新型空心鋼管混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)有限元分析

（中信地產(chǎn)南昌投資有限公司，南昌330000）

摘 要：珠江新城城市地下空間工程由于結(jié)構(gòu)頂板荷載大、跨度大而板厚受限，在受力關(guān)鍵部位采用了新型空心鋼管混凝土樓蓋，其他部位仍采用普通鋼筋混凝土構(gòu)件?；贛IDAS/Gen軟件，對這種局部采用了空心鋼管混凝土樓蓋的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體建模分析，并對在其關(guān)鍵部位采用同尺寸鋼筋混凝土樓蓋的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析，對比兩者在相同荷載工況下的受力性能及位移。

關(guān)鍵詞：珠江新城地下空間;結(jié)構(gòu)頂板;空心鋼管混凝土樓蓋;鋼筋混凝土樓蓋

1 工程概況

作為廣州市二十一世紀(jì)在中央商務(wù)區(qū)重點開發(fā)建設(shè)的配套工程，珠江新城地下空間工程的（下面簡稱之為“工程”）總規(guī)劃面積約為39萬m2，工程總的投資額接近35億元。珠江新城地下空間工程的選址位于廣州市珠江新城的核心地帶，工程東起華夏路，西至冼村路，北靠黃埔大道，南達(dá)海心沙島，工程總占地面積超過1.4 km2，整個工程建筑包括地下商業(yè)街、文娛場所以及休閑場所，屬于城市的綜合體。

整個工程的主體為全埋式的地下室，豎向規(guī)劃一層到三層，其中地下一層主要為下沉廣場以及商鋪，地下二層主要為停車庫和大巴車場，地下三層主要是配合軌道交通。

2 空心鋼管混凝土樓蓋體系

工程使用的空心鋼管混凝土樓蓋由板底板面鋼筋、鋼箱梁、空心鋼管、鋼筋桁架模板以及樓板鋼筋混凝土等組成。工程中使用的空心鋼管混凝土樓蓋是在鋼管處于空心狀態(tài)下的時候在鋼管以外澆筑混凝土，空心鋼管混凝土樓蓋將鋼管作為成型模板，在完成澆筑以后不拆除內(nèi)部鋼管，這樣鋼管就可以參與承受板內(nèi)的彎矩和剪力，大幅度提升了整個空心板結(jié)構(gòu)的剛度和板的承載能力。

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

工程使用的分析軟件為MIDAS/Gen，這是一種大型有限元分析軟件，本文以工程空間結(jié)構(gòu)中的Ⅰ區(qū)某標(biāo)準(zhǔn)段（取三跨）為例，利用以上的軟件建立兩種有限元的模型，并對之進(jìn)行分析。

3.1 空心鋼管混凝土樓蓋的結(jié)構(gòu)體系

（1）模型參數(shù)。工程建立模型選取的標(biāo)準(zhǔn)段的水平跨度為117.6 m，其中包括豎向的三層，其中下到上的高度分別為：7.2 m/4.8 m/6.2 m，其中的結(jié)構(gòu)頂板的標(biāo)高設(shè)定為-1.000 m。工程模型負(fù)一層的柱網(wǎng)（中間4跨）參數(shù)為：8.4 m×8.4 m和8.4 m×16.8 m，其中模型的頂板是無梁樓蓋體系，使用的板材厚度為600 mm，其中的空心鋼管混凝土樓蓋體系被使用在中間跨度為16.8 m的區(qū)域，選用的板材的厚度為900 mm。

（2）模型特點。結(jié)構(gòu)模型的單元主要分為三類，包括墻單元、版以及梁，次梁為工程使用的混凝土樓蓋中的空心鋼管，考慮到模型單元劃分的復(fù)雜程度，模型主要使用密布梁來代替工程中使用的樓板;工程模型中樓蓋體系中的鋼箱梁采用型鋼組合截面。

3.2 普通鋼筋混凝土樓蓋的結(jié)構(gòu)體系

在工程模型中，用等面尺寸的鋼筋構(gòu)件代替X、Y方向的的型鋼梁以及空心鋼管次梁，除此之外，為了提升模型各個結(jié)構(gòu)的對比性，在模型的構(gòu)建中仍然使用密布梁代替樓板。

3.3 模型單元劃分

在工程模型中按照一定的規(guī)則，將其中全部的除去空心鋼管以外的梁和柱劃分為10個單元，其中的空心鋼管的長度是16.8 m，在劃分時將其劃分成為20個單元;在對板面進(jìn)行劃分時，以0.84 m×0.84 m作為劃分單元;在對墻單元進(jìn)行劃分時，按照面積相等的原則將其劃分為100個單元。劃分完畢之后總的劃分單元為17900個，其中包括墻單元1200個，板面單元10800個，梁單元5900個。

3.4 模型邊界及簡化

對上述兩種模型的邊界條件做如下處理：

（1）此模型研究的雖然是地下結(jié)構(gòu)，但是僅對結(jié)構(gòu)在靜力荷載工況進(jìn)行分析，在模型建立中忽略土對整個結(jié)構(gòu)的作用;

（2）工程處于地下水位之下，不能忽略地下壓力以及水浮力的作用;

（3）按照固定端考慮模型底部施加的所有壓力。

4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移分析

4.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

（1）空心鋼管混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果。在工程結(jié)構(gòu)模型中，負(fù)一層中的第2、3、4排承受的軸的壓力很大，計算中的最大值為9922 kN，在豎向梁柱節(jié)點處所承受的力的最大值為5163 kN，梁柱節(jié)點以及主梁跨中的彎矩較大，經(jīng)計算，最大值為7214 kN·m，梁柱的節(jié)點處計算得出的彎矩值為6293 kN·m。綜合以上的數(shù)據(jù)分析，工程的結(jié)構(gòu)主要容易發(fā)生頂層板柱節(jié)點的沖切破壞，軸壓的破壞以及負(fù)1、3層的彎曲。

（2）普通鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果。在工程結(jié)構(gòu)模型中，負(fù)一層中的第2、3、4排承受了較大的軸壓力，經(jīng)計算，其最大值為11626 kN;其中的豎向剪力梁柱節(jié)點受軸壓力最大值為5229 kN;其中，主梁梁跨中以及梁柱節(jié)點處的彎矩最大值分別為，梁柱節(jié)點處為7642 kN·m，跨中為7217 kN·m。

（3）內(nèi)力比較。計算表明，在工程的關(guān)鍵性區(qū)域使用空心的鋼管混凝土樓蓋與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土樓蓋相比，結(jié)構(gòu)自身的重量降低了13.9%，整個結(jié)構(gòu)內(nèi)力也發(fā)生了一定的變化。

4.2 位移比較

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域采用鋼筋混凝土樓蓋時，板跨中撓度為30.2 mm，超過了《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50001-2008）中允許的撓度最大值：L/300（L為構(gòu)件的跨度取8.4 m），即28 mm;而采用空心鋼管混凝土樓蓋時，板跨中最大撓度為20 mm，小于《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2001）中允許的撓度最大值為28 mm，并具有較高的安全儲備。

5 結(jié)論

經(jīng)計算，工程在上述關(guān)鍵部位若采用普通鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)，得到頂板跨中最大撓度為30.2 mm，超出規(guī)范限值28 mm;而采用空心鋼管混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)，得到頂板跨中跨中最大撓度僅為20.2 mm，符合使用功能要求，并具有較高的安全儲備。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍昌祺等.廣州市城市地下空間開發(fā)利用分析[J].工程力學(xué)，2009，26（增刊Ⅱ）：106-114.

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