国家( 如德国和法国) 叠合 连续板楼盖得到广泛的采用。7 0 年代末，法国建筑科学技术中心出版了有关采 用预制混凝土薄板组成的楼板的设计、计算、生产和使用的全部技术规程。8 0 年代初德国钢筋混凝土委员会主持和协调了预应力连续叠合板的研究计划，对这 种结构进行了系统的试验研究取得了可靠的研究成果，提出了“关于预应力叠合 板的设计建议”。在中国随着我国居住建筑和公共建筑的不断发展，迫切要求提 供一些抗震性能好、施工方便又经济合理的大柱网的楼盖结构形式，1 9 8 2 年铁 道部建厂工程局科研所等单位提出了一种大开间预应力混凝土叠合连续多孔板 的楼盖结构方案，并进行了系统的试验，得出了很多有益的结论。1 9 8 4 年四川 建筑科学研究所的卢盛湾高工等，结合工程的实践对预应力薄板叠合连续板进行 了系统的试验研究，对这种结构的支座调幅系数和叠合面的具体制作提出了十分 中肯的意见。1 9 8 7 年中国建筑标准设计研究所正式出版预应力混凝土叠合板 标准设计图集，为这种结构的推广提供了有利的条件。 但是值得指出的是，上述国内外的试验都是在两次制造一次受力情况下进 行试验研究的。没有反映叠合连续板二次受力的真实性能，把第一阶段受力时预 制构件呈简支状态对支座不产生负弯矩的情况忽略不计，而把叠合连续板的支座 负弯矩当作整浇连续板的支座弯矩一样看待( 虽然有时板跨较大，第一次加载时 中问要临时支撵，但实际上支座负弯矩仍比整浇连续板小) 。这样就使支座负弯 矩筋配置过多，再加上这种结构的叠合面水平抗剪的构造配筋，故总用钢量较大， 影响了这种结构的经济效果，从而也就影响了它的推广使用“”。 单个倒t 形叠合板构件一般为简支单向受力板，但在预制板端支座处后浇 叠合层内配置负筋后沿纵向可形成单向叠合多跨连续板，如图1 - 4 所示。这样不 9 硕士学位论文 第一章绪论 仅能大大提高板的承载能力还可以大大降低成本。 岳配她自秘弼 1 4 本文的工作 图l - 4倒t 形纵向单向叠合连续板示意图 本文针对倒t 形叠合板楼盖结构体系主要作了以下工作： 1 简要分析了倒t 形叠合板的主要受力特性。 分析了简支倒t 形叠合板具有预应力钢筋的。应力超前”和“局部跨中 正截面内力的转移”呻1 等受力性能，并对倒t 形叠合连续板的受力性能进行了 阐述。 2 倒t 形叠合板的有限元数值仿真与试验结构的对比分析。 对倒t 形叠合简支板和两跨连续板进行了数值仿真，与试验对比分析，得 出了诸多有价值的结论；本文还对实施试验比较困难的倒t 形叠合三跨连续板 和叠合五跨连续板进行了数值仿真，并且对倒t 形叠合五跨连续板当活载布置 在不同位置的情况下倒t 形叠合板的应力分布等做了分析，得出了一些对实际 工程具有一定指导意义的结论。 3 推广和应用倒t 形叠合板楼盖。 本文以长沙空军维修技术学院实训楼楼盖为例。提出了倒t 形叠合连续板 的设计计算方法和施工过程中的一些关键步骤的注意事项，为今后更好地推广和 应用倒t 形叠合扳楼盖奠定了基础。 1 0 硕士学位论文第二章倒t 形叠合板楼盖受力性能分析 第二章倒t 形叠合板楼盖受力性能分析 2 1 钢筋的本构关系 钢筋的本构关系对钢筋混凝土结构有限元分析结果具有重大的影响，如果所 选用的本构关系不能很好地反映材料的各项力学性能，那么其他计算再精确也无 法反映结构的实际受力特征。 2 1 1 钢筋的应力应变关系 在外力的作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度，测定钢筋强度的主 要方法是拉伸试验，钢筋受拉时，在产生应力的同时相应的产生了应变。钢筋的 应力应变关系反映出钢筋主要力学的特性，图2 1 为钢筋拉伸试验的应力应变关 系示意图。 图2 _ l 钢筋单轴拉伸应力j 应变关系图图2 - 2 双直线模型 但是在钢筋混凝土理论分析中，运用上述应力应变关系比较复杂，所以在有 限元分析中简化了钢筋的应力应交关系，对不同性能的钢筋建立不同的应力应变 曲线数学模型，常用的本构模型有以下几种嘲： 1 双直线模型( 理想弹塑性模型) ： 将钢筋的应力应变曲线简化为两根直线，该模型不计屈服强度的上限和由 于应变硬化而增加的应力。图中段为完全弹性阶段，雪点为屈服下限，相应 的应力及应变为，：和占。弹性模量e s 即为o b 段的斜率；b c 为完全塑性阶段，c 点为应力强化的起点，对应的应变为矗。过c 点后，认为钢筋的变形过大不能 正常使用。此模型适用于流幅较长的低强度钢筋，如图2 - 2 所示。 硕士学位论文第二章倒t 形叠合板楼盖受力性能分析 双直线模型的应力- 应变关系为： 。 当，s 拿时： 。s ：e s e s 二d c s 当， s 。h 时：0 5 ； 各2 。 d s 式中：工一钢筋达屈服时的应力 ，一钢筋达屈服时应力对应的应交 气一钢筋达到强化阶段时对应的应变 最一钢筋弹性模量 2 三折线模型( 完全弹塑性加硬化模型) ： 对于屈服后立即发生应变硬化( 应交强化) 的钢筋，前述双直线应力应交模 型过低地估计了高应变时的应力。为了正确地估计高出屈服应变的应力，可采用 三折线模型，如图2 3 ，图中o b 及b c 直线段分别为完全弹性和塑性阶段。c 点为硬化起点，c d 为硬化阶段。到达d 点时受拉应力达到极限值厶，相应的 应变为气，即认为钢筋破坏。此模型适用于流槎较短的软钢。 当e ，s 缶时 “s s 当e ，乏s e 曲时， 。s2 当e 曲苦弘“时，o s2 + ( s 小a n 目 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 圈2 - 3 三折线模型圉2 4 双拜线模型 3 双斜线模型( 弹塑性模型) ： 对于没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力应交益线的模型可采甩双斜线 模型“，如图2 - 4 所示。图中b 点为条件屈服点，c 点为应力达到极限值矗相 应的应交为气。双斜线模型的应力一应交关系为： 1 2 硕士学位论文 第二章倒t 形叠合板楼盖受力性能分析 当y 当e 。 0 s 2 e s 8 s 曲时，o s = + ( s 一y ) t a n o 4 双斜线加曲线模型( 弹塑性模型) ： 图2 - 5 双斜线加曲线模型 ( 2 - 6 ) ( 2 。7 ) 对于没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力应变曲线的模型也可采用双斜 线加曲线模型，如图2 - 5 所示。 图中曲线曲段为软化段，其应力一应变关系式为： 鼍2 晋等等 ， a = j 业一一三十l 坠曼一q 二 ，q 、 。 e 一e ( 一、 p 叫 o8b8 ， 式中，口。、s 。、“分别为图2 - 5 中所示口点及b 点的应力和应变。 本文分析中，对钢筋的研究采用三折线模型。 2 1 2 钢筋的屈服条件 本文模型中，对钢筋进入屈服阶段的判定准则选用m i s 屈服条件( 最大弹 性形变能条件) 慨”。他认为材料在口l + 0 2 + 0 3 铷的平面上，可以用一个圆来 代替屈雷斯卡六边形，这样可以避免由于屈服面不光滑而带来的数学上的困难。 其数学表达式为： ( o l 0 2 ) 2 + ( 0 2 - - 0 3 ) 2 + ( 0 3 一0 1 ) 2 = 2 力2 ( 2 - 9 ) 其中：为单向拉伸试验中所取得的屈服应力 m i s e s 条件在主应力空问是对坐标轴盯l 口2 、盯3 为等倾斜的圆柱体。其屈 服曲面为个以等倾线为轴线的无限长的圆柱面。对于m i s e s 屈服准则，其等号 左边的函数可以有多种不同的物理解释，可以认为是八面体上的剪应力，形状改 ， d 叫 一 一乓五b 1 0 0n i 矗，取0t = 1 4 9 n m 2 预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力冷轧带肋钢筋的应 力为蚓：口。= 口。一口l = 3 0 6 n m 2 钢筋有效预拉力为：= 4a ，= 8 4 1 5 0 n 截面抗裂验算边缘砼有效预压应力为： 口矿矗+ f o e p n 五= 4 7 4 n m m 2 硕士学位论文第三章倒t 形叠合扳的非线性有限元实施与对比分析 倒t 形叠合板中预应力钢筋的有效预拉应力和受压区混凝土边缘有效预压 应力与仿真试验中预应力钢筋拉应力和混凝土第一主应力图吻合如图3 - 6 、3 7 、 3 - 8 所示。这说明通过降温法可以达到对倒t 形叠合板施加预应力的目的。 图3 6 施加预应力后叠合板变形图 图3 7 施加预应力后钢筋x 方向应力图 图3 8 施加预应力后倒t 形板第一主应力图 从图3 6 可以看到，由于施加预应力使得倒t 形叠合板产生了反拱“”，倒t 形叠合板产生的反拱不能超过l 2 5 0 ，从数值仿真变形图中可以看到倒t 形叠合 板产生的反拱最大挠度为d 耐= 4 5 m m o 5 k n m 4 跨中截面弯矩计算。 、 、i f 按预制倒t 形板安装在2 5 0 r a m 宽的框架梁上，搁置长度为8 0 r a m ，倒t 形 板的计算跨度为厶为3 4 3 0 m m 、 ： 。“ ( 1 ) 跨中截面弯矩标准值1 ， ， m i 矿g i i 正1 2 8 = 1 1k n m ： t ” 必= g 1 2 正1 2 8 = 0 7 5k n m 一 肠t = q i 正1 2 8 = l 。4 6k n i n。一。 j f i 膨萨m m + m m = 1 8 5k n mt “ 4 、；、j j j m k ：3 3 1k n m ， ，、， 。f ，。 ( 2 ) 跨中截面弯矩设计值 ，- 、一，“。t ： e i ： m * 2 ，om “= 1 3 2k n m l r ，。 ， 。1 ” l 。 = ，。肠= 0 9k n m 。一 ， 奶g = m n a + 斫= 2 2 2k n i n 尬。= 蚴讲= 2 1 0 4k n m t 、十“7 阿1 t 一。+ ：j 。 z m t 54 2 6 k n i n 。：，： 5 配筋计算：设砼保护层厚度为1 5 m m ，则h 0 = 8 2i n l l l 。 硕士学位论文 第四章倒t 形叠台楼盖的推广与戍用 口。= c q f 堕一= o 2 6 1 , b l h 0 2 口2 一2o 2 6 l 卣= 1 - 、 1 2 吼= 0 3 0 9 a 口= 专f 婶吣| f 口= 1 4 5 m m 二 选配9 秽5c r y 5 0 级冷轧带肋钢筋，席女= 1 7 7 m m 2 ，如图一2 所示 6 倒t 形预制板几何参数 由于钢筋是混凝土的弹性模量的6 3 3 倍，所以可以得出整个截面的换算面积 为a 。= 3 0 7 4 3 m 2 ，进而可以得出形心位置如图4 - 3 所示： 广、n 图4 2 倒t 形预制板配筋示意图图4 3 倒t 形叠合板截面几何参数示意图 根据截面形状，可以得到： ( 1 ) 截面惯性矩五= 2 2 7 7 9 2 6 1 哪4 ( 2 ) 截面抵抗矩孵