无肋梁模盒夹心混凝土楼板的力学性能研究

王其明 万里源 吉星海 王颖楠 魏艳辉 张兰

摘 要：为了解决大跨度建筑物楼板结构自重较大、自身结构占用空间较高的行业难题，本文提出一种全新的钢筋混凝土楼盖体系——无肋梁模盒夹心钢筋混凝土楼板。该体系是由上层钢筋网混凝土面板，下层钢筋混凝土面板和轻质保温板模盒组成。利用ABAQUS软件对无肋梁模盒夹心混凝土楼板及同规格的实心楼板进行了弹性阶段的静力分析，分别对其挠度、截面正应力和最大剪应力进行对比研究。研究结果表明：在相同使用条件下，二者的力学性能相似，无肋梁模盒夹心混凝土楼板的上、下层面板可以共同工作，且刚度较大，具有整体板的特性;同时通过对比材料用量得出：夹心楼板具有显著的经济优势。

关键词：无肋梁;夹心楼板;弹性分析

中图分类号：TU398

文献标识码： A

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对生活空间的要求也越来越高，灵活的空间、大柱网、大净高等需求下，普通的混凝土楼板已很难满足要求;随着跨度的增大，楼板的自重和配筋会大幅提高，不仅很难满足结构的大净高，也大大增加了结构造价。因此，自1984年提出钢筋混凝土空腹网架结构以来，许多学者在此基础上又提出了许多的结构，如钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构，钢筋混凝土双重网格结构，外包U型钢空腹夹层板结构等[1-3]。它们与普通楼板相比具有显著优势，但仍存在一些问题。如薄壁管空心楼盖仅能在顺肋方向受力;井字加劲肋空腔大板中肋梁的存在，增加了楼盖的施工难度[4-5]。

针对现有的不足，我们提出了无肋梁模盒夹心钢筋混凝土楼板专利[6]（CN201520191804.4）。它在实现大跨度、大净高等使用要求的基础上，由于没有肋梁的存在，简化了钢筋用量及施工工艺;同时由于楼板中部混凝土被轻质模盒取代，大大降低楼盖自重，相应柱、墙、基础的用量也随之减小，进而降低了结构的综合造价。

无肋梁模盒夹心钢筋混凝土楼板是由内含钢

筋网的上、下层混凝土面板及轻质保温板模盒组成。模盒平面上为切去四角或中心挖空的正方形，浇筑混凝土时可形成混凝土剪力键，剪力键可起到连接上下面板并协调楼板受力的作用。本文运用ABAQUS[7-8]有限元分析软件，对夹心混凝土楼板进行模拟，对其性能进行研究，并与等厚度的实心楼板进行对比。

1 ABAQUS有限元分析

夹心板结构跨度为8 200 mm×8 200 mm，总厚度280 mm，如图1（a）所示。填充模盒材质为聚苯板，外表面包裹水泥砂浆钢丝网，尺寸为500 mm×500 mm×150 mm（长×宽×高），模盒边角处预留直径100 mm的四分之一圆孔，上、下层面板厚取65 mm，四周边梁截面尺寸为280 mm×100 mm×8 200 mm（高×宽×长）。上、下层混凝土面板分别居中布置双向钢筋，形成钢筋网，其布置参数为

10@140。

为便于比较分析，同时建立同尺寸的实心楼板，即跨度8 200 mm×8 200 mm，板厚280 mm，实际配筋同夹心板，如图1（b）所示。

（1）定义材料属性与截面尺寸。混凝土选用C30，弹性模量Ec=3.0×104  N/mm2，泊松比μc=02。钢筋选用HRB400，弹性模量Es=2×105  N/mm2，泊松比μs=0.3。

（2）钢筋与混凝土之间采用Embedded嵌入约束。

（3）施加边界条件及荷载。对边梁底面施加简支约束，荷载包括结构重力荷载（Gravity）与楼面荷载（Pressure），楼面荷载按恒载1.5 kN/m2、活载3.0 kN/m2考虑，荷载组合为1.2×恒载+1.4×活载，即面荷载取6.0 kN/m2。

（4）網格划分。单元最大尺寸100 mm。选取实体单元C3D8R作为混凝土部分的分析单元。选取桁架单元T3D2作为钢筋的分析单元。

2 楼板挠度

首先对两类楼板进行弹性阶段分析，其中结构挠度变化结果如图2所示。由挠度图可看出，两类楼板在荷载作用下的挠度分布规律大致相同，最大挠度均出现在楼板跨中处。其中，夹心楼板最大挠度值为4.17 mm，实心楼板最大挠度值为2.48 mm，二者均远小于规范规定的楼板挠度限值L/250（32.8 mm）。夹心楼板挠度大于实心楼板，这是由于楼板中部混凝土被轻质模盒代替，造成的夹心楼板刚度略微减小，从而导致了夹心板的挠度有所增加，但是仍然远远小于规范规定的楼板挠度限值。

2.1 楼板正应力

2.1.1 楼面正应力

由ABAQUS对两类楼板进行分析，取图1中1～8轴和A—H轴为分析研究的定位线，得出两类楼板在荷载作用下的应力曲线，如图3所示。

通过X方向（水平方向）应力曲线图可知，夹心楼板的应力分布规律与实心楼板大致相同。既楼板顶部以受压为主，且越靠近跨中，压应力越大;楼板底部在靠近支座处以受压为主、跨中处以受拉为主。

仔细对比，还可发现以下规律：

（1）楼板顶部：二者跨中均受拉且应力极值相近，但靠近支座处略有差别。夹心楼板在支座处呈受拉状态，且越靠近支座跨中处（H轴），拉应力越大。可见，支座对于夹心楼板的约束效应更为明显，这是由于夹心楼板上、下层面板厚度较小，中间混凝土又被刚度较小的轻质模盒代替，导致其楼板四周的刚度与支座的刚度差别较大，从而使夹心板的约束效应更为明显。

（2）楼板底部：与楼板顶部类似，二者跨中均受拉，且应力极值相近，在靠近支座处均受压，但夹心楼板压应力水平较高。可见在楼板底部，支座对夹心楼板的约束效应更明显。

2.1.2 剖面正应力

提取1-1剖面图上楼板顶部、底部的正应力，如图4所示。

可见夹心楼板的剖面正应力分布规律与实心楼板大致相同，即两类楼板的正应力由板边至跨中逐渐增大，且二者在跨中处的应力水平接近。但在靠近支座处，夹心楼板的应力明显大于实心楼板，可以看出支座对于楼板的约束效应，夹心楼板大于实心楼板。

2.2 剪切應力

因实心楼板剪应力水平较低，因此仅对夹心楼板的剪应力进行分析。

1）楼面剪应力

夹心楼板的XZ向剪应力分布如图5所示。

可以看出，板面处的剪应力值基本为零，而由于剪力键的存在，楼面在靠近剪力键位置呈局部受剪。可见剪力键起到了主要的受剪作用，因此再对剪力键的剪应力进行具体分析。

2）剪力键剪应力

对于夹心楼板，剪力键起着联系上下层面板的作用，它协调着夹心楼板的位移，使两层板形成一个共同工作的整体，因此其剪力也是值得研究的。为便于比较，分别以3 kN、6 kN为面荷载施加于ABAQUS有限元模型上，提取H￣H′轴处剪力键的XZ向剪力值，得出其分布见图6。

由图可见，随着荷载的增大，剪力键承受的XZ向剪应力增大，且呈线性分布，即跨中最小，支座处最大。3 kN、6 kN荷载下，剪应力最大值分别为2 N/mm2、3 N/mm2。

3 工程量

通过手算的方式，统计出两类楼板的混凝土用量，具体见表1。可以看出，在相同条件下，若实心楼板的混凝土用量以100%计，则夹心楼板的用量

只相当于其48%，因此夹心楼板可大幅降低楼盖自重具有明显的经济效益。计算公式如下：

δ=V夹V实。（1）

式中：δ为无肋梁夹心楼板混凝土用量百分比，V夹为无肋梁夹心楼板的混凝土用量，V实为实心楼板的混凝土用量。

4 结论

本文运用ABAQUS有限分析软件，对无肋梁模盒混凝土楼板进行了分析，并与同规格的实心楼板进行了比较，得出以下结论：

（1）在相同的使用条件下，夹心楼板挠度略大于实心楼板，但远小于规范规定的挠度限制。

（2）夹心楼板与实心楼板的正应力分布规律大致相同。但由于无肋梁夹心楼板轻质夹层的刚度较小，导致支座对无肋梁夹心楼板的约束效应显著大于实心楼板的约束效应。

（3）夹心楼板的剪力键起到承担楼板剪力的作用，且越靠近支座处，剪应力越大。

（4）夹心楼板的混凝土用量仅为实心楼板的48%，显著减小了材料用量，从而降低了结构的自重及造价。

综上所述，无肋梁模盒夹心混凝土楼板具有与实心楼板相近的力学性能，并完全可满足正常使用条件，且显著减低了结构的综合造价，在大跨度、大净高等使用需求下，可大力推广。

参考文献：

[1]胡岚. 外包U型钢板半装配式组合空腹夹层板楼盖理论与试验研究[D].长沙：湖南大学，2017.

[2]马克俭，张华刚.新型建筑空间网格结构理论与实践[M].北京： 人民交通出版社，2006：3-13.

[3]白祎明，马克俭，王惠.大跨度空腹夹层板空间结构施工期支撑体系时变性能研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2018，35（1）：87-91.

[4]曹文泽，黄勇.基于石膏空腔模的两类新型无梁楼盖静力分析研究[J].贵州科学，2016，34（1）：69-74.

[5]曹文泽，几类新型石膏模无梁楼盖结构的研究与开发[D].贵阳：贵州大学，2016.

[6]王其明，无肋梁模盒夹心钢筋混凝土楼板（专利），201520191804.4[P].2015-04-01.

[7]王玉镯，傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8]吴春萍，白东丽.现浇空心无梁楼盖受力性能的有限元分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2010，33（5）：726-730.

（责任编辑：周晓南）

Research on Mechanical Property of Sandwich Concrete

Floor with Ribless Formwork Box

WANG Qiming1*，WAN Liyuan2，JI Xinghai1，WANG Yingnan1，WEI Yanhui3，ZHANG Lan4

（1. China Aerospace Construction Group Co. LTD，Beijing 100071，China;2. Chongqing Jiaotong University，

Chongqing 400074，China;3. Space Structures Research Center（SSRC） of Guizhou University， Guiyang 550025，China;

4. Beijing Central Century Engineering Design Co. Ltd，Beijing 100038，China）

Abstract：

In order to solve the industrial problems of large￣span building slab structure with large self￣weight and high space occupied by its own structure， a new reinforced concrete floor system was presented——a type of ribless beam slab. The ribless beam slab is composed of an upper reinforced concrete face， a lower reinforced concrete face and a lightweight insulation box. In this paper， The static analysis of the ribless beam form box sandwich concrete slab and the solid floor slab of the same specification were analyzed by ABAQUS software， and the deflection， normal stress and maximum shear stress were compared. The research results show that under the same conditions， the mechanical properties of the two slab were similar. The upper reinforced concrete face and the lower reinforced concrete face can work together， and the stiffness is large， with the characteristics of the whole slab; By comparing the amount of materials， it is concluded that the sandwich slab has a great economic advantage.

Key words：

ribless beam; sandwich concrete slab; elastic analysis