基于石膏空腔模的暗柱帽—悬挑肋楼盖静力特性研究

胡　松

(铜仁学院　物理与电子工程学院，贵州　铜仁　554300)



基于石膏空腔模的暗柱帽
—悬挑肋楼盖静力特性研究

胡松

(铜仁学院物理与电子工程学院，贵州铜仁554300)

为丰富石膏空腔模无梁楼盖网格结构，提出暗柱帽—悬挑肋楼盖。用ANSYS对暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖做相同竖向荷载作用下的静力研究，研究表明：单肋、双肋及三肋结构的挠度、水平方向拉应力峰值(上层板的底部除外)依次降低，且双肋及三肋结构的拉应力峰值仅为单肋结构的30 %～50 %；暗柱帽—悬挑三肋楼盖水平方向正应力随测点的变化曲线最为紧凑，其力学性能最好，适用于荷载和跨度较大的多高层建筑结构。

石膏空腔模，暗柱帽，悬挑肋，静力特性

0　引言

石膏空腔模无梁楼盖[1-2]是以预制石膏空腔模为永久性施工内模的整体现浇空心楼盖，该楼盖体系自身混凝土用量少于实体板，结构高度小，无需满堂模施工，社会经济效益良好。针对石膏空腔模无梁楼盖网格结构单一、楼盖自重较大等问题，已提出密肋式楼盖、空腹板架式楼盖、井字—空腹板架组合式楼盖、井式楼盖、9区格式楼盖共五类网格结构[3-4]。研究表明[5-6]：密肋式、空腹板架式、井字—空腹板架组合式楼盖适合于跨度、荷载不大的常规建筑；9区格式楼盖更适合大跨度、大荷载的多高层建筑。

暗柱帽—悬挑肋楼盖主要由混凝土板、暗柱帽及肋梁组成，肋梁由暗柱帽处悬挑且沿楼盖对角线布置；肋梁将上、下层混凝土板及柱帽连成整体成为楼盖的承重骨架，而楼盖空腔部位则由石膏空腔模紧密填充。

1　结构模型

图1为暗柱帽—悬挑三肋楼盖，仅保留暗柱帽—悬挑三肋结构的中间肋，称为暗柱帽—悬挑单肋楼盖；去掉暗柱帽—悬挑三肋结构的中间肋，则称为暗柱帽—悬挑双肋楼盖。

图1　暗柱帽—悬挑三肋楼盖Fig.1　Hidden-column-cap and cantilever-three-ribs floor

用ANSYS对图1所示暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖做相同竖向荷载作用下的静力分析。三种结构均为柱间距9.0 m的单跨楼盖，柱子平面尺为600 mm×600 mm；楼盖总厚度为400 mm，上、下层混凝土板厚度为100 mm、50 mm。混凝土构件用SOLID65单元模拟，单元网格尺寸为100 mm×100 mm×100 mm；混凝土采用C30，弹性模量为3.0×107kN / m2，泊松比为0.2，密度为2 500 kg / m3。楼盖的恒荷载为1.5 kN / m2，活荷载为3.5 kN / m2，石膏空腔模附加荷载为1.0 kN / m2，荷载组合采用1.2×恒荷载+1.4×活荷载，结构自重由软件自动生成。图1中1～8和A～H的交点为下文ANSYS分析结果测点。

2　静力线弹性理论分析

2.1挠度分布

由ANSYS计算得暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖的挠度峰值分别为12.5 mm、8.8 mm、7.9 mm，挠度值均小于《混凝土结构设计规范》[7]和《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》[8]规定的抗弯构件挠度限值1 / 250，即33 mm，说明楼盖具有足够竖向刚度。

暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖的挠度云图见图2。由图2知，三种楼盖均存在多处挠度峰值，

(a)悬挑单肋

(b)悬挑双肋

(c)悬挑三肋图2　挠度云图Fig.2　Deflection contour

说明在竖向荷载作用下楼板没有实体板变形那般均匀、平滑。

2.2应力分布

暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖水平方向的正应力变化曲线见图3-5，水平方向正应力及厚度方向切应力峰值见表1-4。

(a)上层板的面部

(b)上层板的底部

(c)下层板的面部

(d)下层板的底部图3　暗柱帽-悬挑单肋楼盖水平方向正应力Fig.3　Normal stress of hidden-column-cap and cantilever-single-rib floor in horizontal direction

(a)上层板的面部

(b)上层板的底部

(c)下层板的面部

(d)下层板的底部图4　暗柱帽—悬挑双肋楼盖水平方向正应力Fig.4　Normal stress of hidden-column-cap and cantilever-double-ribs floor in horizontal direction

由图3及表1知，暗柱帽—悬挑单肋楼盖水平方向正应力分布特点：1)上层板面部在柱帽及悬挑肋根部承受拉应力，拉应力峰值14.3 kN / m2，其余区域承受压应力，压应力由柱端向中间增大；上层板底部应力分布与面部大致相反，中间区域存在较大拉应力，拉应力峰值6.27 kN / m2。2)下层板面部既有拉应力也有压应力，拉应力峰值14.9 kN / m2；下层板的底部除柱帽外，其余区域承受拉应力，拉应力峰值为5.34 kN / m2。

(a)上层板的面部

(b)上层板的底部

(c)下层板的面部

(d)下层板的底部图5　暗柱帽—悬挑三肋楼盖水平方向正应力Fig.5　Normal stress of hidden-column-cap and cantilever-three-ribs floor in horizontal direction

由图4、5及表2、3知，虽然暗柱帽—悬挑双肋及三肋楼盖水平方向正应力分布与暗柱帽—悬挑单肋楼盖类似，但是产生如下显著变化：第一，双肋和三肋结构的拉应力峰值较接近，拉应力峰值降低至2.92 kN / m2～ 6.16 kN / m2；第二，双肋及三肋结构的正应力随测点的变化曲线较单肋结构平缓，应力值离散度降低。

表1　暗柱帽—悬挑单肋楼盖水平方向正应力峰值 / (kN / m2)Tab.1　Max normal stress of hidden-column-cap and cantilever-single-rib floor in horizontal direction / (kN / m2)

表2　暗柱帽—悬挑双肋楼盖水平方向正应力峰值 / (kN / m2)Tab.2　Max normal stress of hidden-column-cap and cantilever-double-ribs in horizontal direction / (kN / m2)

表3　暗柱帽—悬挑三肋楼盖水平方向正应力峰值 / (kN / m2)Tab.3　Max normal stress of hidden-column-cap and cantilever-three-ribs floor in horizontal direction / (kN / m2)

表4　暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖 厚度方向切应力峰值 / (kN / m2)Tab.4　Max shear stress along the thickness of hidden- column-cap and cantilever-three-rib(s)floor / (kN / m2)

由表4知，暗柱帽—悬挑双肋及三肋楼盖厚度方向的切应力峰值较悬挑单肋楼盖要低。

3　结果分析

体积空心率是指空心楼盖中空腔部分(或内置模)体积所占楼盖总体积的比例。上述三种楼盖的体积空心率数值比较接近，均在53 %～57 %之间，故结构自重和混凝土用量基本相同。

相同竖向荷载作用下，单肋、双肋及三肋结构的挠度峰值依次减小，三肋结构是单肋结构的63 %；除下层板的底部，单肋、双肋及三肋结构其余区域的拉应力峰值依次降低，双肋及三肋结构的拉应力峰值很接近，其值仅为单肋结构的30 %～50 %；由水平方向正应力随测点变化曲线知，单肋、双肋及三肋结构的正应力值离散程度依次降低，正应力变化曲线逐渐紧凑，更利于材料强度充分发挥。显然，肋梁根数影响该类楼盖的力学性能，单肋结构的力学性能最差，三肋结构的力学性能最好，用于荷载和跨度较大的多高层建筑较好。

虽然三种结构的压应力均未超过C30混凝土的抗压强度设计值，但是其拉应力峰值超过混凝土的抗拉强度设计值。混凝土抗拉强度很低，在楼盖出现较大拉应力的地方必须配置受力钢筋。三种结构上层板的面部在4-4～8-8～4-4所围区域主要承受压应力，但是还存在局部拉应力，导致上层板面部也需要配置贯通的受拉钢筋，即上层板需要配置双层钢筋，这将增大施工难度。

传统的板(实体板)柱结构正应力随测点的变化曲线紧凑，拉压应力分界线明确，板的面部仅需配置负钢筋，底部配置贯通的受拉钢筋，配筋设计简单。虽然暗柱帽—悬挑三肋楼盖在材料强度发挥及配筋设计方面比其他两种结构要好，但是三种结构都不如板(实体板)柱结构。

4　结论

1)暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖具有足够竖向刚度，其挠度峰值依次减小，且三种结构均存在多处挠度峰值，没有实体板变形那般均匀、平滑。

2)除下层板的底部外，暗柱帽悬挑单肋、双肋及三肋楼盖在其他区域的水平方向拉应力峰值依次降低，双肋及三肋结构的拉应力峰值很接近，二者拉应力峰值仅为单肋结构的30 %～50 %。

3)暗柱帽悬挑单肋、双肋及三肋楼盖的水平方向正应力离散程度依次降低，正应力随测点变化曲线越加紧凑。

4)暗柱帽—悬挑双肋及三肋楼盖沿厚度方向的切应力峰值较单肋楼盖要低。

5)暗柱帽—悬挑单肋、双肋及三肋楼盖的挠度和应力分布不呈实体板特征，在材料强度发挥和配筋设计方面不如板(实体板)柱结构。

6)暗柱帽—悬挑单肋楼盖力学性能最差，暗柱帽-悬挑三肋楼盖力学性能最好。暗柱帽-悬挑三肋楼盖由于其峰值拉应力小、竖向刚度好，适合于荷载和跨度较大的多高层建筑。

【REFERENCES】

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Static characteristic of hidden-column-cap and cantilever-rib floor based on gypsum embedded filler

HU Song

(CollegeofPhysicsandElectronicEngineering，TongrenUniversity，Tongren554300，China)

In order to increase the structure schemes for gypsum embedded filler cast-in-place concrete hollow floor，hidden-column -cap and cantilever-rib floor has been designed.The static analysis under the same vertical load by ANSYS about the above floor，which includes single rib structure，double and three ribs structure，has been studied in detail.It shows the flowing results.Firstly，the deflection and maximum tensile stress of single rib structure，double and three ribs structure in horizontal direction(except at the bottom of the lower plate)decrease in turn，and the peak tensile stress of double and three ribs structure is only 30 %～50 % of single rib structure.Secondly，the change curve of normal stress of three ribs is the most close in the above floors，and its mechanical property is the most suitable for multilayer and tall buildings which spans are large and whose loads are big.

gypsum embedded filler，hidden-column-cap，cantilever rib，static characteristic

TU398.9；TU318.1

A

1003-6563(2016)04-0047-05

2016-03-16；

胡松(1988-)，男，贵州铜仁人，硕士研究生，助教，研究方向：建筑材料工程，结构工程。