鋼筋桁架樓板承載力有限元分析

趙建忠，孫磊，王干

（蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，江蘇蘇州215021）

鋼筋桁架樓板承載力有限元分析

趙建忠，孫磊，王干

（蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，江蘇蘇州215021）

鋼筋桁架樓板在工程中的應用日益廣泛，深入研究該樓板的受力性能有利于指導實際工程應用。文章采用有限元分析軟件ANSYS對鋼筋桁架樓板進行單調靜力加載模擬，通過正交試驗的方法對剪跨比、底部壓型鋼板、腹桿等影響因素進行研究。結果表明：樓板進入彈塑性階段以后，試驗中的4塊帶鋼板的桁架樓板極限彎矩可提高30%左右，同時斜腹桿以及樓板的剪跨比對承載力也有較大的影響。對鋼筋桁架樓板正截面受彎承載力計算公式進行補充和修改，達到了減輕結構自重、降低工程造價的目的。

鋼筋桁架樓板；壓型鋼板；承載力；有限元分析

0 引言

近年來，隨著國民經濟快速發展，住房體制發生了巨大改變，住宅建設也獲得了巨大發展的機遇，并已成為了我國新的經濟增長點。同時鋼結構住宅迎來一個高速發展的契機，而研究開發出經濟可靠、技術成熟的樓板是促進鋼結構住宅發展的重要手段。由于國外鋼結構應用比較早，西方工業發達國家的樓蓋體系發展比國內也要早，其中最常用的樓蓋體系有三類，即預制實心樓板，空腹格柵和組合樓蓋［1］，現已經形成了較為完善的鋼結構住宅樓板體系。20世紀中期，發達國家已將壓型鋼板作為澆注混凝土的永久模板和施工平臺并在建筑結構中大量應用。

隨著壓型鋼板的應用，其厚度較大，現場鋼筋綁扎量較多，樓板底部表面不平整，施工及養護周期長以及質量不易保證等問題日益凸顯，為了既能保留組合樓板以及現澆板的優勢又能有效地規避各自的不足，鋼筋桁架樓承板（如圖1所示）系統應運而生［2-3］。文章參照以往樓板研究成果［4-5］，使用有限元軟件進行建模，并分析鋼筋桁架樓板的受力性能，從而更好地指導實際工程應用。

圖1 鋼筋桁架樓板橫截面圖／mm

1 單元選取

1.1 SOLID65單元描述

使用ANSYS中的SOLID65模擬混凝土部分的拉裂與壓碎性能。

根據相關文獻［6］中關于單元參數定義的闡述，本次混凝土單元設定參數有

（1）實參數（Real Constants）以及單元選項本試驗中的上下弦鋼筋及腹桿鋼筋用LINK8單元來模擬，因此不需要考慮相應的鋼筋配筋率和配筋方向等參數。

（2）材料模型（Material Modal）可用于定義混凝土的彈性模量和泊松比。

（3）數據表（Data Table）該參數包含兩種模型，一種是非線性材料特性表用來描述混凝土的本構關系，本次組合樓板模擬即采用該模型，即Multilinear kinematic hardening plasticity（MKIN）模型，該單元利用十幾個點來定義混凝土的應力—應變關系。另一種則是Concrete element data，輸入混凝土材料的9個參數，其中包括單軸的抗拉壓強度等等，從而模擬混凝土的開裂以及壓碎。

1.2 SHELL63單元描述

SHELL63是典型的彈性殼單元，可以模擬二維尺度遠遠大于第三維的結構構件。本次試驗構件中的組合材料壓型鋼板符合這一應用條件。該單元含有4個節點和厚度，且轉動自由度和剪切變形都包含在內，可受到面內外荷載的共同作用。本次模擬所需設定的單元參數有

（1）實參數需要注意的是該參數已假定了在整個鋼板單元上厚度為連續光滑地變化，因而可以在4個節點上輸入厚度值。

（2）材料模型主要用于定義鋼板的彈性模量和泊松比。

（3）數據表文章采用雙線性隨動強化模型。

1.3 LINK8單元描述

LINK 8是桿軸方向的拉壓單元，每個節點均具有三個自由度，即x、y、z三個方向的平動。本試驗中的鋼筋采用LINK8單元來模擬。

1.4 COMBIN39彈簧單元描述

由于鋼筋桁架樓板中混凝土和鋼板在加載變形時存在相對剝離的情況，故需考慮利用相應的連接單元對組合材料之間的粘結性能進行模擬，從而保證模擬的逼真性。由于文章采用直接建模法，可通過假定節點間的位移協調關系來模擬粘結性能，因此文章采用COMBIN39彈簧單元來模擬粘結性能。

COMBIN39是一個具有非線性功能的單向單元，可以輸入廣義的力—變形曲線，并應用于很多分析中。該單元在一維、二維和三維應用中都具有軸向或扭轉功能。本次模擬分析定義了COMBIN39單元的實參數主要為Displacement force curve date，即F—D曲線，代表結構分析中的力（或彎矩）與相對平移（或旋轉）的關系。

2 材料本構關系及破壞準則

鋼筋桁架組合樓板是由鋼筋、混凝土以及鋼板三種材料組合而成的復合材料。其中，鋼筋和鋼板的材質相對較均勻，因此可以選用理想的彈塑性模型；而混凝土的情況比較復雜，本構關系比上述兩種材料也更為復雜。在ANSYS程序中，已經提供了多種材料模型選項，文章將使用以下兩種材料模型（1）針對鋼筋以及鋼板建模時采用雙線性隨動強化模型BKIN；（2）針對混凝土材料建模時采用多線性等向強化模型MISO［7-9］。

ANSYS模擬混凝土材料的實際參數按照混凝土結構設計規范附錄中混凝土單軸受壓應力—應變曲線來計算取值。

3 建模及求解計算

模擬鋼筋桁架混凝土樓板采用假定［10-11］有

（1）本次模擬包含了材料非線性有限元分析，并且未考慮大變形等因素。

（2）本次ANSYS建模中為方便計算收斂，忽略了短跨方向的鋼板與混凝土之間的相互錯動。

（3）模型中幾何截面全由直線構成，忽略鋼板折角處的圓弧影響，方便模型的建立。

在上述假定的情況下，研究了鋼筋桁架混凝土樓板承載力性能。研究利用ANSYS建模出不同板件參數的樓板試驗構件［12］。文中鋼筋桁架樓板采用分離式模型，不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。建模時按表1所示建立有限元模型。

表1 模擬構件參數

4 計算結果分析

4.1 鋼筋桁架底部鋼板的影響

將4、5號樓板進行建模，并根據試驗所測得的數據施加相同的荷載，對比如圖2所示。

以上幾組對比圖是4、5號板在相同荷載作用下ANSYS計算得出的結果，此荷載為試驗中測得的5號樓板的極限荷載值，對比可發現，兩塊樓板的破壞形態相同，而混凝土應力云圖兩者相差較大，帶鋼板的4號樓板混凝土應力分布比較均勻，而5號板的應力分布則有一定離散性。從板頂混凝土應變對比圖上可以發現，4、5號樓板的應變相差不大，這表明5號板的破壞是由下部鋼筋先屈服而導致的，上部混凝土沒有被壓碎。

從荷載—位移圖可以發現，當荷載比較小時，兩者位移發展比較相似，而隨荷載繼續增大，有鋼板的4號板剛度明顯要大于5號板，繼續增大荷載，當5號板已經進入破壞階段時，而4號板仍然處于彈塑性階段，這表明鋼板對于樓板極限承載力的提高很明顯，這也與實際情況相符。

三組對比圖（如圖3所示）是6、7號板的應力及位移對比圖，6號板比4號板的剪跨比小，由圖形結果可以看出，兩組剪跨比不同的樓板，在去除鋼板以后，破壞形式沒有發生變化，但是開裂荷載、極限荷載均明顯下降了。

表2 底部鋼板對比

由表2可以看出，4、6號樓板相比、7號樓板的極限彎矩分別提高了31.7%、26.8%，剪跨比較大的4號樓板的提高幅度比6號板的要大，而且由于鋼板的存在，屈服彎矩和極限彎矩也有一定幅度的提高。

4.2 鋼筋桁架樓板剪跨比的影響

為了模擬剪跨比對鋼筋桁架樓板受力性能的影響，通過對比分析3塊鋼筋桁架樓板（6、8以及9號板）的有限元模型，板厚均為120mm，控制其跨度不一樣。

觀察這三塊樓板破壞時的荷載—撓度曲線，不難發現，帶鋼板的鋼筋桁架樓板的撓度曲線與撕去鋼板的樓板曲線有所區別，后者的荷載撓度曲線上的水平階段更加明顯，這說明鋼筋桁架樓板在達到極限強度以后仍有一定的承載力及剛度，主要是考慮到底部鋼板對混凝土的包裹作用，約束其繼續變形。

圖2 鋼筋桁架底部4、5號鋼板影響對比圖（a）4號板豎向位移云圖；（b）5號板豎向位移云圖；（c）4號板混凝土應力云圖；（d）5號板混凝土應力云圖；（e）4號板荷載—位移圖；（f）5號板荷載—位移圖；（g）4、5號板荷載撓度對比圖；（h）4、5號板上部混凝土荷載應力對比圖

圖3 鋼筋桁架底部6、7號鋼板影響對比圖（a）6號板豎向位移云圖；（b）7號板豎向位移云圖；（c）6號板混凝土應力云圖；（d）7號板混凝土應力云圖；（e）6號板荷載—位移圖；（f）7號板荷載—位移圖

圖4中6、8、9號三塊樓板的剪跨比分別為4.17、7.08、5.83，顯而易見，隨著剪跨比的增加，樓板的承載力下降，而這三塊樓板的破壞形態均為彎曲破壞。

4.3 鋼筋桁架斜腹桿的影響

考慮鋼筋桁架樓板中斜腹桿對整個樓板受力性能也有一定的影響，因此文章進行了相應的比較。將4號樓板中的斜腹桿刪去，底部壓型鋼板與混凝土僅通過彈簧單元連接，在加相同荷載后，與原4號樓板作對比。

經過對比分析可以看出（如圖5所示），斜腹桿對于混凝土的應力分布并無較大影響，但是在數值上，無斜腹桿的樓板混凝土應力值略小，無腹桿的樓板跨中最大位移也比另一塊要大；對比荷載—撓度圖我們可以發現，斜腹桿的存在對于鋼筋桁架樓板的承載力和剛度有一定的影響，在荷載較小時特別是開裂之前，腹桿的作用不明顯，但是隨著荷載的增加，無腹桿的樓板撓度比另一塊要大，并且呈現增加的趨勢，這表明在加載后期，腹桿起到了增加鋼筋桁架樓板塑性變形能力的作用。最終破壞時，有斜腹桿的樓板跨中撓度更大，同時兩塊樓板均為彎曲破壞，腹桿并沒有改變樓板的破壞形式。

以上對比表明，鋼筋桁架樓板中的腹桿除了起到連接上下弦鋼筋以及底部鋼板以外，對樓板整體的承載力以及剛度的提高起到了一定作用，但是對于樓板的破壞形式影響不大。

圖4 鋼筋桁架樓板剪跨比影響對比圖（a）6號板荷載—位移圖；（b）8號板荷載—位移圖；（c）9號板荷載—位移圖；（d）6、8、9號板荷載撓度對比圖

圖5 鋼筋桁架斜腹桿影響對比圖

5 結論

為了研究底部鋼板對于鋼筋桁架樓板受力性能的影響，研究對比了有無鋼板的桁架樓板的受力性能。研究表明：

鋼筋桁架樓板進入彈塑性階段以后，鋼板的參與作用比較明顯，帶底部鋼板的樓板開裂荷載有顯著的提高，其承載力及剛度均遠大于沒有鋼板的樓板，試驗中中四塊樓板極限彎矩可提高30%左右。同時，有限元分析表明，由于底部鋼板的存在，所有樓板均呈現出彎曲破壞，這說明鋼板對樓板的破壞形式有一定的影響。同時，斜腹桿的存在提高了鋼筋桁架樓板的塑性變形能力，樓板的延性得到了提升。

現行規范中沒有考慮底部鋼板對于鋼筋桁架樓板承載力的提高作用，文章建議采用換算慣性矩法計算鋼筋桁架承載力，對鋼筋桁架承載力公式進行補充和修改，以降低工程造價、減輕結構自重。

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（學科責編：李雪蕾）

Finite element analysis of steel bar truss slab load-carrying capacity

Zhao Jianzhong，Sun Lei，Wang Gan

（Suzhou Industrial Park Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou 215021，China）

In order tomake a deep research on the structural behavior of steel bar truss slab，the FEM ANSYSwas used to simulate monotonic static loading process of the slab.Through the analysis of different value of parameters of shear-span ratio，steel sheeting，diagonal web member，the same conclusion with the influence pattern of rigidity was achieved as well as the test.According to the results of the test，the formula of load-carrying capacity is advanced for future reference.Also，the shear-span ratio and diagonal web member will impact the capacity.Due to the beneficial effects of steel slabswere not considered，the suggestion was put forward to improve the correlation formulasto ease the weight of the structure and reduce the construction cost.

steel bar truss slab；steel slabs；load-carrying capacity；finite element analysis

TU398

A

1673-7644（2015）02-0123-06

2014-04-05

趙建忠（1976-），男，高級工程師，碩士，主要從事建筑結構等方面的研究.E-mail：leisun9999＠126.com