华中科技大学硕士学位论文低肋大跨度板肋间填块受力问题研究姓名：鲁崇心申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：胡幸生20051101I摘 要 本文在总结已有大跨度楼板结构形式的基础上对低肋大跨度楼板这种新型的楼板体系进行了非线性分析该类楼板体系是现有密肋楼板的延伸有减轻楼盖自重增大板跨肋间填块更能保证板底平整无需吊顶施工方便等诸多优点但这些优点是以填块在肋间受力完好接触面不产生开裂破坏和过大的竖向滑移为前提的因此对肋间填块的受力和变形以及接触面的研究是很有必要的本文通过有限元方法研究了低肋大跨度楼板及肋间填块在竖向均布荷载作用下的受力机理和变形特征, 因而具有重要的理论与应用价值 本文利用通用的有限元程序 A N S Y S 建立了低肋大跨度楼板的非线性计算模型考虑钢筋混凝土材料的非线性和梁肋与砌块间接触状态的非线性并把考虑砌块作用与不考虑砌块作用两种情况进行了对比分析了其对低肋大跨度楼板开裂荷载和挠度的影响得出了砌块对楼板刚度贡献的大小同时还得出了低肋大跨度楼板在竖向均布荷载作用下裂缝的分布与发展情况板肋梁的应力分布规律以及肋梁与砌块间接触面的受力变形特点在影响接触面受力变形性能的众多因素中粘聚力和摩擦系数是最为重要的为此本文还把接触面的粘聚力和摩擦系数对接触面受力变形的影响也作了分析对比得出了一些结论和建议同时还提出了一些相应的构造措施可以为模型试验或者工程设计提供参考 关键词: 低肋大跨度楼板 钢筋混凝土 非线性有限元 裂缝 接触 IIAbstract On the basis of summarizing the existing large-span slab structure forms, this article made a nonlinear finite-element analysis for the Large span board.This board entended the current multi-ribbed board,it can lighten the deadweight,augment the span, and the stuffing between the beam also can level off the bottom of the board, so it unnecessary to make ceiling again and the construction becomes so expediently. With FEM, this article studied engineering mechanism and distortion character, under vertical load, of the Large span board, so it is of the high theoretical and applicant value. By using general purpose finite element program-ANSYS, This article made a nonlinear finite-element analysis and practical mechanican analysis model, at the same time, considering the nonlinear character of the reinforced concret and the contact. From the comparison of the Large span with stuffing and without stuffing, analysised the effect of stuffing to the cracking load and distortion when the deadweight of stuffing was considered, and offered the value of contribution to stiffness, meanwhile offered the distributing and development of the crack, the distributing of stress, and the character of stress and distortion on the interface. Among all effects to the interface, contact cohesion and friction coefficient is most importance, so this article made analysis and comparison, offered some conclusion and suggestion, gave some corresponding measure, all those can be consulted by model-experiment and design. KeywordsLarge span board Reinforced concret Nonlinear FEM Crack Contact 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日 期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保 密在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 (请在以上方框内打) 学位论文作者签名 指导教师签名 日 期 年 月 日 日 期 年 月 日11 绪 论 1.1 问题的提出 随着社会的发展和人民生活水平的不断提高多年来沿用的户型固定的小开间砖混结构住宅己不能满足人们对居住质量的需求因此人们对住宅设计提出了更高的要求住宅的商品化家庭的小型化和人们生活的多样化使得居住者在满足居住饮食睡眠等基本的需求后对居住区的环境室内空间以及外部装饰等方面的需要己逐渐上升至主要地位人们要求住宅区域环境美的同时要求住宅内部空间具有自由灵活分割的性能能够适应不同家庭由于人口结构生活方式文化审美的差别而产生的不同需求同时还能够适应随时间的变化人们对住宅内部空间产生重新设计的要求即住宅设计要考虑住宅空间的灵活性多样性适应性和可改性另外在住宅二次交易的时候室内布局还可以重新调整1 在住宅体系中空间可以分为两个部分一是可变化部分二是不可变化部分前者包括卧室客厅过道等后者则包括厨房卫生间楼梯等厨卫部分由于上下水管等设施造成重新分割布局困难 因此不在我们讨论范围之内 我们着力将卧室客厅过道等可变化部分连成一体在结构上创造一个无梁无柱的大空间以达到自由灵活分割的目的这种大开间灵活分割住宅结构体系正是体现了住宅建筑以人为本住户参与设计以及可持续发展的要求2 目前住宅建筑开间最大已达到 6m 左右但这只不过形成较为宽敞的客厅而已还不能达到人们所要求的可以任意分割的大开间住宅制约大开间住宅结构发展的主要因素便是楼盖的形式要实现大跨度楼盖关键问题是降低楼板的自重增大板的刚度 国内对于大空间住宅的研究可追溯到上世纪 70-80 年代限于当时的条件结合研究也曾试验性设计建造了一些小面积的大空间住宅但大空间住宅的一些优越性尚无法全面展现出来进入 90 年代国内不少大中城市结合当地的建筑技术条件分别在一些居住小区试验性地建造了一些大空间住宅比如上海的新江浦公寓大空间住2宅上海地区其它一些居住小区也有一些大空间住宅如华东建筑设计院设计的鹤北居住区二街坊爱建上海新家园等1国外对于大开间住宅结构体系的研究始于 60 年代初较为成功的有日本的 CHS体系和 KEP 体系荷兰的 SAR 体系MATURA 体系以及南斯拉夫的 IMS 体系其中 SAR 体系是由荷兰建筑师哈布瑞根提出的骨架支撑(SAR)体系将住宅设计和建造分为支撑体和可分体两部分其基本思想是使住户能参与住宅室内的空间划分为居住者提供一个具有一定灵活性的可变化的空间3 在大开间住宅结构体系中楼板是影响技术经济指标的重要项目如何在大开间住宅结构中既减轻楼板自重又能得到较为经济的效果是大开间住宅结构面临的一个课题低肋大跨度楼板就是在此前提下提出的一种楼盖体系国内外很多学者对此楼板的受力性能和设计方法进行过深入研究和探讨各种大跨度楼板肋间填充材料不尽相同如塑料模壳玻璃钢模壳也可选用一次性的轻质材料填充做模壳如加气混凝土砌块陶粒混凝土空心砌块GRC 复合空心模壳等选用原则是一要经济造价低二要就地取材容易买到用填充块做模壳底面平整不需吊顶以得到平整的顶棚由于设备管线走肋中使吊顶很简单不需龙骨只需将石膏天花板安到肋上即可不降低层高隔音保温效果好且造价低廉每平方米在 10 元以内但这些优点都是以填充块在肋间受力完好不产生粘结面破坏为前提的目前对填充块如何受力与变形以及对楼板刚度贡献还没有进行过专门的研究本文将就此问题进行深入的研究和探讨 1.2 传统楼盖的缺陷及大跨度楼盖研究现状 传统住宅建筑多为砖混结构形式采用预制预应力多孔板装配形式的楼盖此类楼盖跨度小(不足 4m)承载力低(不足 10kN/)无法满足大开间住宅的要求而近年来新兴的现浇钢筋混凝土楼盖以其刚度大整体性好等优点颇受亲徕但板跨达到 6-7m 时板的厚度以及相应的配筋都随之增加显得较不经济4且 6-7m 的跨度尚不足以使住宅的室内空间达到灵活分割的目的 目前国内少数大城市及经济发达地区已试建了一些大开间住宅其楼盖的主要形3式归纳分如下几类大跨度预应力楼板轻钢与混凝土组合楼板钢筋混凝土双向空腹楼板轻质材料填充的低肋大跨度楼板 1.2.1 大跨度预应力楼板 大跨度预应力楼盖主要有三种形式 (1) 现浇预应力混凝土楼盖现浇预应力混凝土楼盖跨度可达 6-12m承载力约10kN/左右板厚约 250350 mm 左右大跨度现浇预应力楼盖与普通钢筋混凝土楼盖相比具有结构性能优良现浇结构整体性好及经济性较好等优点但对施工要求较高国内陶学康等人对后张无粘结预应力混凝土板做了很多研究并在很多高层建筑房屋中运用无粘结预应力混凝土楼板的跨度适宜在 6-12m板上活荷载适宜在5kN/m2以内地震烈度适宜在中等烈度以下混凝土的强度等级不宜低于 C40, 且采用高强钢丝和钢绞线跨高比根据目前国内的经验控制在 40-50美国后张委员会建议取 485 (2) 高效预应力预制装配楼盖由于现浇结构复杂工期长质量不稳定等弱点难以克服因而在此基础上出现了高效预应力预制装配楼盖但该类预应力楼盖整体性及抗震性比现浇楼盖差因此其构造措施显得较为复杂 (3) 预制现浇式叠合楼盖由于预制空心板厚度大在层高限制较严的高层住宅中难以推广高烈度区对结构整体性要求较高装配式楼盖也受到限制叠合板就是介于预制板与现浇板之间的一种板的形式其底部是预制板在浇筑上部分混凝土时叠合层起模板作用当后浇混凝土凝固以后即成为楼板结构的一部分形成整体受力的状态我国自 60 年代就开始应用叠合结构但叠合结构至今在建筑工程中应用未能普及很多方面的问题还需要更好的研究解决例如新旧混凝土间的粘结力和摩擦力问题 保证两者整体共同工作等5,6叠合板其预制薄板既作为底模 又参与受力抵抗正弯矩一般叠合板设计成