有限元分析在无梁楼盖优化设计中的应用

2018-07-23梁治

世界家苑 2018年6期

关键词：优化

梁治

摘要：现代建筑工程当中，无梁楼盖结构的建筑越来越多，对其各方案的分析计算成为建筑安全的重要环节。文章运用有限元法，分析无粘结预应力结构的可行性，对于无梁楼盖的设计优化具有借鉴意义。

关键词：有限元分析法；无梁楼盖；优化

无梁楼盖建筑结构的施工过程中，是否需要柱帽或无粘结预应力，采用的多大规格的板厚等信息都需要进行精确计算，有限元法就是对其进行分析的有效方法。

一、有限元分析法

有限元法是一种以变分原理为基础的发展起来的高效计算方法。其将连续的求解域离散为一个或几个单元的组合体，通过每个单元里假设的近似函数来分片表示求解域上的未知场函数[1]。

二、有限元分析法的实际应用

将有限元法应用于工程建筑方面具有非常重要的现实意义，其不仅能计算建筑设计的可行性，更能在确保建筑安全的同时，实现建筑空间面积的最大化。下面以某工地商业楼盘为例，（如图1.）通过有限元法对其进行计算。

1.构建分析文件

1.1选取结构，确定荷载

本楼盘预应力楼盖共有三个标准层，其板厚分别为160，180，200mm，使用有限元法进行分析时，对楼盖和压在其下的剪力墙，程力柱只选取一层即可；然后进行求解域分离，分别选取其板壳单元、墙单元和三位框架柱单，在板上作用竖向荷载

楼板的设定：设定1㎡有4个单元，整个半边楼盖的单元加起来共800个，在单元面积中，柱上板带和跨中板带的面积分别是0.36㎡和0.64㎡。

1.2板壳单元说明

板壳单元的应力输出有膜单元和板单元组成，两者作用各不相同，板单元的作用在于通过输出弯曲应力使板上拱为证。而膜单元则通过输出拉压应力，把拱应力为正作为目的。

2.进行过程计算

2.1预应力计算

本楼盘的预应力形式为抛物线型的无粘结预应力设计，楼板保护层和板厚分别为30mm和200mm，结合国家相关施工规章要求，可以算出预应力损失了17%。各扣板所施加的预应力如下表1：

2.2竖向荷载作用计算

根据“荷载平行法”，预应力能够减小因竖直荷载造成的变形几内力。短期效应组合下。160mm，180mm和200mm的楼板最大弹性挠度分别为4.8，4.9，4.3mm。

2.3对水平地震作用计算

无梁楼盖的抗震预算很有必要。采用有限元计算法，通过sap84计算机模拟技术进行计算得出，当板厚为200mm时，考虑地震因素则弹性挠度为5.5mm，反之则为4.3mm。地震因素对其弯矩程度的影响只比平时高了8%，而这弯矩程度对于同樣等代框架的梁高和板厚而言微乎其微，可以忽略不计，因而，地震作用的的影响也同样可以忽略。

2.4减小预应力板厚计算

无粘结预应力结构各种建材用板厚度不同：混凝土单向板的厚度应该为跨度的1/40～1/45；而板柱体系双向板的厚度应该控制在柱网长边尺寸的1/40～1/45；带平托板的双向板厚度应为柱网长边尺寸的1/45～1/50。

2.5对非预应力常规无梁楼盖计算

对原设计厚度楼板不施加预应力，计算可得：非预应力板应力大于预应力板，并随着其弹性挠度变大。据此提示，实际应用中施以预应力后，可影响楼板的应力、挠度，通常是其相关数值显著减少。但如果基于普通无梁楼板设计，实际应用时需适当加大楼板厚度，通常双向平板以1/30-1/35的跨度最佳。

2.6对柱帽的计算

当柱帽的尺寸不同时，无梁平板的弹性挠度和应力情况也不相同。在计算中，当受到竖向荷载的板厚度为200mm时，将柱帽尺寸由3600*3600*400变为2400*2400*400时（单位：mm），其最大弹性挠度由原来的5.3mm变为6.5mm，柱帽尺寸越小，其弹性挠度越大；在此过程中，其应力情况也不断改善；可见，无梁平板的柱帽能有效改善其挠度和应力。

2.7对活载棋盘式布置的计算

设定板厚为200mm，棋盘式布置的挠度为6.9mm，而活载满布的最大挠度为7.6mm，其最大挠度明显大于棋盘式布置。同时，活载满布的应力也大于棋盘式布置的对应应力；可见，活载棋盘式布置的不利程度明显低于活载满布式布置。

2.8次应力因素及反拱问题

无粘结预应力平板结构中，其预应力筋的矢量和次应力都很小，不是工程考虑的重点；同时，由于在工程中我们选取的荷载方式为恒载，改变拉张预应力并不会对反拱造成影响，故而也不考虑。

三、有限元分析在无梁楼盖优化设计中的应用建议

1.无梁楼盖有限元法计算结果

通过有限元法计算得知：其一，在预应力作用下，楼板处于弹性工作状态，刚度越大，则弹性挠度越小；其二，活载作用下，楼板的荷载主要为压应力，其拉应力有建筑其他设计结构承担；其三，板薄膜应力来源于水平预应力，它能够依靠板边的作用下进一步提高板的抗弯强度[2]。

2.建筑过程中无粘结预应力无梁楼盖注意要点

实际应用中，普通梁柱体系梁的高度明显比无梁楼板的厚度大，所以，板的抗弯刚度比较小；而由此造成的问题就是其对房柱的约束力下降，使得楼盖效果的抗侧能力明显变弱。因此，在无梁楼盖设计过程中，应注重版柱体系中对柱和剪力墙抗震等级的的考虑，使得其相应能力进一步加强。

结束语

无梁楼盖在满足人们增加房屋净空的要求上，通过其良好的性能简化了施工；降低了成本；具有良好的经济意义和实用性。工程人员要做的就是在设计过程中，系统运用有限元法对其单元计算，保证其施工安全，确保其整体的系统性和科学性。

参考文献