肋梁楼盖结构抗震研究现状★

华俊杰 张道明

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 2.齐齐哈尔大学土木与建筑工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)



肋梁楼盖结构抗震研究现状★

华俊杰1张道明2

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 2.齐齐哈尔大学土木与建筑工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

介绍了肋梁楼盖的基本作用和类型，分别总结了肋梁楼盖的静动力计算方法及其在国内外的研究现状，并提出了一些预应力肋梁楼盖在应用中有待解决的问题，为大跨度预应力肋梁楼盖的抗震性能研究奠定了基础。

肋梁楼盖，结构抗震，拟板法，拟梁法

楼盖是建筑物的基本组成部分，在结构中主要承担设施及楼面面荷载，因此楼盖体系的稳定，关系整个建筑物的安全使用。本文对肋梁楼盖的计算方法及研究现状做了介绍。

1 楼盖的作用及类型[1]

楼盖是由梁和板组成，是建筑物中的水平承重体系。它与竖向承重体系现浇连接成整体共同组成建筑物的基本框架，承担建筑物所受的各种荷载，保证其正常使用。随着建筑技术的不断发展，楼盖的形式也日益多样化，通常可以分为有梁楼盖和无梁楼盖两大类。无梁楼盖指不设肋梁，楼板底面平整无坑洼，较为美观，然而楼板较厚，自重大，造价相对高。主次梁楼盖、井字梁楼盖、密肋楼盖均为有梁楼盖，除此之外还有空心楼盖、组合梁楼盖等多种形式。可以根据不同使用条件择优选择。自从预应力被使用以来，不仅广泛应用在桥梁中，也在房屋结构建筑中大放异彩。

2 楼盖结构静力分析方法

楼盖体系是建筑结构的基本组成部分，楼盖结构性能的保证是建筑物能正常工作的有力保障。因此关于楼盖的静力分析和设计显得非常重要，现有的分析方法有：线弹性理论、塑性理论、有限元法等。

1)线弹性理论。线弹性理论假定材料是具有弹性的，可采用结构力学的方法来计算其内力和变形；像常规尺寸和荷载的结构，可以利用现成的表格。因为混凝土抗拉强度低，使得混凝土在较低的荷载作用下就有可能开裂。结构开裂后，刚度降低，变形变大，内力出现重分布，实际内力与按弹性方法设计的内力相比误差较大，并且，随着荷载的不断增加，裂缝会不断加大，混凝土与钢筋之间粘结产生破坏，受拉钢筋屈服，造成误差越来越大。因而，弹性理论设计方法不适用于设计楼盖开裂后的情况。

2)塑性理论。塑性内力重分布法和塑性极限分析法是塑性理论的两种计算方法。塑性内力重分布法指的是在考虑塑性内力重分布设计时，能较为真实的体现出混凝土结构开裂后的内力情况，如果能把内力重分布的大小控制好，不仅可以较好地发挥结构的承载力，而且还能控制好结构在正常使用情况下的变形和裂缝发展。当然，塑性内力重分布的应用是以结构开裂和塑性变形得到一定的发展为先决条件的，因此，对于那些在使用过程中对抗裂等级要求较高的结构、防渗等级要求高的结构、对于直接承受动力荷载和疲劳荷载的结构，不应考虑使用塑性内力重分布法设计。结构塑性极限分析法是研究结构在塑性极限状态下的特性，又称结构破损分析。当建筑结构受外载荷达到或超过某一极限值时，会产生几何变形，形成可变体系，随着变形的不断增长，最终失去承载能力，这种状态称为结构的塑性极限状态。

3)有限元法。有限元法是采用有限元分析软件，根据实体建筑物选择适当有限元单元类型、边界条件及施加荷载类型，对楼盖结构进行数值计算，通过利用有限元软件计算得到的结果具有较高精确度，可以真实的反映建筑物实际受力情况。

3 楼盖结构动力分析方法

楼盖结构既要满足设计使用的刚度及承载力需求，还应符合动力荷载下的舒适度要求。特别是大跨度楼盖，由于其跨度大，刚度小，自振频率较低，甚至人行荷载下，都会引起过大的振动响应。因此，关于楼盖动力响应的计算显得非常重要，它直接反映楼盖使用的舒适程度。国内外学者对于楼盖结构动力分析方法进行了研究，主要方法有拟梁法、拟板法和有限元分析法。

3.1 拟梁法

在各国规范中，通常采用拟梁法简化计算楼盖在动力荷载作用下的振动响应[2]。拟梁法是一种离散化的方法，它将楼盖的两个方向等效为均质的简支梁，由刚度差异的双向梁体现楼盖的各向异性，以此来分析计算楼盖的动力响应。拟梁法可以较好的计算轻型楼盖的动力响应,但在计算钢筋混凝土肋梁楼盖时往往精确度达不到要求。由于拟梁法适用范围小，因此对它的研究也较少。

3.2 拟板法

拟板法是一种连续化的方法，将楼盖连续化等效为宏观的同性或正交各向异性的均质实心平板进行计算。一般建筑结构中楼盖的肋梁间距相对较小，通常仍为板的受力特点。等效刚度的确定决定着楼盖能否等效成实心平板。等效成各向同性板要求楼盖的两个方向构造特征相同，且双向刚度相同或相差较小时，要确定抗弯刚度D的值；等效成正交各向异性板要求楼盖的两个方向构造特征不同时，需确定两个方向抗弯刚度Dx，Dy和综合抗扭刚度H的值。张道明等[3]在考虑肋梁楼盖中板和梁的耦合作用时，提出了动力拟板法计算分析密肋楼盖的动力响应。基于梁板耦合振动函数，通过二者分离建立正交肋梁振动控制方程，确定楼盖的等效平板厚度和楼盖振动频率；通过算例研究了肋梁楼盖的等效平板厚度和楼盖的动力特性；结果表明肋梁的间距、高度和板的跨度对楼盖结构振动频率影响较大。

4 肋梁楼盖抗震性能研究现状

楼盖结构是建筑物的基本组成部分,其结构的性能不但对保证建筑物的承载力、刚度、耐久性以及提高抗震、抗风性能有着重要作用,而且对建筑物的隔声、隔热和美观等建筑效果也有直接影响。关于对结构动力性能的研究,一直是结构工程专业领域研究的热点和重点之一,其中对于结构的抗震性能研究占据着重要的地位。

4.1 国外肋梁楼盖研究现状

美国在20世纪就对肋梁板进行了研究并应用在实际工程中[4]。美国混凝土结构设计规范部分内容就是基于历年美国对双向板结构和实验试件研究以及Di Stasio和Van Buran的研究成果[5-7]。William[8]，Park等学者[9]对板及平板在极限状态和使用状态下的性能等方面做了大量研究。力学家铁木辛柯最早提出把原本是为了一种理想的弹塑性材料而产生的正交异性板理论应用到密助楼盖内力求解中[10]。这一理论成果引起了巨大的反响，直到现在，众多学者大多以正交异性板理论为基础对肋梁楼盖做进一步研究[11]。由于墨西哥大地震中大量密助楼盖的建筑物发生了倒塌破坏，造成了严重的损失，国内外专家学者开始把研究重点从密助楼盖的竖向静载转向水平动力荷载的研究[12-14]。

4.2 国内肋梁楼盖研究现状

2014年，吴庆等[15]使用有限元软件对二次预应力外包钢组合梁叠合楼盖进行了动力特性研究，针对预应力的大小、预应力筋的布置形态及柱端约束等参数做了详细分析，并得到一些规律性结论，为实际工程提供参考。

2015年，李其成等[16]基于工程实例采用有限元软件对带有大跨度密肋楼盖的结构进行了分析，利用MIDAS/GEN软件创建有限元分析模型，并分析了地震作用下楼盖的抗震性能，分析结果表明：密肋楼盖对整体结构抗震有重要影响，层高变化是影响结构性能的重要因素。

5 结语

从搜集文献上来看，关于肋梁楼盖的抗震性能研究较少，无论是抗震理论还是有限元数值分析，大多理论研究都是基于静力荷载作用下，对楼盖内力的求解。关于大跨度预应力肋梁楼盖的研究也不多见，文献大多是研究预应力梁、板及节点等构件对结构抗震特性的影响，并没有对整体进行分析研究。一般在结构设计中很少会单独对楼盖进行抗震性能分析，但我国规范规定对于楼盖跨度超过24 m的要进行竖向抗震设计。

因此对于大跨度预应力肋梁楼盖的抗震性能研究还有如下问题有待解决：

1)预应力肋梁结构是复杂多次超静定空间梁结构，如何确定结构的综合内力和次生内力，以及自重和叠合楼盖自重作用下结构内力分布，建立其理论分析模型是该结构设计计算的理论基础；

2)预应力梁结构抗弯、抗剪和刚度较小，如何在叠合楼盖施工过程中，利用高效预应力，提高结构的承载性能，使交叉梁能够满足作为叠合楼盖施工平台承载要求；

3)由于预应力结构跨度大，自重小，楼盖结构的动力响应敏感，特别是大跨度楼盖自振频率较低,甚至与人行走前三阶步频相重合,导致过大的振动响应；

4)如何利用有限元软件，选择合适的模型单元，是进行结构抗震性能模拟分析的基础。

[1] 沈蒲生.楼盖结构设计原理[M].北京：科学出版社,2003.

[2] ALLEN D E,RAINER J H,PERNICA G.Vibration criteria for assembly occupancies[J].Canada Journal of Civil Engineering,1985,12(3):617-623.

[3] 张道明,华俊杰.密肋梁楼盖结构分析的新方法——动力拟板法[J].内蒙古大学学报(自然科学版)，2016,47(2):1-8.

[4] W.A.Slater,A.Hagncr, G P.Anthes.Tests of a hollow Tile and Concrete Floor Slab Reinforcde in Two Directions,Proc.ACI,1912(8):132-157.

[5] L.J.I.,arson， S.N.Pettenko.Loadong Testes of a Hollow Tile and Reinforced Concrete Floor of Arlington Building,Wanhingtoo, D.C，Technol Pap,Bur.Stand,1924(17):405-445.

[6] C.Bach， O.G-tar.Versuche mitallseitig anfilegenden,quadratischen,undrechteckigen Eisenbetoplatten,Dtsch.Ausschuss Eisenbeton (Berlin),VOl.30,1915.

[7] J.Di Stasio， M.E Van Vuren.Slabs Supported on Four Sides,Proc.ACI,1936(32):350-364.

[8] William L.Gable,Mete A.Sozen， Chester P.Siess.Tests of a two-wayreinforced concrete floor slabs[J].Journal of the structural Division,Proceedings of ASCE,1969(6):1073-1095.

[9] R.Park,W.L.Gambe.钢筋混凝土板[M].上海:同济大学出版社,1992.

[10] Timoshenko,S.， Woinowsky-Krieger,S.(1959).Theory of ptates and shellsr and Ed.，MeGraw Hill,New York,364-377.

[11] 侃绍文.RC井式梁板结构的塑性极限分析法[J].重庆建筑大学学报,1999(10):86-90.

[12] Roberto M.双向密肋楼板建筑物的抗震性能——1985年墨西哥地震的经验教训[J].Concrete International,1988(7):33-41.

[13] 许贤敏，刘丽娜.双向密肋楼板建筑物的抗震性能[J].港工技术与管理，2004(6):38-44.

[14] Mario E.Rodriguez,Sergio Santiago， Roberto Meli.Seismic.Load tests on twostory waffle-flat-plate structure[J].Journal of Structural Engineering,1995(9):1287-1293.

[15] 吴 庆,李 俊,张道明.二次预应力外包钢组合梁叠合楼盖动力特性有限元分析[J].江苏科技大学(自然科学版),2014,28(1):8-14.

[16] 李其成,储晓路,沈小璞.大跨度密肋楼盖结构的抗震性能分析[J].安徽建筑大学学报,2015,23(4):1-6.

A summary of anti-knock research on ribbed beam floor★

Hua Junjie1Zhang Daoming2

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001,China;2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China)

This paper introduces the basic functions and types of ribbed beam floor, summarizes existing computing methods and overseas and domestic research status from both sides of static and dynamic force calculation. At the same time, this paper also puts forward some unsolved problems on the application of ribbed beam floor, lay the foundation for the study on seismic performance of the large-span prestessed ribbed concrete floor.

ribbed beam floor, structural seismic, plate-analogy method, beam-analogy method

1009-6825(2016)30-0051-02

2016-08-17

华俊杰(1991- )，男，在读硕士； 张道明(1965- )，男，博士后，副教授

TU311.3

A

★：住房和城乡建设部2013年科学技术项目(项目编号：2013-K2-41)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(项目编号：12541884)