異形板力學(xué)性能分析及鋼筋配置優(yōu)化

黃鑫

(廈門(mén)合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門(mén) 361013)

異形板力學(xué)性能分析及鋼筋配置優(yōu)化

黃鑫

(廈門(mén)合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門(mén) 361013)

由于追求簡(jiǎn)潔的室內(nèi)空間及自由布局，越來(lái)越多的異形板出現(xiàn)在住宅設(shè)計(jì)中，而異形板的受力及變形性能一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)，掌握異形板的應(yīng)力及裂縫分布規(guī)律有利于設(shè)計(jì)人員對(duì)異形板進(jìn)行鋼筋配置優(yōu)化。結(jié)合工程實(shí)例采用理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱與ansys14.0對(duì)B1、B2兩種異形板的力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析，將兩種有限元分析結(jié)果對(duì)比得出異形板應(yīng)力集中于截面突變處，適當(dāng)增加放射狀附加受力鋼筋及暗梁可以保證異形板的安全。

異形板;ansys;鋼筋配置優(yōu)化;有限元分析

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引言

隨著人們對(duì)室內(nèi)空間的需要，在住宅設(shè)計(jì)中出現(xiàn)大量的異形板結(jié)構(gòu)，，PKPM對(duì)矩形板的擾度、裂縫、應(yīng)力采用常規(guī)計(jì)算模型的分析符合實(shí)際受力情況。而對(duì)于異形板，由于其形狀不規(guī)則，應(yīng)力分布變得復(fù)雜，自身裂縫的發(fā)展與矩形板也有差別，依據(jù)常規(guī)計(jì)算方法的設(shè)計(jì)值常常引起異形板開(kāi)裂，影響住宅的正常使用及板面觀感。國(guó)內(nèi)對(duì)異形板的研究也很多［1～3］，本文利用理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱及 ansys14.0［9］對(duì)異形板的力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析，分析異形板在正常荷載作用下的擾度、裂縫、應(yīng)力分布，并根據(jù)喬漢生屈服準(zhǔn)則［4］對(duì)異形板進(jìn)行鋼筋配置優(yōu)化，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)用的目的。

1 理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱及ansys有限元模型

異形板形狀多種多樣，本文采用實(shí)際工程中常用的兩種方案，具體形狀如(圖1、圖2)，B1、B2尺寸如(表1、表2)，B1、B2混凝土等級(jí)都為C25，B1厚度130mm，B2厚度為120mm。由于ansys單元眾多，為了真實(shí)的反應(yīng)異形板的實(shí)際情況，考慮面內(nèi)面外剛度采shell63［6］單元來(lái)模擬異形板。

圖1 B1示意圖

圖2 B 2示意圖

表1 B1尺寸

本項(xiàng)目中，B1均布恒載標(biāo)準(zhǔn)值為1.5+25×0.13 =4.75kN/m2、活載標(biāo)準(zhǔn)值為2kN/m2、設(shè)計(jì)值為1.2 ×4.75+1.4×2=8.5 kN/m2，B2上均布恒載標(biāo)準(zhǔn)值為1.5+25×0.12=4.50kN/m2、活載標(biāo)準(zhǔn)值為2kN/m2、設(shè)計(jì)值為1.2×4.5+1.4×2=8.2 kN/m2。

2 理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱有限元分析

異形板形狀多種多樣，其邊界條件受相鄰構(gòu)件的剛度控制。當(dāng)異形板與相鄰的樓板形成連續(xù)板時(shí)邊界條件為固接，當(dāng)異形板搭接在剪力墻上時(shí)邊界條件應(yīng)設(shè)為固接，當(dāng)異形板只有梁支撐時(shí)其邊界條件為鉸接。邊界條件為固接時(shí)六個(gè)自由度均為0，本圖根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定義B1、B2的邊界條件，本軟件把異形板劃分為新型三角形廣義協(xié)調(diào)有限單元，理正計(jì)算出來(lái)的內(nèi)力結(jié)果:X方向彎矩MH、Y方向彎矩MV。

設(shè)板X(qián)方向單位寬度的彎矩為Mx，Y方向單位寬度的彎矩為My，單位方向的扭矩為Mxy，以橫截面的法線方向與X軸夾角為α(逆時(shí)針為正)表示橫截面的方向，MH、Mv計(jì)算如下:

板裂縫嚴(yán)格按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010－2010［5］要求進(jìn)行驗(yàn)算，Wmax計(jì)算如式(3)，將異形板的塑性剛度與彈性剛度的比值稱(chēng)之為剛度折減系數(shù)，這個(gè)系數(shù)也是塑性撓度與彈性位移的比值，因此求出板的彈性位移和剛度折減系數(shù)就可得到塑性撓繞度，剛度折減系數(shù)計(jì)算如式(7)。

式中:ξ－第i個(gè)配筋截面處的剛度折減系數(shù)、Bi第i個(gè)配筋截面處長(zhǎng)期剛度。

程序求出異形板每一點(diǎn)的剛度折減系數(shù)，取剛度折減系數(shù)的最大值ξmax，作為異形板的剛度折減系數(shù)ξ。

通過(guò)理正分析，B1垂直板邊彎矩(最大與最小)和跨中彎矩如(圖3)，B1垂直板邊配筋值(最大與最小)和跨中配筋值如(圖4)。

B1擾度最大值為9.754mm、作用位置為 X= 1.696mY=3.105m，大概在跨中區(qū)域，裂縫最大值為0.208，作用位置為X=3.300mY=5.800m，位置為圖4彎矩為36.84凸口處。

通過(guò)理正分析，B2垂直板邊彎矩(最大與最小)和跨中彎矩如(圖5)，B2垂直板邊配筋值(最大與最小)和跨中配筋值如(圖6)。

B2擾度最大值為 10.534mm、作用位置 X= 2.307m，Y=2.878m、大概在跨中區(qū)域，裂縫最大值為0.164、作用位置為X=31.200m，Y=5.900m、位置為(圖7)彎矩15.51凸口處。

由(圖3、5)可知在異形板凸口處板發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，彎矩遠(yuǎn)大于正常區(qū)域處的彎矩，此處為異形板最薄弱位置，并且最大裂縫也發(fā)生在凸口處，因此，此處配筋需要加強(qiáng)，以防止板開(kāi)裂。

圖3 B1垂直板邊彎矩(最大與最小)和跨中彎矩

圖4 B1垂直板邊配筋值(最大與最小)和跨中配筋值

3 ansys有限元分析

圖5 B2垂直板邊彎矩(最大與最小)和跨中彎矩

圖6 B2垂直板邊配筋值(最大與最小)和跨中配筋值

在參數(shù)相同的條件下，利用大型通用有限元軟件ansys［7～9］對(duì)B1進(jìn)行有限元分析，將ansys分析結(jié)果與理正結(jié)構(gòu)工具箱的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，熟悉異形板的彎矩、裂縫分布規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化異形板的配筋。B2的MH、MV分別如(圖11、圖12)。

通過(guò)理正及ANSYS結(jié)果分析可知，異形板應(yīng)力在凸口變截面處發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力值有時(shí)是正常情況的兩倍，凸口變截面處裂縫也急劇變大，兩種軟件分布情況基本一致，基本符合異形板實(shí)際情況。

圖9 B 1 X方向彎矩

圖1 0 B 1 Y方向彎矩

圖1 1 B2X方向彎矩

圖1 2 B 2 Y方向彎矩

4 結(jié)論

(1)理正結(jié)構(gòu)工具箱及ansys對(duì)異形板的分析結(jié)果相符，其應(yīng)力、裂縫在異形變截面處產(chǎn)生集中現(xiàn)象。

(2)根據(jù)分析結(jié)果，在保證室內(nèi)美觀的前提下，適當(dāng)加強(qiáng)異形變截面配筋，常用加強(qiáng)措施如下:①在凸口頂點(diǎn)為中心的a1/4范圍內(nèi)增加放射狀附加受力鋼筋來(lái)控制可能出現(xiàn)的裂縫②對(duì)于B2類(lèi)型的異形板，可以設(shè)置暗梁，以增強(qiáng)中間的拉結(jié)作用。

［1］童岳生，錢(qián)國(guó)芳，吳豹.鋼筋混凝土異形板的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1993，26(4):61－68.

［2］邵永健.鋼筋混凝土異形板的極限分析［J］.蘇州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào):1999，12(1):44－48.

［3］童岳生，童中家，錢(qián)國(guó)芳.鋼筋混凝土L形板的試驗(yàn)研究及極限分析［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，29(4):368－372.

［4］派克R，根勃爾W L.鋼筋混凝土板［M］.黃國(guó)楨，成源華，譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1992.

［5］GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］曾攀，石偉，雷麗萍.工程有限元方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2010，2.

［7］R.JMelosh.“Manipulation Error in Finite Element Anlysis，”USJaplconf，pp.857～877.

［8］S.H.Crandall，Engineering Analysis，MeGraw－Hill，New York，1956，pp，171～172.

［9］王勛成，邵敏編著，有限元法基本原理和數(shù)值方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.

Mechanical properties analysis of Special－shaped plate and Reinforced configuration optim ization

HUANGXin
(hordor design group，Xiamen 361013)

Due to the simplicity of interior space and free layout，more and more special－shaped plates were appeared in residential design，the Stress and deformation performance of special－shaped plateswere focused on structure designers，mastering the stress and crack distribution of special－shaped plateswere conducived to reinforced configuration optimization.Themechanics properties of B1 and B2 special－shaped plates were analysed by lizheng structural design toolbox and ansys 14.0，by contrastwith two kinds of analysis results，the stress of special－shaped plates focusing on the Cross－section mutation place was obtained.The security of special－shaped plates were protected by increasing radial reinforcement and setting dark beam.

Special－shaped Plate;Ansys;Reinforced Configuration Optimization;Finite Element Methods

TU3

A

1004－6135(2015)11－0035－06

黃鑫(1987.10－ )，男，工程師。

2015－07－17

黃 鑫(1987.10－ )，男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。