基于ANSYS 的混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋力學性能分析

王崇革，王雅坤

（山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266510）

0 引 言

現(xiàn)代建筑對大跨度、大空間、自重、承載力等提出了更高的要求。為了滿足這些需求，人們研究更加實用且經(jīng)濟性能更好的樓蓋體系。混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋是作為一種新型樓蓋,是由預制的疊合箱與現(xiàn)澆肋梁連接形成梁板合一的整體構造,房間的凈空面積，工藝先進，板、梁受力合理、安全可靠[1]。

結合工程實例,通過ANSYS軟件，對淄博廣垠新材料有限公司綜合樓工程三層會議廳混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋的力學性能進行了分析，研究了疊合箱與肋梁形成的梁板合一的整體構造在荷載的作用下，樓板的受力特點，根據(jù)分析結果對樓蓋進行了優(yōu)化，有效提高了樓蓋的承載能力及抗變形能力。

1 工程概況

本項目研究對象為淄博廣垠新材料有限公司綜合樓工程三層會議廳。工程建設地點：淄博市高新區(qū)，框架結構，地上6層，建筑高度：26.8m，標準層層高：3.6m，總建筑面積：6848m2，總工期：599d。三層會議廳層高5.3m，跨度為19.6m×33m。

2 計算模型

本文以8.4m×8.4m的混凝土網(wǎng)梁樓蓋（見圖1）為例，疊合箱采用1000mm×1000mm，高度為500mm的疊合箱,肋梁凈間距是1400mm。

在ANSYS中，混凝土與鋼筋的組合模型大致分為3種，即分離式模型、整體式模型和組合式模型。考慮到混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋的特點，樓蓋內(nèi)有大量鋼筋，且鋼筋分布較均勻，故選擇整體式模型進行分析[2]。

2.1 基本參數(shù)

混凝土強度等級為C30，彈性模量為3×104MPa，使用多線性等向強化模型。泊松比為0.2，裂縫張開剪力傳遞系數(shù)取0.5，裂縫閉合剪力傳遞系數(shù)取0.9，為了計算收斂，將混凝土的單軸抗壓強度值設為-1[2]。

假定鋼筋各向同性，彈性模量取2×105MPa，泊松比取0.3，采用Von-Mises等向強化準則[3]，鋼筋本構關系取雙線性等向強化模型，屈服應力為360MPa，硬化斜率為20000。

2.2 單元類型的選取

對混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋進行非線性有限元分析,其關鍵在于選擇合理的單元類型。建立在合理的單元類型基礎上的有限元模型能較準確反映結構自開始受荷到破壞的全過程,能得到關于結構在各階段的受力性能、鋼筋的屈服與強化以及混凝土壓碎破壞等大量信息,從而了解結構的破壞特性，為設計提供可靠信息。混凝土單元采用單元庫中的SOLID65單元，添加2種鋼筋材料[4]。在一般情況下，可將混凝土單軸受壓強度值設為-1，否則計算不易收斂。

2.3 邊界條件

為了使所建模型盡量接近工程實際，邊界采用的是四邊簡支加載，通過添加位移荷載來實現(xiàn)。

2.4 網(wǎng)格劃分

六面體的SOLID 65單元一般比四面體的單元計算要穩(wěn)定且收斂性好，通過ANSYS軟件所提供的網(wǎng)格劃分工具直接進行網(wǎng)格劃分,這時僅需輸入網(wǎng)格的尺寸、形式即可。在本文中鋼筋混凝土的單元為棱長是200mm的正方體[5]。

3 計算結果及分析

3.1 撓度云圖分析

3.1.1 Y向撓度云圖

由變形前后模型圖及Y向撓度云圖可以看出，混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋的最大變形發(fā)生在樓蓋的中央部位。撓度云圖通過不同顏色來反映不同的變形。Y向的撓度變化見圖3。力學性能與一般的雙向受力樓板的受力性能相似,表現(xiàn)出明顯的雙向受力特點。樓蓋的四邊撓度最小，中心撓度最大。因此，為了提高樓板的承載力，可通過在樓蓋的中央部位采取有效措施，如加大鋼筋的配筋率或選用高強度鋼筋等。

3.1.2 X與Z向撓度云圖

X向撓度云圖與Z向撓度云圖大致呈現(xiàn)對稱狀。從大體的撓曲狀態(tài)來看,均可以反映出樓板X與Z方向的近似變形規(guī)律。由云圖可得，變形最大區(qū)域與變形最小區(qū)域是對稱的,都發(fā)生在樓板兩側的邊緣附近。其撓度變形相對于Y向變形較小,所以主要考慮Y方向的變形。從X向變形云圖,我們可以得出樓蓋兩側邊緣附近為較薄弱的區(qū)域,當樓蓋跨度較大或剛度薄弱、不均勻時,為保證抗變形能力,應在該位置采取加強保護措施。

3.2 應力云圖分析

由X向應力圖可以看出，在兩側邊緣的應力較小，樓蓋中央的應力最大，說明樓蓋的破壞最初發(fā)生在中央。由X向頂面及底面應力圖可以看出，底面的中央應力較大，且為拉應力，相對于頂面混凝土更容易破壞，因此，一般可通過加大底面混凝土厚度及增加鋼筋等，以提高樓板的抗變形能力。

由Von-Mises應力圖可以看出，樓板的四周為應力最小的位置，而在靠近四邊的肋梁為應力最大的位置。在這一區(qū)域附近，存在剪力較大的區(qū)域，疊合箱的位置相對周圍肋梁的應力大，因此這一位置的疊合箱最先破壞。且疊合箱所處位置的應力均比周圍的肋梁應力大，但因為這些應力均不混凝土的極限拉應力，因此混凝土沒有開裂。

4 結 語

①混凝土疊合箱與肋梁共同工作，整體性良好。由各向撓度云圖可知，混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋的力學性能與一般的雙向受力樓板的受力性能相似,表現(xiàn)出明顯的雙向受力特點。樓蓋的最大撓曲變形發(fā)生在中央部位，樓蓋的四邊撓度較小。

②通過對由X向應力頂面和底面圖反映出，底面的中央應力較大，且為拉應力，相對于頂面混凝土更容易破壞。因此，一般可通過加大底面混凝土厚度及增加鋼筋等，以提高樓板的抗變形能力。

③Von-Mises云圖可知，混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋在荷載作用下，疊合箱所處的位置相對周圍肋梁的應力大，如果樓蓋發(fā)生破壞，裂縫應首先出現(xiàn)在箱體與肋梁的交界面處。一般可通過加大底面混凝土厚度及增加鋼筋等，以提高樓板的抗變形能力。

通過對混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋的有限元分析，可以了解樓蓋在應力作用下的撓曲變形，及應力的發(fā)展等等。通過分析采取相應措施，可以有效提高樓蓋的承載能力及抗變形能力。

[1]劉建平.混凝土疊合箱網(wǎng)梁樓蓋的結構分析及施工要點[J].混凝土與水泥制品，2010(2).

[2]劉世忠.基于ANSYS的鋼筋混凝土結構非線性有限元分析[J].四川建筑，2006(4).

[3]司炳君,孫治國,艾慶華.Solid65單元在混凝土結構有限元分析中的應用[J].工業(yè)建筑，2007（1）.

[4]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[5]趙志平,常建立,楊曉光.利用ANSYS對碳纖維布加固RC梁的非線性有限元分析[J].四川建筑科學研究，2006(2).

[6]趙考重,李自然,王莉,孫雙軍,房曉朋,王超.裝配箱混凝土空心樓蓋結構受力性能試驗研究[J].工程力學,2011(6).