预制带肋底板混凝土叠合空心楼板的试验与数值模拟研究

摘要

结合预制带肋底板混凝土叠合楼板体系与现浇空心楼板的优点，提出在预制带肋底板上有规律的填入筒芯内模后叠合形成一种新型叠合空心楼板。为了能将这种新型楼板应用到工程实际中，需要对其进行系统的试验研究和理论分析。本文对这种叠合空心板在布置筒芯内模后的叠合面抗剪性能、预应力方向简支板带受力性能、拼缝方向简支板带受力特点以及四边简支混凝土叠合空心双向板的双向受力效应进行了系统的试验研究与有限元分析，提出了相应的弹性计算理论和塑性计算方法。
　　(1)进行了20块叠合实心试件和叠合空心试件的推开试验(push-off test)和有限元分析，验证了预制带肋底板肋上孔洞在叠合后提供的“连锁咬合效应”的有效性。试验表明，布置筒芯内模没有对叠合面的抗剪性能产生明显影响，在叠合面抗剪强度较高时，孔间肋的抗剪强度会成为试件破坏的主控因素。结合试验结果，确定了适合于进行叠合楼板叠合面界面行为模拟的有限元接触力学参数，分析得出了叠合楼板叠合面抗剪力各组成部分所占比例，为预制带肋底板混凝土叠合空心楼板的有限元数值分析提供了可靠的理论依据。
　　(2)进行了10块不同预制底板类型和截面尺寸的叠合空心板预应力方向简支板带的抗弯、抗剪试验及有限元分析。结果表明:叠合空心板与现浇空心板表现出相同的受力特点和变形特征，按筒芯最薄弱翼缘处的Ⅰ形截面计算的叠合板抗弯性能指标和抗剪性能指标均与实测值吻合较好;在所研究的板厚范围内，筒芯直径大小及布置方式的变化并未造成叠合面出现开裂滑移现象，但不同程度地削弱了试件的受拉刚化作用，建议叠合空心板开裂后的短期刚度取控制截面的开裂刚度。通过叠合面受力分析，将横孔板孔间肋宽度和上下翼缘厚度的计算限值与楼板实际构造尺寸进行对比发现，实际工程中叠合面的抗剪强度可满足安全使用要求。
　　(3)结合预制带肋底板混凝土叠合楼板在拼缝方向的板带试验，对试验板带的裂缝开展形态、极限承载力、短期刚度进行了较为详细的试验与理论分析。分析结果表明拼缝处的受力钢筋应力超前现象是造成板带力学性能与破坏形态改变的主要原因。以此为依据，结合试验结果，基于拼缝处钢筋应力分析、等效拉力法及有限元参数分析得出了适合于拼缝方向简支板带的裂缝开展、极限承载力以及短期刚度计算公式。公式计算结果与试验结果均表明，拼缝处设置拼缝抗裂钢筋有利于裂缝宽度控制和充分发挥拼缝方向板带的承载力，但对试件开裂后刚度的影响有限。
　　(4)完成了一块跨度为4m×4m的四边简支叠合空心楼板的静力试验和有限元分析。试验表明，叠合空心板与现浇楼板表现出相似的变形特征与破坏形态，叠合面未观察到开裂现象，板底形成了沿对角线开展的塑形铰线，通过荷载-变形关系观察到的刚度异性特征不明显。通过分析对称位置处正交方向钢筋、混凝土的应变发展规律表明，拼缝方向受力钢筋在加载的中前期存在应力超前现象，加载后期与预应力钢筋趋于一致;拼缝方向的混凝土应变存在应变超前现象，在1/4加载区域附近明显大于预应力方向混凝土应变，说明拼缝方向楼板的裂缝先于预应力方向开展，应注意该方向的裂缝宽度控制。结合有限元分析表明，叠合空心楼板仍属于正交各向异性板，应按正交各向异性板理论对楼板进行计算和设计。
　　(5)以正交异性弹性薄板理论为基础，推导了叠合空心板的微分方程。提出了考虑叠合空心板构造特点的截面弯曲刚度和扭曲刚度计算公式，根据公式计算的挠度和弯矩与试验结果吻合较好;根据极限平衡理论，提出采用以开裂刚度比确定主轴方向内力矩比的方法进行叠合楼板承载力计算，有利于工程设计人员掌握这种多重正交各向异性效应叠加作用的新型楼板的真实内力与承载力状态，提高了设计的可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 叠合空心板的基本概念、特征及其分类

1．2．1 叠合空心板的基本概念及特征

1．2．2 叠合空心板的分类

1．3 叠合空心楼板的研究现状

1．3．1 国内的研究现状

1．3．2 国外的研究现状

1．4 论文的研究目的及主要研究内容

1．4．1 论文的研究目的

1．4．2 论文的研究内容

第2章 预制带肋底板混凝土叠合试件叠合面抗剪性能的试验研究

2．1 概述

2．2 叠合面抗剪的研究基础

2．2．1 叠合面抗剪强度计算模型研究

2．2．2 各国规范的叠合面抗剪设计方法

2．3 预制带肋底板混凝土叠合试件叠合面的连锁咬合效应

2．4 试验研究

2．4．1 试验概况

2．4．2 试件设计与制作

2．4．3 试验装置和试验方法

2．5 试验结果与分析

2．5．1 试验现象描述

2．5．2 水平荷载-叠合面滑移曲线

2．5．3 叠合试件的抗剪承载力分析

2．6 本章小结

第3章 预制带肋底板混凝土叠合试件叠合面抗剪性能的数值模拟

3．1 概述

3．2 叠合界面有限元仿真分析的方法研究

3．3 动力学显式有限元方法介绍

3．4 有限元模型建立

3．4．1 几何模型

3．4．2 材料模型

3．4．3 接触定义

3．4．4 单元类型及网格划分

3．4．5 边界条件、荷载施加及求解控制

3．4．6 有限元模型验证

3．4．7 试验抗剪承载力的有限元分析

3．5 试验参数分析

3．5．1 筒芯内模的影响分析

3．5．2 剪力键的影响分析

3．6 本章小结

第4章 叠合空心楼板预应力方向简支板带弯剪性能的试验研究与数值模拟

4．1 概述

4．2 试验概况

4．2．1 试件设计

4．2．2 试件制作

4．2．3 材料性能

4．2．4 试验装置与加载方案

4．3 抗弯试验结果与分析

4．3．1 抗弯试验裂缝特征与破坏形态

4．3．2 抗弯试验简支板带的受力变形特征

4．3．3 简支板带的受弯承载力分析

4．3．4 简支板带的短期刚度分析

4．3．5 抗弯试验简支板带的裂缝分布分析

4．3．6 抗弯试验的有限元模拟分析

4．4 抗剪试验结果与分析

4．4．1 抗剪试验的裂缝特征与破坏形态

4．4．2 抗剪试验的荷载-挠度曲线

4．4．3 抗剪极限承载力

4．4．4 钢筋网片的抗剪作用

4．4．5 孔间肋宽与纵肋宽度对抗剪性能的影响

4．4．6 抗剪设计方法探讨

4．5 本章小结

第5章 叠合空心楼板拼缝方向简支板带力学性能研究与数值模拟

5．1 概述

5．2 拼缝板带的研究基础

5．3 拼缝板带的力学性能试验研究

5．3．1 试验概况

5．3．2 试验现象

5．3．3 叠合楼板拼缝方向简支板带的裂缝计算

5．3．4 叠合楼板拼缝方向简支板带抗弯承载力的计算方法

5．3．5 叠合楼板拼缝方向简支板带短期刚度分析

5．4 拼缝方向简支板带的有限元分析

5．4．1 有限元模型建立

5．4．2 有限元模型结果分析

5．5 本章小结

第6章 四边简支预制带肋底板混凝土叠合空心板的静力性能试验研究

6．1 研究概况

6．2 试验目的及内容

6．3 试件的设计与制作

6．3．1 预制构件设计

6．3．2 预制构件制作

6．3．3 试验楼盖设计

6．3．4 试验楼盖制作

6．4 材料力学性能试验

6．5 试验加载装置与加载方案

6．5．1 试验加载装置

6．5．2 加载方案

6．5．3 测点布置

6．6 试验现象

6．6．1 第一次加载试验现象

6．6．2 第二次加载试验现象

6．7 主要试验结果

6．7．1 荷载-竖向位移关系

6．7．2 钢筋应变

6．7．3 混凝土应变

6．8 有限元分析

6．8．1 有限元模型

6．8．2 有限元模拟结果分析

6．9 本章小结

第7章 四边简支叠合空心楼板的弹性计算理论与塑性计算方法

7．1 概述

7．2 叠合空心楼板的弹性计算理论

7．2．1 叠合空心楼板的微分方程

7．2．2 预制带肋底板混凝土叠合空心楼板的截面刚度

7．2．3 四边简支叠合空心楼板的解析解

7．2．4 试验结果与弹性薄板理论对比分析

7．3 叠合空心楼板的塑性计算方法

7．3．1 叠合楼板的极限平衡理论

7．3．2 四边简支双向叠合空心楼板的承载力分析

7．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文)