钢-混凝土组合扁梁楼盖承载性能有限元分析.pdf
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1、第 3 O卷 第 5期 2 0 0 8年 1 0月 重 庆 建 筑 大 学 学 报 J o u r n a l o f Ch o n g q i n g J i a n z h u Un i v e r s i t y Vo1 3 0 NO 5 0c t 2 0 0 8 钢一 混凝 土组合扁梁楼盖承载性 能有 限元分析 杨 璐 , 王元清 , 石永久 ( 清华大学 土木工程系 , 清华 大学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 : 钢一 混 凝 土组合扁 梁楼 盖 的 采 用 可 以 降低 结 构层 高 , 改 善 钢 结 构 的 防 火性 能 ,
2、形 成 无 柱 大 空 间 与 “ 无 梁 楼 盖 ” 的 建 筑 效 果 ; 组 合 扁 梁楼 盖 具 有 良好 的 力 学性 能 , 在 多 高层 结 构 中 , 既 能 做 框 架 梁 受 力 , 又 能 承 载 楼 面 的 作 用 荷 载 ; 同 时 深 肋 压 型 钢 板 的 采 用 可 以 降低 楼 板 自重 同 时 可 作 为 永 久 模 板 使 用 , 大 大提 高 施 工 速 度 , 带 来 很 好 的 经 济 效 益 , 在 多 高 层 钢 结 构 建 筑 中 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 论 文 采 用 有 限 元 软 件 ANS YS建 立 钢 一 混 凝 土 组
3、 合 扁 梁 整 体 楼 盖 三 维 实体 模 型 。 对 组 合 扁 梁 楼 盖 在 竖 向 荷 载 作 用 下 的 承 载 性 能 、 变 形 特 点 以 及 楼 板 自振 频 率 进 行 了分 析 , 同 时对 组 合 扁 梁 的有 效 宽 度 及 肋 部 混 凝 土 的 影 响 进 行 了 计 算 分 析 。 分 析 结 果 表 明 : 钢 混 凝 土 组 合 扁 梁 楼 盖 具 有 良 好 的 承 载 性 能 并 能 较 好 地 满 足 正 常 使 用 的 要 求 ; 肋部 混凝 土及 配筋 对楼盖 的承 载 力有较 大 的影 响 ; 楼 盖 主 梁的有 效 宽度 分析应 建 立 在
4、整 体模 型和 试 验 的 基 础 之 上 。 关 键词 : 组合 扁 粱楼 盖 ; 承 载性 能 ; 自振 频 率 ; 有效 宽度 ; 有 限元 分析 中图分 类号 : T U3 9 1 文献标 志码 : A 文章编 号 : 1 0 0 6 7 3 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 4 7 0 6 FEA o f t h e Lo a d i n g Ca p a c i t y o f M o n o l i t hi c Co mp o s i t e S l i m Fl o o r s wi t h De e p De c k s YANG Lu , WANG Yu a
5、 n q i n g, S HI Yo n g - j i u ( De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g ,Th e Ke y La b o r a t o r y o f S t r u c t u r e En g i n e e r i n g a n d Vi b r a t i o n o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n,Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ,Be ij i n g 1 0 0 0 8 4,PRCh i n a ) , Ab
6、s t r a c t : S t e e l c on c r e t e c o mpo s i t e s l i m f l o o r s wi t h t he s t e e l be a m e nc a s e d i n c o nc r e t e f l o or s l a bs h a v e ma n y a dv a nt a g e s,i n c l ud i n g l O W s t r uc t u r a 1 he i g ht ,hi gh f i r e r e s i s t a nc e a nd r a pi d c o ns t r u
7、c t i o n t i me s The s e f e a t u r e s ma k e s u c h f l o o r s a pr o m i s i n g f or u s e i n mul t i s t or e y s t e e l bu i l d i ngs W e e s t a bl i s he d a 3D f i ni t e e l e m e n t mo de l of a mo no l i t h i c c o m p os i t e s l i m f l oo r u s i n g t he ANSYS s o f t wa r
8、 e pa c ka ge W e a na l y z e d t he l oa d i n g c a p a c i t y, d e f or ma t i o n b e ha vi or ,n a t u r a 1 v i b r a t i o n f r e q ue nc y,t he i n f l ue nc e of r e i nf or c e m e nt 。a nd t he c o nc r e t e i n t h e f l o o r r i b u nd e r a un i f or ml y d i s t r i but e d v e r
9、 t i c a l l o a d W e c a l c ul a t e d t h e e f f e c t i v e wi d t h o f m i d gi r d e r a nd s e c o nd a r y b e a m s The f ol l o wi n g c o nc l u s i on s c a n be dr a wn f r om t h e a n a l ys i s r e s u l t s:Fi r s t ,mono l i t h i c c o mpo s i t e s l i m f l o o r s po s s e s
10、 s hi g h l oa di n g c a p a c i t y f or c o mm o n bui l di n gs Se c on d,t he c o nc r e t e r i b a nd r e i nf o r c e m e nt r a t i o i n t he r i b h a v e s i g ni f i c a nt e f f e c t s o n f l oo r l o a d i ng c a pa c i t y Thi r d,c a l c u l a t i on o f e f f e c t i ve p r i m a
11、 r y b e a m wi dt h s h o u l d b e b a s e d o n a n a l y s i s o f mo n o l i t h i c f l o o r s r a t h e r t h a n s i n g l e b e a ms Ke y wo r ds : c ompo s i t e s l i m f l o or ;l oa d i n g c a p a c i t y;na t u r a l v i br a t i on f r e qu e nc y;e f f e c t i v e wi dt h;FEA 1 概 述
12、 钢一 混凝土组合扁梁将钢梁 内嵌于混凝土楼板 之 中, 利 用钢 梁 与混凝 土之 间 的粘 结 力 实 现 了 两者 的共 同工 作 , 其 最 早 出 现 在 北 欧 的 S c a n d i n a v i a , 当 时 楼 盖 中所采用的钢梁截面形状酷似绅士的礼 帽, 所 以这些 钢梁也被称为“ 帽梁” ( Ha t B e a m) , 如图 1 。到 目前, 已 经出现 了较多此形式 的产 品, 形式上 主要有组合扁梁 在工程的应用主要有叠合板组合扁梁口 、 深肋组合扁 梁 2 、 拱形 组 合 扁 梁 3 , 见 图 2 。采 用 组 合 扁 梁 楼 盖 , 主要 有 以下
13、 两个 方 面 的突 出优 点 : 一 是 可 以增 加 建 筑 净空, 降低结构 的层高 ; 另一方面, 由于钢梁大部分埋 收稿 日期: 2 0 0 8 0 5 2 0 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 5 7 8 0 8 3 ) 作者简介 : 杨璐( 1 9 8 2 一 ) , 男 , 博 士生 , 主要从事钢结构及钢一 混凝土组 合结 构研究。( E ma i l ) l y a n g o o ma i l s t s i n g h u a e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第 3 0卷
14、 吲衄 ( a ) ( b ) ( c ) 图 1 帽 梁 ( d) ( a ) 叠 合板组 合扁梁 钢 梁 ( , ) 深 肋 组 合 扁 棠 ( C ) 拱 形 组 合 扁 粱 楼 盖 图 2不同类型组 合扁 梁 在混 凝 土中 , 可 大 大改 善 钢 梁 的 防火 性 能 。从 而 带 来 很好 的经济效 益 。 国内外对组合扁粱结构形式的受力性能进行了一 定 的研 究 。1 9 9 5年 , 芬兰赫 尔 辛基 理 工 大学 钢结 构 试 验室 为 r研究 各种 因素 对半组 合扁梁 刚度 和强 度 的影 响 , 主 要探讨 了各 种 连接 形 式 对组 合 扁 梁 的 刚度 和 强
15、度的影响 ; 1 9 9 9年 , 又进行相关试验对影响组合扁 梁的节 点 的性 能 的参 数 、 裂缝发 展规 律 、 纵 向钢 筋 应力 分布 规律和破 坏 模式 等 进行 了研究 。1 9 9 5年 , 意 大 利 T r e n t o大学 研究 了配筋 率 和 柱 类 型对 组 合 扁 梁 的 节点 的性 能 影 响 ; 1 9 9 8年 , 英 国 钢 结 构 研 究 所 ( Th e S t e e l C o n s t r u c t i o n I n s t i t u t e ) 设 计 了跨 度 为 7 5 I T 1 三 根简 支压 型 钢板 组 合 扁梁 试 件
16、, 采 用 4点加 载模 拟 了 实际工程 中简 支组 合 扁 梁 的受 力性 能 。清华 大 学近 年来对简 支 、 框 架 以及 悬 臂叠 和板 组 合 扁 梁 以及 简 支 、 框 架深肋组合扁梁 的承载性 能进 行 了试 验研 究 。 从 目前笔者有 限的资料搜 集 中, 尚未发现对 于组合 扁梁 整体楼盖的试 验研 究 , 而 对 于其 它形 式 的楼 盖研 究 中 , 楼盖的边界 支撑条件 多为四边简支或角点 支撑 一 。 论 文 主要 通过 有 限 元方 法 , 对 深 肋 压 型钢 板 组 合 扁 梁整 体楼盖 在竖 向荷 载作用 下 的承载性 能进 行 了分 沂 , 重点 研
17、究 了褛盖 的 变形特 点 、 肋 部配 筋对偻 盖 承载 力的影 响 、 自振 振 型 频 率 以 及组 合 扁 梁 的有 效 宽 度进 行 了分析 并 与相关 文献 进行 了 比较 。 2 有 限元模型建立 2 1 研 究对 象 通过 有 限元软件 ANS YS建 立 了深肋 组合 扁梁 整 体楼 盖模 型并对 其在楼 面均 布荷载 作用下 的受 力性 能 进行 了模 拟 分 析 。整体 楼 盖共 两跨 6 ml 2 m, 跨 中 设一 道次 梁 , 主梁 与柱 刚接 , 次梁 与主梁铰 接 。柱子 总 长度 3 I n , 中点位 于钢梁 腹板 中点 处 , 两端 铰接 。其 整 体 布
18、置情 况及 肋 部 情 况 如 图 3 。柱 上 下 端 、 与 主 梁 相 连 处及主 梁 与次 梁相连 处 设 1 0 mm 厚加 劲肋 。 钢梁采用非对称工字钢 , 上下翼缘厚 1 0 F i l m, 腹板 厚 度 8 mm, 截 面尺寸 如图 4 , 采 用 3 0 0 3 0 0 l 2 箱 形 柱 , 压型钢板详细尺寸以及与扁梁搭接情况详见图 4 。 考 虑主梁 负弯距 影 响 , 楼 板 盖板 沿 主 梁方 向配 置钢 筋 ( 1 2 1 0 0 , 与 主梁垂 直 方 向配 置 钢 筋楼 ( 6 1 0 0 ; 板 下 部 沿板跨 方 向每个 肋 部 配置 钢 筋 2 ( 2
19、 0 如 图 4 。采 用 C 3 0混凝 土 , 钢 材强度 Q2 3 5 , 钢筋 为 I 级 。 为 了分析 肋 部 混 凝 土 配 筋 对 楼 盖 承 载 性 能 的 影 响 , 在其 它参数 不变 的情况 一 卜, 另外 计算 了肋 部不 配钢 筋 的有 限元模 型 。 2 2 单 元选 用及界 面处理 在有 限元模 型 中采 用 S ( ) I I D6 5模 拟 混 凝 土 的受 力 , 肋部 混凝土 配筋 、 表面 配有钢筋 网混凝 土覆 盖 层 以 及其 余地 方素混 凝土 在建模 中采用 具有不 同 配筋 率 的 弥 散钢筋 单元组 成 的整体式 钢筋模 型来模 拟 配筋
20、混凝 土 和素 混 凝 土 的压 溃 、 开 裂 。采 用 S OI I D 4 5模 拟 钢 梁 。该单 元是三 维 八节点 六面体单 元 与 S ( ) I I D 6 5单 元 匹配使 用 。 考虑 施工 中压 型钢板并 没有 与钢梁进 行 可靠 连接 以及 闭 口处理 , 在建模 过程 中忽 略了压 型钢板 的贡献 。 根据 文献 7 和文 献 E s 的研 究成 果 , 在 对 于组 合 扁 梁 的试 验加载 过程 中没有 量测 到混凝 土与 钢梁粘 结 界面之 间的相 对滑 移 , 所 以在建 模 过 程 中界 面 采用 了 共 用节点 , 不考 虑钢 梁与混 凝土 界面相对 滑移
21、 。 ( a ) l l 合扁梁整体楼盖( 上部) ( b ) 组合扁梁整体楼盖( 底部) 图 3组 合 扁 梁 布 置 情 况 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 杨 璐 , 等: 钢 混凝土组合扁梁楼盖承载性能有限元分析 4 9 + ! + I I ( c ) 肋部配筋示意图 ( d ) 组合扁梁楼盖剖面图 图 4 组合扁梁详细尺寸 2 3 材 料本 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 海口 建 议 的模 型 : f + ( 3 2 a ) a c + ( 口一 2 ) a c 。 z 1 Y 一 z 、 ( 1 ) 【 文中
22、y 一旦, _r 一三。 、 。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 r n k 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 y o n Mi s e s准 则 , 强 化 法 则 为 各 向 同 性 强 化 。 2 4 边 界条 件及 荷载 施加 在钢 柱端 部施 加 铰 接 约束 , 楼 面施 加 均 布 荷 载 向 下 , 单元划分及有限元模型如图
23、 5 所示 。 图 5组 合扁 梁整 体楼 盖 有 限 兀 模 型 3 有 限元计算结果 3 1 位移 荷载 曲线 楼盖在均布荷载作 用下 的竖 向变形呈现 出马鞍 型, 最大竖向位移对称地出现在两跨板中, 图 6给出了 楼面荷载为 8 k N m。 情况下楼盖的竖向变形情况。荷 载一 挠度 曲线最能体现结构的受力特性, 是最重要的数 据, 常常可以将荷载一 挠度曲线 作为设计 的依据。图 7 给 出了楼盖跨 中位 移荷载 曲线 与最大 位移 荷载 曲线 。 从 图 6 、 图 7可 以看 出 , 在 竖 向荷 载低 于 1 0 k N m 时 , 楼盖挠度小于 8 m m, 当楼面荷载达到1
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- 混凝土 组合 楼盖 承载 性能 有限元分析
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