对自承式钢筋桁架混凝土叠合板中预制构件短期刚度的有限元分析

　　摘要：自承式钢筋桁架混凝土叠合板是一种新型的叠合楼盖形式，因为预制构件中有钢筋小桁架的存在，故其在施工阶段的短期刚度比普通的叠合楼盖要大。本文通过变化预制板的两个参数，建立八个有限元模型，研究了预制板厚度、钢筋桁架上下弦钢筋轴心距离对自承式钢筋桁架混凝土叠合板预制构件短期刚度的影响。
　　关键词：叠合板，钢筋桁架，短期刚度
　　Abstract：Compositeslabbysteelbartrussandconcreteisanewstyleoffloorslab.Becausethereisthesmallsteelbartrussesinprecastmember,itsshort-termrigidityishigherthanthenormalcompositefloorslab.Thentheinfluenceofseveralparameterstotheshort-termrigidityofprecastslabisanalyzed,suchasthethicknessofprecastslab,theaxisdistancebetweenthetopmemberandthebottommember.
　　Keywords:Compositeslab,steelbartruss,short-termrigidity
　　1引言
　　自承式钢筋桁架混凝土叠合板是对传统预制叠合板进行改良，通过在叠合板中增加弯折细钢筋形成空间小桁架，组成一种新型的楼板体系。它除了继承传统预制叠合板的免支模、免支撑、工厂化程度高、工期短而造价低的优点外，与传统装配式结构比，还具有更好的整体性和抗震性能；与压型钢板—混凝土组合楼板相比，节约了压型钢板。它特别适用于多层钢结构住宅结构体系中。图1、图2是自承式钢筋桁架混凝土预制板的简单图示。
　　自承式钢筋桁架混凝土叠合板与普通叠合板受力模型的相同之处在于：两者均为二阶段受力体系，预制板在工厂制造，然后到现场组装并现浇一层混凝土，第一阶段为简支构件，第二阶段可以形成连续构件。从截面受力来说，同样存在“受拉区钢筋应力超前”、“受压区后浇混凝土应变滞后”的特点。
　　两者不同之处在于：当现浇层混凝土成型以后，钢筋桁架成为混凝土楼板的
　　                    
　　
　　　　                                                  图2自承式钢筋桁架混凝土预制板的CAD简图
　　上下层配筋，承受后期的各项使用荷载。另外由于此种板型有小钢筋桁架中腹杆的存在，使得叠合层与预制层的抗剪连接更为可靠，其二者的共同工作有更好的保证。但由于有突出叠合面的钢筋小桁架的存在，以前关于预制构件刚度的计算方法变得不适用，而刚度计算直接影响到构件应力、挠度、裂缝等的控制。这必然要求寻找出一种新的适合的计算方法来完成这个工作。
　　本文通过有限元模型中将各类影响参数进行变化，以研究各参数变化对第一阶段构件短期刚度的影响，从而避免进行足尺组合板实验所需要的巨大经济投入。总共建立八个有限元模型，研究预制板的板厚、钢筋桁架的上下弦轴心距离这两个参数对预制板短期刚度的影响。
　　2模型的建立
　　本文选择有限元程序ANSYS对结构进行分析。
　　建模的主要单元为Solid65和Pipe20，其中Solid65模拟混凝土，Pipe20模拟钢筋，整个钢筋混凝土有限元模型采用分离式模型，不考虑钢筋和混凝土的滑移，按共节点的模式来协调钢筋和混凝土的变形。混凝土本构关系采用混凝土结构设计规范(GB50010—2002)中建议的本构关系，钢筋采用双线性随动硬化模型。
　　本文中的自承式钢筋桁架混凝土叠合板在施工阶段的荷载包括预制构件自重、叠合层混凝土重以及本阶段的施工活荷载。浇注阶段的施工活荷载标准值取为1.5KN/m2的均布荷载。施工时不应在预制板上承受负荷较集中的重型机具，如果有的话，应采取有效措施将集中荷载分布到足够大的面积上去，另外也可在局部设置临时支撑，使荷载直接通过支撑传至地基。
　　根据目前民用建筑设计的要求，普通房间的开间为3.0，3.3m，3.6m，3.9m，4.2m。我们取最典型的3.6m开间的板长进行研究，此种板跨的实际计算长度为板跨度减去支座宽度，支座宽度按0.2m考虑，则3.6m板跨的计算长度为3.4m。
　　板宽取600mm,预制板厚50mm，叠合层厚70mm，总厚度为120mm，预制板混凝土强度等级取C35，弹模为3.15E1010Pa。上部钢筋面积取339mm2,上部钢筋轴心到板顶距离20mm,下部钢筋面积取302mm2,下部钢筋面积轴心到板底距离20mm，钢筋桁架高度为80mm。上部及下部受力钢筋均采用HPB235，钢筋弹模采用2.14E1011Pa。
　　分别建立两组模型，每组四个。通过八个有限元模型研究预制板的板厚、混凝土的强度等级、钢筋桁架的上下弦轴心距离这两个参数对预制板短期刚度的影响。
　　
　　3计算结果及分析
　　3.1预制板厚对刚度的影响
　　对第一组模型四块板（BA1、BA2、BA3、BA4）进行研究，四块板的预制层高度分别为50mm，60mm，70mm，80mm，则叠合层分别厚70mm，60mm，50mm，40mm，其它的参数均如前所述。图3为预制构件在本阶段荷载下（包括预制楼板自重、叠合层湿混凝土重以及本阶段的施工活荷载）的挠度图。
　　                         
　　
　　　　                                       图3预制构件（变预制板厚）跨中的弯矩-挠度图
　　从图3的四条曲线变化可以看出此预制构件受力性能的共同之处，这四条曲线均有两个明显的几何拐点，在第一个拐点之前，曲线的荷载与挠度呈很明显的线性关系，挠度增长较慢，这说明此时的刚度是一个定值，混凝土尚未开裂，第一个几何拐点为混凝土构件的开裂点，荷载为开裂荷载，在这个拐点之后，挠度有一个突变，这是混凝土开裂后，受拉区开裂混凝土承受的拉力，在开裂后，全部转移给受拉钢筋，刚度变化很大，导致挠度变化也很大，其后还有一个几何拐点，拐点之后的曲线斜率相对未开裂时小，这是板的裂缝进入了稳定发展阶段。
　　比较这四条不同的曲线可以看出，随着预制板厚度的增大，各板跨中的挠度分别为：BA1(17.26mm)，BA2(16.52mm)，BA3(15.51mm)，BA4(14.67mm)，后面三块板相对BA1的挠度来说：分别降低了4%，10%及15%，构件挠度的下降趋势比较明显。构件的开裂弯矩分别为:BA1(1912N*m),BA2(2334N*m)，BA3(2690N*m)，BA4(2904N*m)，后面三块板的开裂弯矩相对于板BA1的变化率为：22%，40%和51%，增大的变化趋势非常明显。
　　3.3预制板钢筋桁架高度对刚度的影响
　　对第二组模型四块板（BC1、BC2、BC3、BC4）进行研究，考虑预制板钢筋桁架高度对挠度的影响。预制板钢筋桁架高度分别取70mm，80mm，90mm，100mm，预制板的板厚取60mm，叠合层厚也为60mm，其它截面参数均如前所述。图4为预制构件(变桁架高度)跨中的弯矩—挠度图。
　　                   
　　
　　　　                               图4预制构件(变桁架高度)跨中的弯矩—挠度图
　　从图4的跨中弯矩—挠度图可以看出：在预制板混凝土同等截面及荷载大小相等的条件下，钢筋桁架高度变化BC1的70mm变化到BC4的100mm,各板的开裂荷载分别为：3039N*m,3326N*m,3658N*m和4034N*m，开裂荷载相对C20板的增加比例为9%，20%，32%，开裂弯矩增加比例相对前面两种参数变化来说小些，这是因为，钢筋桁架高度变化后，中和轴的位置相对上移，当混凝土抗拉强度并没有变化，所以有增大的趋势，但变化不是那么明显。
　　各板跨中的挠度分别为：BC1(19.82mm)，BC2(16.02mm)，BC3(12.98mm)，BC4(4.37mm)。相对BC1的挠度来说：分别降低了19%，35%及78%。挠度下降非常明显。其中BC4的挠度下降达78%，这是因为此桁架高度变到100mm后，此块板的开裂弯矩也增大了，甚至超过了本阶段荷载引起的弯矩值，板此时还没有开裂，所以刚度是未开裂时候的刚度。总体来说，钢筋小桁架高度的增加，引起中和轴的上移，相应刚度上升得比较明显，提高钢筋桁架的高度相对前面两个参数的变化来说，对预制板刚度的影响显著。
　　
　　4结论
　　综上所述可以看出，预制板的板厚、钢筋桁架的上下弦轴心距离两种参数能明显提高钢筋桁架预制板的短期刚度。
　　
　　参考文献：
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