板柱結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的設(shè)計方法與對比

摘 要：板柱結(jié)構(gòu)體系簡單，設(shè)計方法多樣，針對不同設(shè)計方法，其計算結(jié)果也有一定的區(qū)別，給設(shè)計人員帶來一定的困擾。針對常見的設(shè)計方法，進行對比，總結(jié)各自的特點，方便設(shè)計時選用。

關(guān)鍵詞：板柱結(jié)構(gòu)；直接設(shè)計；等代框架；板殼單元

中圖分類號：TU398.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）11-0218-01

1 板柱結(jié)構(gòu)的特點

板柱結(jié)構(gòu)（即無梁樓蓋結(jié)構(gòu)）是一種不設(shè)梁，樓板直接支撐在柱上的結(jié)構(gòu)體系。相對于梁板結(jié)構(gòu)可降低層高，節(jié)省建筑空間。應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)時，降低層高，減少土方開挖，地下水位較高時可以降低降水費用和抗浮措施費用。用于地上結(jié)構(gòu)時，可以在限高的情況下增加樓層數(shù)量，降低后期裝修費用等。由于以上原因，板柱結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛采用。板柱結(jié)構(gòu)荷載直接由樓板向柱傳遞，由于柱子截面尺寸普遍不大，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴重，容易引起沖切破壞，所以，設(shè)計過程中應(yīng)針對節(jié)點位置進行詳細計算。

2 板柱結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下常見的計算方法

關(guān)于板柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，普遍存在以下幾種常見的設(shè)計方法：

2.1 彎矩系數(shù)法

或稱為經(jīng)驗系數(shù)法或直接設(shè)計法。彎矩系數(shù)法需要滿足以下條件方可使用： 每個方向至少要有3個連續(xù)跨；同一方向的最大跨度和最小跨度之比不大于1.2；任意區(qū)格的長邊與短邊之比不大于1.5；活荷載與恒荷載之比不大于3。

計算多跨板帶的中間跨時，柱上板帶的支座彎矩和跨中彎矩分別為為0.50M0、0.18M0，跨中板帶的支座彎矩和跨中彎矩分別為0.17M0、0.15M0，由于彎矩系數(shù)法的應(yīng)用條件限制較多，對結(jié)構(gòu)布置要求比較嚴格，所以僅僅對于常規(guī)的規(guī)則結(jié)構(gòu)比較適用。

2.2 等代框架法

即將整個結(jié)構(gòu)沿縱、橫柱列方向分別劃分為具有“框架梁”和“框架柱”的縱、橫向框架。計算時，如有柱帽，應(yīng)同時考慮柱帽對框架內(nèi)力計算的影響。等代框架梁的截面尺寸與跨度取值原則為：計算豎向荷載作用時，框架梁寬度尺寸為框架柱兩側(cè)跨度中心線間距離；計算水平荷載作用時，框架梁寬度尺寸為框架柱兩側(cè)跨度中心線間距離的一半；框架梁高度尺寸為板厚；等代框架梁跨度取值為計算方向框架跨度減去柱帽有效寬度的2/3。

按照等代框架法計算得到的彎矩M支座、M跨中經(jīng)過分配后，即可得到柱上板帶和跨中板帶的彎矩值。

柱上板帶的支座彎矩一般取值為0.75M支座；跨中彎矩為0.55M跨中。

跨中板帶的支座彎矩一般取值為0.25M支座；跨中彎矩為0.45M跨中。

等代框架法不受跨度和荷載等因素的限制，在目前的板柱結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。

2.3 有限元法

由于現(xiàn)在通用結(jié)構(gòu)計算程序應(yīng)用廣泛，給板柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了更為精確地計算手段，采用具有板殼單元的有限元程序，計算得到板內(nèi)的應(yīng)力和內(nèi)力分布，根據(jù)應(yīng)力和內(nèi)力分布情況進行配筋設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下可以得到更為精確地設(shè)計結(jié)果。但由于受程序的限制和工作量的影響，主要應(yīng)用于比較復雜的結(jié)構(gòu)。

3 不同計算方法對應(yīng)計算結(jié)果的比較

某工程中的雙層地下車庫，由于需要滿足塔樓嵌固要求，一層采用梁板結(jié)構(gòu)，為了減少開挖量和降低地下水浮力作用，負一層地面采用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)規(guī)整，多為8100mm×8100mm，柱截面600mm×600mm，板厚250mm，柱帽1100mm×1100mm×250mm（厚），負2層層高3600mm，負1層層高4200mm。鑒于地下車庫面積較大，且符合上述3種設(shè)計方法的要求，出于對經(jīng)濟性的考慮，對本工程截取出一部分，采用以上3種方法分別進行計算，對比不同計算方法所得結(jié)果的區(qū)別，以便綜合考慮各種因素，確定合理的設(shè)計方案。計算結(jié)果見下表1。

通過對以上數(shù)據(jù)的比較可知：彎矩系數(shù)法和等代框架法的計算結(jié)果非常接近，等代框架法等夠考慮柱子對板內(nèi)彎矩分配的影響，對于跨度不等的結(jié)構(gòu)更為適用。對于柱上板帶，有限元法計算得到的計算值較大；跨中板帶的跨中彎矩與彎矩系數(shù)法和等代框架法比較接近，但是支座負彎矩較小。3種計算方法所得到的總的彎矩是基本持平的，區(qū)別僅在于分配彎矩采用的方式不同。

4 計算方法選用原則

彎矩系數(shù)法使用過程簡單，在滿足使用條件的前提下，可用于簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計和方案階段的估算。

等代框架法在目前板柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計中使用較多，它不受結(jié)構(gòu)布置的限制，使用靈活，雖然在計算過程采取了很多簡化措施，但計算精度完全能滿足現(xiàn)階段工程設(shè)計的需要，為板柱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個簡便有效的設(shè)計手段。適用于常規(guī)的板柱結(jié)構(gòu)設(shè)計和經(jīng)驗系數(shù)法無法適用的工程。

有限元法具備分析精度高、適用范圍廣泛的特點，而且荷載可以根據(jù)需要進行較為自由的布置與調(diào)整，較為真實的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。但是由于有限元法計算得到的是板殼單元的內(nèi)力與應(yīng)力分布，和桿系單元不同，在設(shè)計過程中需要對計算結(jié)果進行積分計算，以便轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力用于設(shè)計。過程復雜，能直接使用的程序不多，所以應(yīng)用起來計算量大，過程繁瑣。因此，在設(shè)計比較復雜的板柱結(jié)構(gòu)時，可采用有限元法進行計算，以便能得到一個合理的設(shè)計結(jié)果。

參考文獻

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