新型裝配式鋼筋桁架密肋樓蓋的靜力性能

(1. 濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院， 山東濟(jì)南250022； 2. 山東建勘集團(tuán)有限公司， 山東濟(jì)南250000)

密肋樓蓋是由薄板和間距較小的肋梁組成的結(jié)構(gòu)形式，分為單向密肋樓蓋和雙向密肋樓蓋2種。該樓蓋體系適用于荷載較大、大跨度空間的多高層建筑，具有節(jié)省材料、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)性能好等特點(diǎn)，應(yīng)用較廣泛，也取得了較豐富的研究成果。趙考重等[1]對(duì)疊合箱網(wǎng)梁樓蓋進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)底板裂縫間距和寬度大，裂縫數(shù)量少，而肋梁裂縫間距和寬度小，裂縫較多。陳禮剛等[2]對(duì)恒載作用下混凝土簡(jiǎn)支板與三跨連續(xù)板足尺模型進(jìn)行試驗(yàn)，得到了連續(xù)板的內(nèi)力重分布和破壞特點(diǎn)。朱崇績(jī)等[3]通過對(duì)足尺無梁樓蓋的火災(zāi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樓蓋含水率對(duì)高溫性能影響嚴(yán)重，含水率過高會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生爆裂現(xiàn)象，板頂裂縫呈對(duì)角雙曲線形。王顯都[4]提出了裝配式密肋空心樓蓋的實(shí)用計(jì)算方法。周緒紅等[5]針對(duì)目前混凝土雙向密肋裝配整體式空心樓蓋剛度和變形計(jì)算存在較大誤差的問題， 提出更精確、 合理的剛度和變形計(jì)算方法。 李青寧等[6]提出一種由新型預(yù)應(yīng)力空心板和后澆邊緣構(gòu)件組成的新型裝配式樓蓋。 宣衛(wèi)紅等[7]采用ANSYS軟件研究新型混凝土空心樓蓋板的保溫隔熱性能， 結(jié)果表明， 影響空心樓蓋板等效導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素是體積空心率， 在體積空心率為8%～30%時(shí)兩者呈線性關(guān)系。 Bailey等[8]提出了一種預(yù)測(cè)火災(zāi)條件和常溫條件下無約束混凝土板承載力的計(jì)算理論，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有良好的相關(guān)性。 舒興平等[9]研究了全裝配式桁架梁組合樓蓋的平面內(nèi)剛性性能， 結(jié)果表明， 樓蓋在平行于拼裝板縫方向受力時(shí)整體性較好。李俊峰等[10]通過用不同的計(jì)算軟件， 對(duì)密肋樓蓋在豎向荷載作用下的受力機(jī)理進(jìn)行分析， 結(jié)果表明，密肋樓蓋的柱帽對(duì)主梁及與柱帽相連的第一跨次梁彎矩影響較大， 而對(duì)其他跨的次梁影響較小。 Aguado等[11]研究了4塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸鋼筋混凝土空心板中鋼筋布置對(duì)抗彎高溫性能的影響， 結(jié)果表明， 當(dāng)鋼絲和鋼絞線從暴露表面移開時(shí)， 驗(yàn)證方法通常高估了耐火計(jì)算。 鄭紅華等[12]對(duì)現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析， 并結(jié)合規(guī)范的規(guī)定提出了現(xiàn)階段現(xiàn)澆空心樓蓋的一些認(rèn)識(shí)誤區(qū)。 Shakya等[13]對(duì)6塊預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心板進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬， 結(jié)果表明， 該模型能夠在標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)火災(zāi)條件下模擬空心板的受力行為。

裝配式建筑成為當(dāng)前土木工程建造領(lǐng)域的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，傳統(tǒng)密肋樓蓋已不再適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，而常見的預(yù)應(yīng)力疊合樓蓋的自重較大，吊裝運(yùn)輸均不方便，一定程度上限制了其推廣，因此，研究一種新型裝配式樓蓋具有重大意義。本文中提出一種新型裝配式鋼筋桁架密肋樓蓋，為了掌握該類樓蓋的受力性能，采用有限元軟件建模，分析單、雙向板樓蓋在各種荷載工況下的受力特點(diǎn)和變形能力。

1 樓蓋模型

樓蓋模型如圖1所示。新型裝配式鋼筋桁架密肋樓蓋由鋼筋桁架、填充泡沫塊、縱橫向鋼筋連接件等部分組成，混凝土部分為密肋結(jié)構(gòu)，肋梁之間填充輕質(zhì)發(fā)泡混凝土塊， 肋梁上部設(shè)置鋼絲網(wǎng)混凝土現(xiàn)澆層，縱橫向鋼筋桁架、連接件配合以條狀拼裝式鋁合金模板，可以使得樓蓋在施工過程中不再需要大體量的模板和腳手架。填充氮?dú)獍l(fā)泡混凝土，自重減小，同時(shí)具備保溫隔熱性能。除現(xiàn)場(chǎng)澆筑的高強(qiáng)度免振搗灌漿料外，其他部件均由工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

(a)樓蓋三維圖

(b)樓蓋剖面圖圖1 樓蓋模型示意圖

2 靜力性能模擬

混凝土采用C3D8R單元。鋼筋桁架和鋼絲網(wǎng)采用T3D2單元。混凝土網(wǎng)格、鋼筋骨架網(wǎng)格、面層鋼絲網(wǎng)的網(wǎng)格邊長(zhǎng)分別為4、 3、 5 cm。分別建立單向板樓蓋和雙向板樓蓋2個(gè)足尺模型，如圖2所示。

3 結(jié)果分析

為了研究該類樓蓋在各種類型建筑物中的靜力性能，考慮多種使用工況如下： 1)住宅、教室； 2)通風(fēng)機(jī)房、電梯機(jī)房； 3)密集柜書庫； 4)消防車用通道。對(duì)應(yīng)的荷載分別為2.5、 7.0、 12、 20 kN/m2，均考慮活荷載滿布。

3.1 樓蓋撓度

有限元軟件ABAQUS模擬結(jié)果表明，四邊固定約束時(shí)各種工況下樓蓋撓度呈現(xiàn)相似規(guī)律， 以活載為12 kN/m2工況下單向板和雙向板撓度分布云圖為代表進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖可知，跨中區(qū)格板中心位置撓度最大，距離中心區(qū)格板越遠(yuǎn)，變形越小。單向板樓蓋沿短跨方向的各中間區(qū)格變形均較大，肋梁對(duì)區(qū)格板的約束作用明顯，撓度應(yīng)力云圖在每個(gè)區(qū)格呈獨(dú)立分布， 有明顯的區(qū)格界限。 雙向板樓蓋的變形主要集中在樓蓋的中心，其他區(qū)格撓度相對(duì)較小，說明荷載傳遞路徑沿2個(gè)方向開展。

(a)單向板

(b)雙向板A—樓蓋中心；B—樓蓋中心區(qū)格短跨跨中；C—樓蓋中心區(qū)格長(zhǎng)跨跨中。圖2 單向板樓蓋和雙向板樓蓋足尺模型

四邊固定約束時(shí)4種工況下跨中最大撓度對(duì)比如圖4所示。由圖可以看出，無論單向板還是雙向板，均在跨中樓蓋位置出現(xiàn)較大的撓度而周邊肋梁撓度較小。單向板在4種荷載工況下最大撓度為0.778 mm，同級(jí)荷載下跨中樓蓋撓度明顯大于相鄰肋梁撓度。雙向板模型因跨度較大而在4種荷載工況下?lián)隙染笥趩蜗虬宓?，最大撓度?.621 mm。與單向板不同的是，雙向板跨中樓蓋與周邊肋梁的撓度差值明顯比單向板的小，并且隨著荷載的增大，最大撓度的發(fā)展基本呈平行趨勢(shì)，體現(xiàn)了雙向板在長(zhǎng)、短跨2個(gè)方向均受力較大的特點(diǎn)。

(a)單向板

(b)雙向板圖3 四邊固定約束時(shí)撓度分布云圖

(a)單向板

(b)雙向板A—樓蓋中心；B—樓蓋中心區(qū)格短跨跨中。圖4 四邊固定中心區(qū)格板跨中及肋梁最大撓度

圖5所示為活荷載為12 kN/m2工況下單向板和雙向板撓度分布云圖。由圖可知，2種樓蓋的變形有較大不同，單向板樓蓋撓度較大區(qū)域集中在樓蓋中部幾個(gè)區(qū)格板內(nèi)，由于肋梁的剛度較大，因此，各區(qū)格板的變形呈現(xiàn)區(qū)域性，其他部位區(qū)格板的撓度很小。雙向板樓蓋的變形則集中在中部連接幾個(gè)相鄰區(qū)格板的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)板和肋梁的變形均較大，而且變形均呈明顯的輻射狀分布，展現(xiàn)出整體雙向彎曲的特性。

(a)單向板

(b)雙向板圖5 四邊簡(jiǎn)支約束時(shí)撓度分布云圖

四邊簡(jiǎn)支約束時(shí)跨中樓蓋及周邊肋梁最大撓度如圖6所示。由圖可知，單向板模型在4種荷載工況下最大撓度為3.297 mm。雙向板在4種荷載工況下?lián)隙茸冃屋^單向板大，與單向板不同的是，雙向板核心區(qū)格板跨中與周邊肋梁的撓度差值明顯比單向板小，體現(xiàn)了雙向板在長(zhǎng)、 短跨2個(gè)方向均受力較大的特點(diǎn)。四邊簡(jiǎn)支約束時(shí)單向板和雙向板不同位置的撓度變化曲線較接近，原因是簡(jiǎn)支邊界條件引起了樓蓋整體變形而削弱了肋梁的約束作用。無論單向板還是雙向板，均在核心區(qū)格板跨中位置出現(xiàn)較大的撓度而周邊肋梁撓度較小。樓蓋最大撓度小于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2016《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的限值l0/300(其中l(wèi)0為板的計(jì)算跨度)，能夠滿足民用建筑使用需求。

(a)單向板

(b)雙向板A—樓蓋中心；B—樓蓋中心區(qū)格短跨跨中。圖6 簡(jiǎn)支邊界核心區(qū)格板跨中及周邊肋梁最大撓度

3.2 樓蓋應(yīng)力

圖7所示為四邊固定約束時(shí)各種工況下跨中鋼筋應(yīng)力。由圖可知，單向板樓蓋在工況4(20 kN/m2)下短跨跨中最大鋼筋應(yīng)力為18.4 N/mm2，長(zhǎng)跨跨中最大鋼筋應(yīng)力為3.3 N/mm2。雙向板中短跨跨中最大鋼筋應(yīng)力為88.2 N/mm2,長(zhǎng)跨跨中最大鋼筋應(yīng)力為31.2 N/mm2。密肋結(jié)構(gòu)形成的空間傳力模式使得2類樓蓋的鋼筋應(yīng)力均不大，短跨跨中鋼筋應(yīng)力均大于長(zhǎng)跨跨中鋼筋應(yīng)力。單向板中2個(gè)方向跨中鋼筋應(yīng)力相差較大，而雙向板中2個(gè)方向跨中鋼筋應(yīng)力較接近。

圖8所示為四邊簡(jiǎn)支約束時(shí)各工況下跨中鋼筋應(yīng)力。由圖可知，四邊簡(jiǎn)支時(shí)跨中彎矩最大，因此，鋼筋應(yīng)力較四邊固定時(shí)增大幅度很大。相同荷載作用下，雙向板跨中鋼筋應(yīng)力比單向板的大。

4 結(jié)論

本文中針對(duì)一種新型裝配式鋼筋桁架密肋樓蓋，采用ABAQUS軟件分析了樓蓋靜力性能，分別建立了單向板和雙向板足尺模型， 通過研究不同工況下四邊簡(jiǎn)支和四邊固定的樓蓋受力特點(diǎn)，得出如下結(jié)論：

(a)單向板

(b)雙向板B—樓蓋中心區(qū)格短跨跨中；C—樓蓋中心區(qū)格長(zhǎng)跨跨中。圖7 四邊固定邊界樓蓋跨中鋼筋應(yīng)力

(a)單向板

(b)雙向板B—樓蓋中心區(qū)格短跨跨中；C—樓蓋中心區(qū)格長(zhǎng)跨跨中。圖8 四邊簡(jiǎn)支邊界樓蓋跨中鋼筋應(yīng)力

1)當(dāng)四邊固定約束時(shí)，無論單向板樓蓋還是雙向板樓蓋，最大撓度都發(fā)生在跨中區(qū)格板，并且肋梁變形小，對(duì)樓蓋面層約束效果明顯，撓度以區(qū)格局部變形為主。

2)在四邊簡(jiǎn)支約束條件下，肋梁也有較大變形，樓蓋中心區(qū)格的撓度整體偏大。在各類工況下，樓蓋變形均小于規(guī)范要求的正常使用限值。四邊簡(jiǎn)支時(shí)跨中鋼筋應(yīng)力顯著增大，但是均未達(dá)到屈服，有較高的承載能力和安全儲(chǔ)備。