空心楼盖结构分析方法及板柱节点冲切问题研究

摘要

空心楼盖结构是在传统无梁楼盖的基础上将空腔模盒植入楼盖内部形成的具有顶板、底板及内部空腔的新型楼盖体系；因其具有预制装配率高、节约建材、自重小的优点，在节能减耗及受力方面有突出优势，得到了国家重点推广和广泛应用，研究者对模盒的开发也投入了极大热情；但对空心楼盖受力性能及设计计算方法的研究则相对较少，现有技术规程基本沿用了传统无梁楼盖体系的分析、设计方法；另一方面，对板柱节点冲切承载力及变形行为的分析、研究还不成熟，制约了包括空心楼盖在内的无梁楼盖体系的应用。本文针对盒状腔体空心楼盖及板柱节点冲切破坏行为进行了一些探讨和研究，主要内容如下：
　　首先进行了3根有机玻璃单箱室箱梁及1块有机玻璃多箱室肋板试验，完成了数值模型精度校核。
　　针对直接设计法，以典型的四角柱支撑盒状腔体空心楼盖为分析对象，用ABAQUS软件完成了224个算例分析。考察了具有相同参数的空心楼盖和对照实心楼盖的截面弯矩分布的异同，进而分析了空心率、板格边比、柱跨比、梁板相对抗弯刚度比和边梁抗扭刚度比等5个因素对空心楼盖弯矩分布的影响，得到了内板格和端板格各弯矩控制截面的一次弯矩分配系数以及各控制截面内柱上板带板、跨中板带和柱上板带梁的二次弯矩分配系数，并与规程建议的直接设计法系数做了对比。分析结果表明：当板格边比不大于1以及柱跨比不大于0.2时，柱（或柱帽）的尺寸效应对截面弯矩一次分配的影响可以忽略；规程中直接设计法的分配系数与空心楼盖部分截面存在较大差距，需对柱上板带负弯矩、柱上板带正弯矩、柱上板带梁的弯矩分配做相应调整。根据分析结果，提出了空心楼盖直接设计法一次弯矩分配系数表和二次弯矩分配系数表。
　　针对拟板法，首先分析了剪切变形对空心楼盖箱型构件挠度的影响；依据弹性薄板理论，对比了不同边界条件下多种拟板方法的思路和计算精度；提出了等效实心平板剪切模量的取用方法和实用的考虑剪切变形挠度的修正手段，最后与构造各向同性和构造各向异性空心楼盖数值计算结果及有机玻璃试验结果进行了对比验证。分析结果表明：现有基于抗弯刚度相等的拟板方法不能正确反映空心楼盖的剪切变形大小；基于“剪切刚度相等”提出的剪切模量取用方法和挠度修正方法能同时适用于构造各向同性和构造各向异性空心楼盖，计算效果均优于其它拟板法。
　　针对拟梁法，首先分析了扭转刚度对交叉梁内力分布的影响；依据多箱室扭转理论，提出了等效拟梁扭转刚度的计算方法，并建议了实用的空心楼盖拟梁建模手段，最后分别与刚性支撑、柔性支撑及柱支撑情况下空心楼盖数值计算结果进行了对比验证。分析结果表明：扭转刚度对空心楼盖拟梁法的结果影响显著；现有规程基于抗弯刚度相等的拟梁方法不能正确反映拟梁的扭转刚度。基于多箱室扭转理论提出的扭转刚度计算方法和拟梁建模手段能适用于多种不同情况的空心楼盖，计算效果优于规程拟梁法。
　　针对板柱节点冲切破坏问题，在试验现象基础上，建立了较为完善的可同时分析承载力和变形的弯剪临界裂缝方法，包括弯剪裂缝发展机理、剪压区层模型及临界破坏面的确定等，提出的方法还考虑到了尺寸效应和销栓作用对冲切承载力和变形的影响。采用45个试验数据验证了理论方法的正确性，通过塑性铰线理论推导了非圆柱圆板构件等效转换手段，采用98个试验数据验证了理论方法对非标准构件的适用性；通过大量模型计算和参数分析，研究了对冲切承载力和变形的影响因素，提出了同时考虑了混凝土强度、钢筋屈服强度、配筋率、板柱尺寸等因素的冲切承载力和冲切转角简化计算公式，最后采用432个试验数据充分验证了建议简化公式的合理性。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 空心楼盖结构分析方法研究现状

1.3 板柱节点冲切研究现状

1.4 存在的问题

1.5 本论文的研究目的和研究内容

2 薄壁结构试验及数值模型校核

2.1 材性试验

2.2 单箱室箱梁试验

2.3 多箱室单向肋板试验

2.4 数值模型校核

2.5 本章小结

3 空心楼盖直接设计法研究

3.1 楼盖参数、计算模型及Python脚本

3.2 空心板与实心板弯矩分布规律对比

3.3 柱帽尺寸对弯矩分布的影响

3.4 空心率对二次弯矩分配系数的影响

3.5 端板格弯矩分配

3.6 空心楼盖一次及二次弯矩分配系数的建议

3.7 本章小结

4 空心楼盖拟板法研究

4.1 弹性薄板的相关理论

4.2 剪切变形对箱型截面构件的影响

4.3 不同拟板法内力及变形对比分析

4.4 考虑剪切变形影响对空心楼盖挠度的修正

4.5 算例验证

4.6 本章小结

5 空心楼盖拟梁法研究

5.1 空心楼盖扭转特性分析及假定

5.2 弹性梁单元及薄壁杆件自由扭转的相关理论

5.3 抗扭刚度对拟梁法的影响

5.4 基于多箱室扭转理论的扭转刚度修正

5.5 拟梁法建模

5.6 算例验证

5.7 本章小结

6 板柱节点冲切承载力及变形——分析方法

6.1 现有规范冲切承载力计算对比分析

6.2 板柱冲切试验现象分析

6.3 基于弯剪临界裂缝方法的冲切问题分析

6.4 板柱节点荷载-转角全过程分析

6.5 本章小结

7 板柱节点冲切承载力及变形——验证及简化

7.1 标准试件模型试验验证

7.2 非标准试件模型试验验证

7.3 影响冲切承载力及变形的因素分析

7.4 冲切承载力及变形简化计算

7.5 本章小结

8 结论及展望

8.1 关于空心楼盖结构分析方法的主要研究结论

8.2 关于板柱节点冲切问题的主要研究结论

8.3 本论文主要创新点

8.4 后续研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 基于Python的空心楼盖自动建模及分析程序

B. 竖向荷载下板柱内节点冲切试验数据库

C. 标准试件试验数据库

D. 非标准试件试验数据库

E. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

F. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目