钢-混凝土深肋组合扁梁楼盖空间作用研究.pdf
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1、第 2 6卷第 1 期 2 0 0 9年 3月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f H U S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) V01 2 6 No 1 Ma r 2 0 O 9 钢一 混凝土深肋组合扁梁楼盖空 间作用研究 杨 璐, 王元清, 石永久 ( 清华大学a 土木工程系;b 结构工程与振动教育部重点实验室, 北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要: 本文建立钢一 混凝土组合扁梁整体楼盖三维实体有限元模型, 对组合扁梁楼盖在水平荷载作用下的承 载性能、 变形特点进行了分析; 采用刚度比参数和相对挠度比等方法对组合扁梁楼盖的空
2、间作用进行了分析。 研究表明 , 钢 混凝土组合扁梁楼 盖具 有较大的水平 刚度 , 满 足水平刚度无 限大的假定 。本文 最后提 出了考虑 混凝土肋及其布置方向的组合扁梁楼盖刚度比的计算方法。 关键词: 组合扁梁楼盖; 空间作用; 相对挠度比; 刚度比; 有限元分析 中图分类号 : T U 3 9 8 9 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 0 9 ) O 1 - 0 0 7 0 - 0 5 1 概述 组合楼盖按楼板搁置在钢梁上的位置不同可 以分为两种 : T型组合楼盖和组合扁梁楼盖。前 者是将混凝土板搁置在 钢梁 的上翼缘 , 而后者将 其搁置
3、在钢梁的下翼缘 。在组合楼盖的设计计算 中, 考虑一定范围内的混凝土板参与梁 的受力, 该 范围内的混凝土板和钢梁构成 了组合梁, 对应 于 这两种组合楼 盖的组合 梁分别 为 T型组合梁 和 组合扁梁 , 如图 1 所示。 一 ( a )T型组合梁 ( b ) 组合扁梁 图 1 组合梁类型 钢一 混凝土组合扁梁楼盖最早于上世纪 8 0年 代 出现在欧洲北部 的 S c a n d i n a v i a半 岛地 区。近 年来 , 这种楼 盖在北欧和英 国得 到广泛应用n 。 该楼盖的应用主要有叠合板组合扁梁、 深肋组合 扁梁、 拱形组合扁梁等三种形式, 其中较常用的形 式为深肋组合扁梁楼盖
4、, 如图 2所示。 采用组合扁梁楼盖, 一是可以有效地增加建 筑净空 , 最大程度降低结构的层高 ; 二是较好改善 钢梁的防火性能 l 3 j 。 目前 , 国内外对组合扁梁及楼盖结构的研究 大多是针对 竖 向荷 载作 用 , 但我国处于环太 平洋地震带 和欧亚 地震 带之间, 是 一个地震活动 较多而且强烈的地区, 若 在我 国推广 组合扁 梁楼 图2 深肋组合扁梁楼盖 盖 , 必须对其在水平荷载作用下 的承载性能及抗 震性能进行抗侧力研究分析。在抗侧 力研究时 , 如果楼盖的空间作用满足一定要求 , 则可以采 用刚性楼盖假设简化设计计算过程。 本文采用刚度比以及相对挠度 比等参数方法 对深
5、肋钢一 混凝土组合扁梁楼盖的空间作用 、 肋及 其布置方向对空间作用的影响进行了分析并建议 提出了评价组合扁梁空间作用的相关方法。 2 楼盖空间作用 对于组合扁梁楼盖在水平荷载作用下结构空 间整体受力性能 , 目前的评价方法主要有刚度 比 参数以及相对挠度 比等。 2 1 相对水平挠度 我国现行规范规定L 1 : 结 构抗 震分析 时, 应 按照楼 、 屋盖在平面内变形情况确定为刚性 、 半刚 性和柔性的横隔板, 再按抗侧力系统的布置确定 抗侧力构件问的共同工作并进行各构件间的地震 内力分析。然而对于楼盖具备了怎样的水平刚度 才能假定为刚度无限大 的问题 , 国外相关资料认 收稿 日期 : 2
6、 0 0 8 - 0 5 - 2 3 修 回日期 : 2 0 0 8 -0 7 - 0 9 作者简介 : 杨璐 ( t 9 8 2 一 ) , 男 , 湖北宜昌人, 博 士研究生 , 研究方向为钢结构 以及组合结构 , l y a n g O 0 m a i l s t s i n g h u a e d u c n 。 基金项 目:国家 自然科学基金 ( 5 0 5 7 8 0 8 3 ) 。 第 1 期 杨璐等: 钢一 混凝土深肋组合扁梁楼盖空间作用研究 7l 为若其在水平地震荷载作用下相对水平挠度小于 L 5 0 0 0 0 ( L为楼板垂直荷载方 向的宽度 ) 则 视为 楼盖水平刚度无
7、限大, 而我国相关资料认为将楼 盖视为简支深梁 , 若其相对水平挠度小于L 1 2 0 0 0 则可视为楼盖水平刚度无 限大L 1 。 2 2 刚度 比参数 刚度 比 尺 ; 的概念最初 由 Ha s s a n等人 提出并 用于评估钢筋混凝土结构 中楼板的面内变形对结 构内力分布的影响 引, 其定义如下 : R i : f 孚 ) ( 1 ) 1 1 ) , 式中, , 为楼板垂直荷载作用方向截面 的惯性矩 ; , 。 为结构底 层所有柱及 剪力墙形成 的截面惯性 矩 ; 为结构高度; 为混凝土楼板垂直荷载方向 的尺寸 。, 可以按照下式计算 : , s : +A b ( 2 ) 式中, t
8、 表示楼板厚度, 日表示楼板沿荷载作用方 向的尺寸 , A 表示板肋或梁截面的面积 , 表示板 肋或梁截面中心到混凝土板中心轴的距离 。 对于钢一 混凝 土组合楼盖 , 聂建 国等人 】 。 在 此基础上提出了类似的刚度比参数 , 定义为组 合楼盖换算截面抗推刚度和楼层竖向抗侧力构件 总侧移刚度的比值, 如下式 : : 式中, D, 为楼层 的侧移刚度 , 即约束其 中其它楼 层水平位移的条件下使计算楼层处产生单位水平 位移时需要施 加的水平力 ; D d 为钢一 混凝土组合 楼盖的抗推刚度 , 可按下式计算 D c f=O s 丁 e q ( 4 ) 式中 , 表示组合楼盖垂直荷载作用方 向
9、的尺寸, E 。 表示钢材的弹性模量 , , 。 。 表示组合楼 盖换算截 面抗推刚度 , 可按照下式计算: l e q = 旦 1 2 + ( + A 。 ) ( 5 )a E + ( s+As ) , 式 中, t 表示混凝 土板 的厚度 , 表示混凝土板沿 荷载作用方 向的尺寸, 表示钢材与混凝土的模 量比, 。 、 , 分别表示垂直于荷载作用方向的钢梁 的截面面积 与其截 面惯性矩 , 表示钢梁截 面形 心到混凝土弹性中和轴的距离。 在此基础上的研究表 明: 对于 T形组合楼盖 而言当刚度 比系数 R10 0 3时 , 楼 盖在水平荷载 作用下的面内变形对 结构变形和 内力 的影响很
10、小 ; 当 0 0 3时 , 楼盖水平 刚度 与结 构变形和 内力的影响将迅速增大。 2 3 建议深肋组合扁梁刚度 比计算方法 对于深肋组合扁梁楼盖 , 由于其具有 的混凝 土肋较多 , 而且对楼板水平 刚度存在一定的贡献。 在计 算楼盖 刚度 比系数 时应考 虑肋 的影响 , 则 ( 5 ) 式改写成如下形式 : 当肋布置与荷载方 向垂直时 + ( , s + ( + ( 6 ) 当肋布置与荷载方向平行时( 此时相 当于一 根承受均布荷载 的变截面梁) , e q :( , + A ; ) + , 。 ( 7 ) 式中, , 分别表示混凝土肋的截面面积与其截 面惯性矩 ; 表示钢梁截面形心到
11、混凝土弹性中 和轴的距离 表示板肋中心到混凝土板 中心轴 的距离 ; 为将带肋混凝 土板视为变截面梁可以 根据肋的具体尺寸在均布荷载作用下按照结构力 学方法根据跨中挠度相等的原则确定。 3 相对挠度比的有限元计算与对比 3 1 研究对象 研究对象以一个六层 框架结构为原型 , 在 8 度水平地震作用下计算其相对水平挠度 , 取两榀 一 跨计算 , 层高为 3 m, 六层总高度为 1 8 m。为简 化计算 , 假设每层的重力荷载代表值相同, 采用底 部剪力法对顶层所受的水平地震力等效为均布在 楼板和柱侧 面的水平力进 行估算。考虑楼板 自 重 , 地 面做法 以及楼面活荷载 , 适 当考虑墙体
12、自 重, 各层重力荷载代表值 G 约为4 3 0 k N 。根据现 行规范 。 。 进行估算考虑 I I 类场地 , 地震分组为第 一 组 。特征周期 =0 3 5 s , 水平地震影响系数 最大值 t3 】 = 0 1 6 。 在进行整体楼盖的空问作用研究时采用 A N S Y S有限元软件建立了单层单跨 6 m X 6 m的实 体模型, 层高为 3 m, 近似取层高中点为反弯点进 行计算, 详见 图 3 。为了考察混凝土肋及其布置 ( a ) 单 层楼盖模 型 7 2 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 0 9年 ( b ) 楼盖底部构造 图 3 研究对象 方向对组合扁梁楼盖空间作用
13、 的影响 , 分别建立 了无肋模型 、 肋垂直荷载作用方 向与平行于荷载 作用方 向模型进行计算。 L 一 ( a ) 扁梁截面尺 寸 ram 楼盖模型 中混凝土采用 C 3 0 , 钢结构部分柱 子采用 Q 3 4 5钢材, 梁采用 Q 2 3 5钢材 , 钢筋采用 I 级钢筋。钢梁采用非对称工字钢, 上下翼缘厚 1 0 m m, 腹板厚度 8 r f l l T l 。柱采用 3 0 0 i l l n3 0 0 m m 1 2 1T i m箱形柱, 板下部沿板跨方向每个肋部配置 钢筋 2 中2 0 。考虑主梁负弯距影响, 楼板盖板沿主 梁方向配置钢筋 中1 2 1 0 0 , 与主梁垂直
14、方向配置 钢筋楼 6 1 0 0 。柱上下端支座处 、 与主梁相连 处设 1 0 m m厚加劲肋。压型钢板详细尺寸以及 与扁梁搭接情况详见图 4 。楼盖的设计 以一个六 层框架结构为原型。 _ _ - _ ( b ) 压 型钢 板尺寸 ram ( c ) 肋 部配筋 ( d ) 组合 扁梁楼盖剖面 ram 图4 组合扁梁详细尺寸 3 2单元选 用 采用 S O L I D 6 5单元 可以模拟 配筋混凝 土和 素混凝土的压溃 、 开裂等受力特征 , 模型中采用了 弥散钢筋单元 。采用 S O L I D 4 5单元模拟钢梁 , 该 单元是三维八节点六面体单元 , 可与 S O L I D 6
15、5单 元匹配使用。 3 3本构 关 系 计算 中混凝 土的单轴受压应力一 应变关 系采 用过镇海 建议的模型: rOX + (3 2a ) + ( 一 2 ) 1 (8 ) 其中Y:t r o - 0 , = 0 。 0 、 0分别为混凝 土峰 值应力 、 应变。混凝土的屈服准则采用 D r u c k e r P r a g e r 准则 , 强化法则采用各 向同性强化 , 破坏准 则选用 Wi l l a m Wa mk e r 的五参数模型。钢材的单 轴本构关系均采用理想弹塑性模型, 屈服准则采 用 v o n Mi s e s 准则 , 强化法则为各向同性强化。有 限元计算中, 材料的
16、强度采用平均值, 具体参照文 献 1 5 的材性试验结果。 3 4 边界条件与荷载施加 上下柱端施加铰支约 束 , 荷载分别按平行、 垂直 混凝土肋方向施加在单榀 框架楼板处。水平线荷载 大小取计算原型的顶层地 第 1期 杨璐等: 钢一 混凝土深肋组合扁梁楼盖空间作用研究 7 3 g 置 置 值 一 ( a ) 肋平行于荷载方 向 ( b ) 肋垂直于荷载方向 一 ( c ) 无肋模型 图6 不同模型楼盖水平位移情况 0 】 0 0 0 20 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 楼 板位 置 mm 图7 楼板地震荷载作用下面内变形情况 表2 楼板面内变形有限元
17、计算结果 从 以上计算结果可以看出: 混凝土肋对楼板的 水平刚度存在一定程度的贡献, 而且肋垂直于荷载 方向布置的刚度贡献大于平行于荷载方向布置。 为 了与有限元计算结果进行 比较 , 将楼盖视 作承受均布荷载作用的水平深梁 , 采用结构力学 方法计算深梁的弯曲变形挠度厂 M 和剪切变形挠 度 厂 n , 梁的总挠度 厂 可用下式近似计算如下 : 面面积; k为剪应力分布不均匀 系数, 矩形截面取 1 2 ; G 为混凝土的剪切模量 。 表 3给出了采用结构力学方法计算无肋模型 面内挠度 的结果 , 在计算中考虑 了边梁对楼板刚 度的贡献 。 表 3无肋模型面 内变形计算结果 相对水平挠度 O
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- 混凝土 组合 楼盖 空间 作用 研究
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