现浇混凝土无肋空心板试验及有限元分析.pdf
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1、第 3 7卷第 1 期 2 0 1 1 年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 7 现浇混凝土无肋空心板试验及有限元分析 楚 玺 ( 后勤工程学 院研究生 队 , 重庆4 0 1 3 1 1 ) 摘要: 通过对现浇混凝土无肋空心板的荷载试验, 主要研究了现浇混凝土无肋空心板的受力与变形性能, 并用 A N S Y S有限 元软件对试验模型进行了分析。试验研究表明 , 现浇 混凝 土元肋空心板的受力与 变形性能 与普 通实心板相 似 , 可分为弹性变 形 、 弹塑性变形和塑性变形 3个变形阶段 , 现浇 混凝 土无
2、肋空心板在不 同阶段对外加荷 载变形响应特 征明显 。裂缝 发展 伴随 整个试 验过程 , 每个阶段裂缝 的发展呈现 明显 的特征性 , 最后破坏 时, 裂缝的充分 发展证明 了板 良好的 塑性 变形性能 , 以及裂 缝分布情况说明现浇混凝土无肋空心板的破坏符合塑性铰理论。A N S Y S软件结果分析与试验结果符合良好。 关键词 : 无肋空心板 ; 试验研究 ; 边界约束 ; 有限元分析 中图分类号 : T U 3 7 5 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 2 7 0 4 Ex p e r i m e n t s a n
3、d fin i t e e l e m e n t a na l y s i s o f c a s t i n- s i t u c o n c r e t e no n r i b b e d ho l l o w pl a t e CHU Xi ( P o s t g r a d u a t e T e a m, L o g i s t i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 1 3 1 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h r o u g h
4、c a s t i n s i t u c o n c r e t e n o n ri b b e d h o l l o w p l a t e l o a d t e s t , ma i n r e s e a r c h t h e p r o p e r t y o f c a s t i n s i t u c o n c r e t e n o n - ri b b e d h o l l o w p l a t e S f o r c e a n d d e f o r ma t i o n,a n d w i t h t h e ANS YS fi n i t e e l
5、e me n t s o f t wa re f o r an aly s i s o f t h e t e s t mo d e 1 Ex p e r i me n t al s t u d i e s h a v e s h o w n t h a t t h e c a s t i n - s i t u c o n c r e t e n o n ri b b e d h o n o w p l a t e S d e f o r ma t i o n i s s i mi l a r t O o r d i n a r y s o l i d p l a t e , w i t h
6、 c a n b e d i d e d i n t o t h e e l a s t i c d e f o r ma t i o n s t a g e, t h e e l a s t i c p l a s t i c de f o rm a t i o n s t a g e a n d t h e p l a s t i c d e f o rm a t i o n s t a g e, f o r t h e s p e c i me n, di ffe rent s t a g e s o f d e f o r ma t i o n c h a r a c t e ris
7、t i c s we r e s i g n i fi c a n t l y d i ffe r e n t for t h e e x t e r n al l o a d i n g C r a c k s d e v e l o p e d alo n g t h e e n t i r e t e s t i n g p r o c e s s , c r a c k s d e v e l o p me n t a t e a c h s t a g e h a v e a p p a r e n t c h a r a c t e ri s t i c T h e f u l l
8、 d e v e l o p me n t o f c r a c k s b e f o r d e s t r u c t i o n s h o ws t h e p l a t e h a s g o o d p e r f o rm a n c e o f p l a s t i c d e f o r ma t i o n, t h e e o U a p s e me c h a n i s m a c c o r d s we ll w i t h p l a s t i c - h n e t h e o r y F i n i t e e l e me n t a n a
9、l y s i s s h o w s t h a t t h e o r e t i c a l r e s u hs a c c o r d we l l wi t h t e s t r e s u l t Ke y wo r ds: n o n rib be d h o l l o w p l a t e; t e s t ; b o un da r y c o n s t r a i nt ; fin i t e e l e me nt a na l y s i s 0 前言 现浇混凝土无肋空心板是指在楼板 中按预埋轻 质模具( 如泡沫、 可 回收气 囊等) , 模具 排列不 留间
10、隙, 经现场浇筑后形成空腔率在 4 5 以上的混凝土 空心楼板 , 简称混凝土无肋空心板。该楼板吸取 了 B D F薄壁筒芯和薄壁箱体空 心楼盖结构 ; G B F管 无梁楼盖 ; WF B密肋空心楼盖 ; 薄壁箱体混凝 土空腹板楼盖 的优点 , 在它们的基础上进一步降 低了结构的自重, 节约了混凝土的用量 , 有明显的经 济效益 , 并能完成环保、 节能的要求 。东南大学的程 文滚、 党纪和华北水利水 电学院的程远兵等人对蜂 窝式混凝土带肋楼板 的研究起步较早 , 研究成果 已 能够投入工程实际应用。但 目前对无肋空心楼板的 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 2 -0 1 作者简介: 楚玺
11、( 1 9 8 6一) , 男 , 陕西蒲城人 , 硕士研究生 , 主要从 事 结构检测 、 鉴定、 加 固方面的研究。 E ma i l : 6 7 2 2 1 0 7 6 6 q q c o rn 研究仅刚刚起步 , 还处于探索、 研究 、 发展 阶段。混 凝土无肋空心楼板的设计计算尚未建立起一套完整 的理论和方法, 无肋空心楼板与普通楼板、 带肋楼板 的受力 、 变形的相似与不同之处都不明确。因此 , 研 究人员对 3 m3 m, 厚 1 0 0 m m 的混凝土无肋空心 板进行 了试验研究。试验遵循 G B 5 0 1 5 29 2 混凝 土结构试验方法标 准, 并参考 了程远兵等人对
12、现 浇蜂窝式空心板 的试验方法 。 1 试验介绍 1 1 试件设计 本试验 采用柱 网尺 寸 3 m 3 m, 厚度 为 1 0 0 mm的无肋混凝 土空心板 , 板 的总空心率为 4 6 。 试件的支模、 浇筑 、 养护均在试验室进行 , 试件的主 要截面尺寸、 配筋 见 图 1 , 空心板实体外 观见图 2 。 空 心板 内部 预埋轻 质泡 沫 , 浇筑完 成后 , 轻 质泡沫 留 在板中不进行 回收。试件 吊装在 4块钢支座上 , 柱 底部用细沙找平 , 使板呈水平放置。试件按板面承 四川建 筑科学研究 第 3 7卷 受 1 0 k N m 设计 ( 不包括 自重 1 3 2 k N m
13、 ) 。试件 混凝土采用商品混凝土 , 坍落度 1 8 0 m m, 设计强度 图 1 Fi g 1 卜 ( a ) 板 尺寸 及粱配 筋 图 主要试件几何尺寸及配筋 等级 C 3 0 , 实测混凝土立方体 的抗压强度和轴心抗 压强度见表 1 , 钢筋抗拉强度见表 2 。 ( b ) 荷载分布及测点布置图 The ma i n s pe c i m e n ge o me t r y a nd r e i nf or c e men t 图 2现浇混凝土无肋空心板外观 F i g 2 Ca s t - i n - s i t u c o n c r e t e l i o n - fib b
14、e d h o l l o w p l a t e a pp e ar an c e 表 1 混凝 土强度指标 Ta bl e l Co n c r e t e s t r e n gt h i n de x s i g n 表 2 钢筋材料性能 Ta bl e 2 St e e l ba r ma t e r i al pe r f or m a nc e 1 2 试 验方法 试验加载采用普通粘土砖( 1 81 9 k N m ) , 为 方便加载, 在空心板面弹出 0 7 m0 7 m 的方格 网, 将板底刷 白。板和梁的挠度用百分表测量 ( 图 1 ) , 测点主要布置在梁、 板 的跨
15、中, 板底采用 T D 8 6 3 6 9型机电百分表与外部视频相连实时采集数据 , 边梁扭转和挠度变形采用机械百分表分时测量 , 裂 缝采用 5 倍光学放大镜观测 , 裂缝宽度采用裂缝刻 度尺测量, 精度为 0 0 5 m m。由于试验条件有限, 本 卜 一 ( c ) 1 - 1 剖 面图 次试验不测量钢筋应变, 钢筋的屈服变形通过裂缝 宽度间接反映。为确保仪器正常工作 , 推算板 自重 下挠度数据 先按照开裂试验荷载计算值 的 7 0 进行 了预加载 J , 开裂荷载按照 G B 5 0 1 5 2 9 2 混 凝土结构试验方法标 准由 蝶=( + 。 。 ) 确 定 , 试加载共分为
16、3级 : 0 4 k N m , 0 8 k N m , 1 2 k N m , 每级间隔 5 mi n , 卸载后进行正式加载, 前 1 0 级荷载每级加载 0 5 k N m , 每级 间隔 1 0 m i n 。第 1 1 级 开始 , 每 级加 载 0 7 k N m , 每级 间 隔 2 0 r a i n , 待试件变形稳定后, 记录挠度数据, 并观察裂缝出现 和发展情况。加载至 l 5级荷载 ( 8 5 k N m ) 后 , 试 件持续受力 2 4 h , 以后每级加载0 3 k N m , 间隔 1 5 m i n , 加载至 2 4级荷载( 1 1 2 k N m ) 时
17、, 试件破坏 , 受力阶段极限荷载和破坏的判定根据 G B 5 0 1 5 2 9 2 混凝土结构试验方法标准 中第 8 0 1条。 2试验结果 2 1 受 力与变形 阶段 从开始施加荷载到破坏 , 试件主要经历了 3个 受力与 变形 阶段, 分 别为 弹性变形 阶 段 ( 03 3 k N m ) , 该阶段试件未 开裂 , 应力与应变呈线性关 系 ; 弹塑性变形 阶段 ( 3 3 9 7 k N m ) , 该阶段试 件带裂缝工作 , 裂缝发展平稳 , 应变较应力增长为快 的塑性特征在该阶段后期显现, 但不明显 , 曲率与挠 度增长平稳 , 应力应变呈 曲线关系 ; 塑性变形 阶段 ( 9
18、 71 2 5 k N m ) , 该 阶段 钢 筋屈 服 , 裂缝 发 展迅 速 , 试件表现出很好的塑性变形性能 , 曲率与挠度增 长迅 速 。 加载开始阶段, 每级荷载作用下试件挠度增量 很小 , 挠度 与荷 载成正 比关 系。当荷 载达 到 3 3 f _ 刊 楚玺 : 现浇混凝 土无肋 空心板试 验及有限元分析 2 9 k N m ( 不包括 自重) 时, 板 面在 K LI跨中内侧与 板交接处出现第一条裂缝 , 裂缝很细 , 其宽度无法精 确读出 , 该裂缝的出现标志着试件弹性变形结束 , 由 弹性变形进 入弹塑性 变形 阶段。此后荷载 逐级增 大 , 板面与 K L 一 1 跨中
19、内侧相交处的裂缝跟随荷载的 增大向板的角部发展 , 当总荷载值达到 6 2 k N m 时 , 板底出现第一条裂缝 , 这时板面裂缝发展稳定 , 宽度在 0 0 20 0 3 ra m之间。总荷载达到 8 5 k N IT I 。 后持续受力 2 4 h , 在此过程中进行 了 5次数据采 集 , 发现板的挠度和裂缝宽度均有少量增加。此后 继续施加荷载, 板应变较应力增长为快的塑性特征 开始显现, 板面的裂缝宽度随荷载增加 明显增宽 , 向 板角延伸速率加快 , 此时板面的主要裂缝基本确定 , 除了主要裂缝 之外 , 板面并 无新 的伴 随裂缝 产生。 相反, 板底裂缝发展逐渐增 多, 主要裂
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