单位文秘网 2022-02-14 08:08:27 点击: 次
摘要:为研究起拱对钢筋混凝土空腹夹层板结构静力性能的影响,分别建立了起拱以及未起拱时从施工到正常使用的全过程模型,并将起拱与未起拱的分析结果进行对比。研究表明:起拱后支撑钢管轴力、框架柱剪力、上下肋弯矩、下肋拉力及压力、剪力键剪力等变化不大,上肋拉力、压力均有所降低且变化较为明显,从安全性考虑,在对上下肋及剪力键进行设计时可不考虑起拱影响;起拱后楼板变形基本无变化,表层薄板x、y向拉应力明显降低,且跨度越大楼板拉应力降低幅度越大,从经济性考虑,建议在对表层薄板进行设计时考虑起拱所带来的影响,并将其视为整体进行考虑,跨中区域的表层薄板按压-弯构件进行构造配筋,边节间区域的表层薄板按拉-弯构件进行计算配筋。
关键词:空腹夹层板;起拱;应力;裂缝
中图分类号:TU375文献标识码: A空腹夹层板结构具有自重轻、用钢量省、结构高度小的特点,广泛应用于单层或多层大跨度空间结构中[1-3]。在正常使用状态下,结构由于荷载作用将会产生向下的变形,因此为避免大跨度结构产生较大的挠度,需在施工时对结构进行预起拱,从而保证结构在正常使用阶段的安全可靠。目前关于普通梁板结构、大跨度空间钢结构等的施工起拱分析均有研究[4-6],研究表明起拱对结构静力性能有一定影响。
空腹夹层板结构由上下肋、剪力键及表层薄板组成,如图1所示。上下肋主要承受轴力以及弯矩,剪力主要由剪力键承担,并通过剪力键使上下肋共同工作;表层薄板受力时为整体“碗状”变形,受力较为均匀[7]。在空腹夹层板结构施工时,通常按短跨跨度的1/500进行起拱[8],起拱后结构受力发生改变,且空腹夹层板结构跨度较大,但其结构层高度及构件尺寸较小,因此为保证设计及施工的安全性,需对起拱后结构的静力性能进行分析。
有鉴于此,本文对结构从施工到正常使用时的全过程进行静力分析,将起拱与未起拱时结构的受
以贵州省老干部活动设施改扩建项目为例,首先介绍了其工程概况;其次对施工起拱方式及其有限元模拟方法进行阐述;再次对全过程进行分析;最后将起拱与未起拱的分析结果进行对比,并对空腹夹层板结构的设计提出建议,以为工程实践提供参考。
1工程概况
贵州省老干部活动设施改扩建项目,如图2所示。本工程结构体系为大跨度框架,地下两层,地上五层。建筑物总高度28.90 m,地下两层层高均为3.90 m,地上一层层高7.00 m,二~四层层高均为5.10 m,五层层高6.60 m。地下两层楼盖为普通梁板结构;地上大跨度楼盖采用钢筋混凝土空腹夹层板结构;屋盖为正放四角锥网壳。
分析本工程分为A、B两个区域,本文仅涉及B区空腹夹层板部分的相关研究。B区一~四层均为正交正放钢筋混凝土空腹夹层板,结构平面布置图如图3所示,图中涂黑处表示实腹梁,虚线处表示夹层板上下肋,其中一~三层跨度15.60 m,四层跨度31.20 m。空腹夹层板结构采用两次现浇混凝土的施工方法,第一次需浇筑完下肋及剪力键混凝土(浇筑至上肋底面),混凝土强度等级C40;第二次浇筑上肋及表层薄板混凝土,混凝土强度等级C45。本工程施工时,支撑钢管采用Q235钢,规格φ48×3 mm,各层水平杆步距均为1500 mm,支撑立杆间距均为900×900 mm。各层主要构件截面尺寸如表1所示。
2.1考虑起拱影响的几何模型
2.1.1起拱方式
施工时,根据文献[8]将空腹夹层板按短跨跨度的1/500进行施工起拱。各层如图4(a)、(b)所示,分别从长边向中间起拱;15.60 m及3120 m跨度区域最大起拱值分别为31.20 mm、6240 mm。
空腹夹层板结构刚度分布均匀,楼盖整体挠度为“碗状”分布,因此可通过SAP2000中的“修改未变形几何”功能,对结构无应力状态时的初始几何形状进行修改,以模拟其施工起拱。由于在对施工过程进行分析时,支撑体系的影响不可忽略,但支撑的存在会使得上部结构的变形受到下部结构刚度的影响,进而影响对其初始未变形几何形状的修改,因此在修改结构的初始未变形几何形状时,将支撑钢管的弹性模量设为10 N/mm2(与其实际弹性模量2.06×105 N/mm2相比极小,可认为其为0);完成对结构初始未变形几何形状的修改后,再将支撑钢管的弹性模量改为实际值,从而进行全过程分析即可。
通过上述方式,使得各楼层跨中点预起拱值达到31.20 mm或62.40 mm,预起拱后的结构初始未变形几何形状为向上的“碗状”,以4层为例,如图5所示,以此模拟实际施工过程中的起拱。
2.2单元的选取及设定
在SAP2000中建立有限元模型时,楼板采用厚壳单元,除此之外均采用框架单元,并将楼板指定自动边束缚;将支撑体系中的支撑立杆设定为只受压单元,同时释放其与混凝土交接点处的弯矩以及扭矩,以此来模拟支撑立杆的实际受力情况;将夹层板上下肋与外框梁交接处进行“耦合”处理,即指定节点束缚并选择“Body”束缚。
2.3各影响因素及计算工况的设定
3.1分析步骤
由于本文主要研究空腹夹层板结构的静力性能,地下两层普通结构在施工首层夹层板时已达到设计强度,且其对上部夹层板结构的影响较小,因此为方便模型的建立,对地下两层结构的施工过程不做具体分析;在进行有限元分析时,取施工活载为1.00 kN/m2,若本層支撑拆除后,则在其底板上施加相应的设计荷载:恒载1.50 kN/m2,活载4.00 kN/m2,为方便荷载的添加,将相应的设计荷载由荷载组合换算为等效的活载,并以活载形式添加到结构上。
根据夹层板部分的实际施工过程,建立全过程分析模型,其阶段分析工况及步骤,如表2所示。
3.2分析结果对比
由于1~3层空腹夹层板结构跨度及构件尺寸等均相同,因此取1层以及4层为例,对起拱与未起拱的分析结果进行对比;在下文中,变化幅度=(起拱后分析结果-未起拱时分析结果)/未起拱时分析结果。
3.2.1钢管轴力、框架柱剪力
由模型分析结果可知,起拱与未起拱时钢管轴
钢管轴力较大位置均位于实腹梁端部的剪力键下部、实腹梁下部及其附近区域;其余位置处钢管轴力均较小,且分布较为均匀。因此,在实际施工过程中建议对实腹梁附近区域的支撑钢管进行加密处理。
3.2.2上下肋、剪力键内力
由于在空腹夹层板结构中,上下肋为拉-弯或压-弯构件,剪力主要由剪力键承担,因此仅对起拱与未起拱时上下肋轴力及弯矩、剪力键剪力进行对比分析。
(1)上、下肋轴力
起拱与未起拱时1层及4层各阶段上、下肋轴力变化幅度,如图6、7所示。由图中对比结果可知,起拱后上肋所受的拉力、压力均有所降低,且较为显著;下肋所受的拉力略有降低、压力略有增加,但变化不大。
由有限元分析结果可知,无论起拱与否,上下肋轴力分布均与设计相同,上肋中间节间轴力均为压力,且在边节间反号;下肋中间节间轴力均为拉力,边节间均为压力。
(2)上、下肋弯矩
由分析结果对比可知,起拱与未起拱时,上下肋弯矩基本相同;无论起拱与否,上下肋弯矩分布均与设计相同,在空腹夹层板同一条肋上,上下肋
(a)1层上肋轴力变化幅度 (b)4层上肋轴力变化幅度
(3)剪力键剪力
由分析结果对比可知,起拱后剪力键所受剪力略有增加,最大变化幅度为+4.84%,变化并不大,可忽略其影响;无论起拱与否,其剪力分布均与设计相同,越靠近边节间其剪力越大,越往跨中其剪力越小。
起拱后,上肋轴力降低较为显著,弯矩基本无变化,其所需配筋有所降低,约降低10%;下肋及剪力键内力变化不大,其配筋亦变化不大。因此,在按未起拱对上下肋及剪力键进行设计时具有一定安全度。
3.2.3楼板变形及应力
(1)楼板变形
由分析结果对比可知,起拱与未起拱时,楼板变形基本相同,均为“碗状”分布。在荷载作用下,1层、4层空腹夹层板跨中位置最终变形值分别为31.54 mm、72.51 mm,其起拱值分别为31.20 mm、62.40 mm,楼板受力后的变形值与其起拱值相差不大,且变形值均小于规范限值。
(2)楼板x、y向应力
对于楼板x、y方向的应力,以σx为例进行说明。由分析结果,楼板所受压应力均小于混凝土的抗压强度,且起拱对楼板所受拉应力的影响更为显著,因此仅对板顶及板底的拉应力进行对比分析。1层、4层板顶及板底x向拉应力对比,如图8所示,图中σx,top、σx,bot分别代表板顶、板底x向拉应力。由图中对比结果可知,起拱对于楼板拉应力的影响显著,起拱后楼板拉应力明显降低,最大变化幅度为-62.51%,且跨度越大楼板拉应力降低幅度越大,可见起拱对楼板受力有利。
同时,起拱后表层薄板所需配筋面积有所降低,约降低20%。从经济性考虑,建议在对表层薄板进行设计时,考虑起拱的影响。
由有限元分析结果可知,无论起拱与否,楼板应力分布均相同,起拱并未对其应力分布造成影响。空腹夹层板结构表层薄板应力分布情况,以起拱后4层楼板x向应力为例,如图9所示。由图9可知,表层薄板应力分布与普通多跨连续板不同,表层薄板跨中区域为压-弯构件,且其压应力较小;
(a)1层楼板拉应力变化幅度 (b)4层楼板拉应力变化幅度
3.3楼板裂缝及配筋
3.3.1楼板最大主应力及裂缝
通过施加设计荷载并结合全过程分析,由有限元分析结果可知,无论起拱与否,楼板最大主应力分布均相同,起拱并未对楼板最大主应力分布造成影响。以起拱后的分析模型中4层楼板最后阶段最大主应力分布图为例,如图10所示,图中直线位置为表层薄板混凝土裂缝分布区域;由图10可知,在垂直于直线方向表层薄板最大主拉应力较大。1~3层楼板最大主应力分布及裂缝分布与4层类似,不再赘述。
在实际工程中,空腹夹层板结构表层薄板裂缝分布区域与图10类似,某工程空腹夹层板结构表层薄板角部裂缝,如图11所示。其第一批裂缝出现于楼板四角,随后产生沿板边长向的水平裂缝,因此为防止裂缝的产生,应对上述位置进行加强处理。
3.3.2楼板配筋
由于空腹夹层板结构上下肋刚度较小,其竖向变形与相应位置处表层薄板竖向变形相同,因此不能将上下肋视为表层薄板的不动支座,在实际受力时表层薄板为整体变形,不能将其简单地视为多个网格板单独工作;上下肋、剪力键与表层薄板之间是相互作用的整体,共同受力与变形,因此应将整个空腹夹层板结构整体进行考虑。
由于起拱后楼板x、y向拉应力明显降低,因此考虑到实际施工时的经济性以及可操作性,建议根
同时由于空腹夹层板结构表层薄板应力分布有区别与普通多跨连续板,其跨中区域楼板为压-弯构件,且压应力较小;靠近边节间区域楼板为拉-弯构件,且拉应力较大。因此建议对于跨中区域的表层薄板按压-弯构件进行构造配筋即可,但对于边节间区域的表层薄板应按拉-弯构件进行计算配筋。
经计算,对于本工程而言,跨度不大于31.20 m的钢筋混凝土空腹夹层板结构,上述加强位置角部钢筋宜采用Ф10@100,端部钢筋宜采用Ф14@100,跨中进行構造配筋即可;跨度不大于15.60 m的钢筋混凝土空腹夹层板结构,上述加强位置角部钢筋宜采用Ф10@100,端部钢筋宜采用Ф12@100,跨中同样进行构造配筋即可。
4结论
(1)起拱后,支撑钢管轴力基本无变化,在制定支撑方案时可按未起拱计算,建议对实腹梁附近区域支撑钢管进行加密。
(2)起拱后,框架柱剪力、上下肋弯矩、下肋拉力及压力、剪力键剪力等变化不大;上肋拉力、压力均有所降低,且变化较为明显;上下肋、剪力键所需配筋略有降低,从安全性考虑,在对其进行设计时可不考虑起拱影响。
(3)起拱后,表层薄板x、y向拉应力明显降低,且跨度越大楼板拉应力降低幅度越大;起拱后表层薄板所需配筋降低明显,从经济性考虑,建议在对表层薄板进行设计时考虑起拱所带来的影响。
(4)建议在对表层薄板进行设计时,将其视为整体进行考虑,跨中区域的表层薄板按压-弯构件进行构造配筋,边节间区域的表层薄板按拉-弯构件进行计算配筋;为防止裂缝的产生,建议在表层薄板板底、板面四角布置双向钢筋网,端部布置垂直于外框梁的钢筋。
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(責任编辑:王先桃)
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