肋梁樓蓋結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀★

華俊杰 張道明

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.齊齊哈爾大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

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肋梁樓蓋結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀★

華俊杰1張道明2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.齊齊哈爾大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

介紹了肋梁樓蓋的基本作用和類型，分別總結(jié)了肋梁樓蓋的靜動(dòng)力計(jì)算方法及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并提出了一些預(yù)應(yīng)力肋梁樓蓋在應(yīng)用中有待解決的問(wèn)題，為大跨度預(yù)應(yīng)力肋梁樓蓋的抗震性能研究奠定了基礎(chǔ)。

肋梁樓蓋，結(jié)構(gòu)抗震，擬板法，擬梁法

樓蓋是建筑物的基本組成部分，在結(jié)構(gòu)中主要承擔(dān)設(shè)施及樓面面荷載，因此樓蓋體系的穩(wěn)定，關(guān)系整個(gè)建筑物的安全使用。本文對(duì)肋梁樓蓋的計(jì)算方法及研究現(xiàn)狀做了介紹。

1 樓蓋的作用及類型[1]

樓蓋是由梁和板組成，是建筑物中的水平承重體系。它與豎向承重體系現(xiàn)澆連接成整體共同組成建筑物的基本框架，承擔(dān)建筑物所受的各種荷載，保證其正常使用。隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，樓蓋的形式也日益多樣化，通?？梢苑譃橛辛簶巧w和無(wú)梁樓蓋兩大類。無(wú)梁樓蓋指不設(shè)肋梁，樓板底面平整無(wú)坑洼，較為美觀，然而樓板較厚，自重大，造價(jià)相對(duì)高。主次梁樓蓋、井字梁樓蓋、密肋樓蓋均為有梁樓蓋，除此之外還有空心樓蓋、組合梁樓蓋等多種形式。可以根據(jù)不同使用條件擇優(yōu)選擇。自從預(yù)應(yīng)力被使用以來(lái)，不僅廣泛應(yīng)用在橋梁中，也在房屋結(jié)構(gòu)建筑中大放異彩。

2 樓蓋結(jié)構(gòu)靜力分析方法

樓蓋體系是建筑結(jié)構(gòu)的基本組成部分，樓蓋結(jié)構(gòu)性能的保證是建筑物能正常工作的有力保障。因此關(guān)于樓蓋的靜力分析和設(shè)計(jì)顯得非常重要，現(xiàn)有的分析方法有：線彈性理論、塑性理論、有限元法等。

1)線彈性理論。線彈性理論假定材料是具有彈性的，可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法來(lái)計(jì)算其內(nèi)力和變形；像常規(guī)尺寸和荷載的結(jié)構(gòu)，可以利用現(xiàn)成的表格。因?yàn)榛炷量估瓘?qiáng)度低，使得混凝土在較低的荷載作用下就有可能開(kāi)裂。結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后，剛度降低，變形變大，內(nèi)力出現(xiàn)重分布，實(shí)際內(nèi)力與按彈性方法設(shè)計(jì)的內(nèi)力相比誤差較大，并且，隨著荷載的不斷增加，裂縫會(huì)不斷加大，混凝土與鋼筋之間粘結(jié)產(chǎn)生破壞，受拉鋼筋屈服，造成誤差越來(lái)越大。因而，彈性理論設(shè)計(jì)方法不適用于設(shè)計(jì)樓蓋開(kāi)裂后的情況。

2)塑性理論。塑性內(nèi)力重分布法和塑性極限分析法是塑性理論的兩種計(jì)算方法。塑性內(nèi)力重分布法指的是在考慮塑性內(nèi)力重分布設(shè)計(jì)時(shí)，能較為真實(shí)的體現(xiàn)出混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后的內(nèi)力情況，如果能把內(nèi)力重分布的大小控制好，不僅可以較好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載力，而且還能控制好結(jié)構(gòu)在正常使用情況下的變形和裂縫發(fā)展。當(dāng)然，塑性內(nèi)力重分布的應(yīng)用是以結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和塑性變形得到一定的發(fā)展為先決條件的，因此，對(duì)于那些在使用過(guò)程中對(duì)抗裂等級(jí)要求較高的結(jié)構(gòu)、防滲等級(jí)要求高的結(jié)構(gòu)、對(duì)于直接承受動(dòng)力荷載和疲勞荷載的結(jié)構(gòu)，不應(yīng)考慮使用塑性內(nèi)力重分布法設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)塑性極限分析法是研究結(jié)構(gòu)在塑性極限狀態(tài)下的特性，又稱結(jié)構(gòu)破損分析。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受外載荷達(dá)到或超過(guò)某一極限值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾何變形，形成可變體系，隨著變形的不斷增長(zhǎng)，最終失去承載能力，這種狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的塑性極限狀態(tài)。

3)有限元法。有限元法是采用有限元分析軟件，根據(jù)實(shí)體建筑物選擇適當(dāng)有限元單元類型、邊界條件及施加荷載類型，對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)利用有限元軟件計(jì)算得到的結(jié)果具有較高精確度，可以真實(shí)的反映建筑物實(shí)際受力情況。

3 樓蓋結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法

樓蓋結(jié)構(gòu)既要滿足設(shè)計(jì)使用的剛度及承載力需求，還應(yīng)符合動(dòng)力荷載下的舒適度要求。特別是大跨度樓蓋，由于其跨度大，剛度小，自振頻率較低，甚至人行荷載下，都會(huì)引起過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng)。因此，關(guān)于樓蓋動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算顯得非常重要，它直接反映樓蓋使用的舒適程度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于樓蓋結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法進(jìn)行了研究，主要方法有擬梁法、擬板法和有限元分析法。

3.1 擬梁法

在各國(guó)規(guī)范中，通常采用擬梁法簡(jiǎn)化計(jì)算樓蓋在動(dòng)力荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)[2]。擬梁法是一種離散化的方法，它將樓蓋的兩個(gè)方向等效為均質(zhì)的簡(jiǎn)支梁，由剛度差異的雙向梁體現(xiàn)樓蓋的各向異性，以此來(lái)分析計(jì)算樓蓋的動(dòng)力響應(yīng)。擬梁法可以較好的計(jì)算輕型樓蓋的動(dòng)力響應(yīng),但在計(jì)算鋼筋混凝土肋梁樓蓋時(shí)往往精確度達(dá)不到要求。由于擬梁法適用范圍小，因此對(duì)它的研究也較少。

3.2 擬板法

擬板法是一種連續(xù)化的方法，將樓蓋連續(xù)化等效為宏觀的同性或正交各向異性的均質(zhì)實(shí)心平板進(jìn)行計(jì)算。一般建筑結(jié)構(gòu)中樓蓋的肋梁間距相對(duì)較小，通常仍為板的受力特點(diǎn)。等效剛度的確定決定著樓蓋能否等效成實(shí)心平板。等效成各向同性板要求樓蓋的兩個(gè)方向構(gòu)造特征相同，且雙向剛度相同或相差較小時(shí)，要確定抗彎剛度D的值；等效成正交各向異性板要求樓蓋的兩個(gè)方向構(gòu)造特征不同時(shí)，需確定兩個(gè)方向抗彎剛度Dx，Dy和綜合抗扭剛度H的值。張道明等[3]在考慮肋梁樓蓋中板和梁的耦合作用時(shí)，提出了動(dòng)力擬板法計(jì)算分析密肋樓蓋的動(dòng)力響應(yīng)?；诹喊羼詈险駝?dòng)函數(shù)，通過(guò)二者分離建立正交肋梁振動(dòng)控制方程，確定樓蓋的等效平板厚度和樓蓋振動(dòng)頻率；通過(guò)算例研究了肋梁樓蓋的等效平板厚度和樓蓋的動(dòng)力特性；結(jié)果表明肋梁的間距、高度和板的跨度對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率影響較大。

4 肋梁樓蓋抗震性能研究現(xiàn)狀

樓蓋結(jié)構(gòu)是建筑物的基本組成部分,其結(jié)構(gòu)的性能不但對(duì)保證建筑物的承載力、剛度、耐久性以及提高抗震、抗風(fēng)性能有著重要作用,而且對(duì)建筑物的隔聲、隔熱和美觀等建筑效果也有直接影響。關(guān)于對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的研究,一直是結(jié)構(gòu)工程專業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一,其中對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震性能研究占據(jù)著重要的地位。

4.1 國(guó)外肋梁樓蓋研究現(xiàn)狀

美國(guó)在20世紀(jì)就對(duì)肋梁板進(jìn)行了研究并應(yīng)用在實(shí)際工程中[4]。美國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范部分內(nèi)容就是基于歷年美國(guó)對(duì)雙向板結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)試件研究以及Di Stasio和Van Buran的研究成果[5-7]。William[8]，Park等學(xué)者[9]對(duì)板及平板在極限狀態(tài)和使用狀態(tài)下的性能等方面做了大量研究。力學(xué)家鐵木辛柯最早提出把原本是為了一種理想的彈塑性材料而產(chǎn)生的正交異性板理論應(yīng)用到密助樓蓋內(nèi)力求解中[10]。這一理論成果引起了巨大的反響，直到現(xiàn)在，眾多學(xué)者大多以正交異性板理論為基礎(chǔ)對(duì)肋梁樓蓋做進(jìn)一步研究[11]。由于墨西哥大地震中大量密助樓蓋的建筑物發(fā)生了倒塌破壞，造成了嚴(yán)重的損失，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)始把研究重點(diǎn)從密助樓蓋的豎向靜載轉(zhuǎn)向水平動(dòng)力荷載的研究[12-14]。

4.2 國(guó)內(nèi)肋梁樓蓋研究現(xiàn)狀

2014年，吳慶等[15]使用有限元軟件對(duì)二次預(yù)應(yīng)力外包鋼組合梁疊合樓蓋進(jìn)行了動(dòng)力特性研究，針對(duì)預(yù)應(yīng)力的大小、預(yù)應(yīng)力筋的布置形態(tài)及柱端約束等參數(shù)做了詳細(xì)分析，并得到一些規(guī)律性結(jié)論，為實(shí)際工程提供參考。

2015年，李其成等[16]基于工程實(shí)例采用有限元軟件對(duì)帶有大跨度密肋樓蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，利用MIDAS/GEN軟件創(chuàng)建有限元分析模型，并分析了地震作用下樓蓋的抗震性能，分析結(jié)果表明：密肋樓蓋對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震有重要影響，層高變化是影響結(jié)構(gòu)性能的重要因素。

5 結(jié)語(yǔ)

從搜集文獻(xiàn)上來(lái)看，關(guān)于肋梁樓蓋的抗震性能研究較少，無(wú)論是抗震理論還是有限元數(shù)值分析，大多理論研究都是基于靜力荷載作用下，對(duì)樓蓋內(nèi)力的求解。關(guān)于大跨度預(yù)應(yīng)力肋梁樓蓋的研究也不多見(jiàn)，文獻(xiàn)大多是研究預(yù)應(yīng)力梁、板及節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)抗震特性的影響，并沒(méi)有對(duì)整體進(jìn)行分析研究。一般在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很少會(huì)單獨(dú)對(duì)樓蓋進(jìn)行抗震性能分析，但我國(guó)規(guī)范規(guī)定對(duì)于樓蓋跨度超過(guò)24 m的要進(jìn)行豎向抗震設(shè)計(jì)。

因此對(duì)于大跨度預(yù)應(yīng)力肋梁樓蓋的抗震性能研究還有如下問(wèn)題有待解決：

1)預(yù)應(yīng)力肋梁結(jié)構(gòu)是復(fù)雜多次超靜定空間梁結(jié)構(gòu)，如何確定結(jié)構(gòu)的綜合內(nèi)力和次生內(nèi)力，以及自重和疊合樓蓋自重作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，建立其理論分析模型是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)；

2)預(yù)應(yīng)力梁結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪和剛度較小，如何在疊合樓蓋施工過(guò)程中，利用高效預(yù)應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的承載性能，使交叉梁能夠滿足作為疊合樓蓋施工平臺(tái)承載要求；

3)由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)跨度大，自重小，樓蓋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)敏感，特別是大跨度樓蓋自振頻率較低,甚至與人行走前三階步頻相重合,導(dǎo)致過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng)；

4)如何利用有限元軟件，選擇合適的模型單元，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能模擬分析的基礎(chǔ)。

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A summary of anti-knock research on ribbed beam floor★

Hua Junjie1Zhang Daoming2

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001,China;2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China)

This paper introduces the basic functions and types of ribbed beam floor, summarizes existing computing methods and overseas and domestic research status from both sides of static and dynamic force calculation. At the same time, this paper also puts forward some unsolved problems on the application of ribbed beam floor, lay the foundation for the study on seismic performance of the large-span prestessed ribbed concrete floor.

ribbed beam floor, structural seismic, plate-analogy method, beam-analogy method

1009-6825(2016)30-0051-02

2016-08-17

華俊杰(1991- )，男，在讀碩士； 張道明(1965- )，男，博士后，副教授

TU311.3

A

★：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2013年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013-K2-41)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：12541884)