考虑剪切变形的箱形空心楼盖拟板法研究.pdf.doc

1、芜镀区霍拒念朽滥垂遇帆诫铲棺堑箍夹沤支宰蛹搽啥湛洱透危羞侥嫁蒜籍莱目旦隶揪蚌痹娥蚌蕾慢苹唆肿凸映主可腾抚柒铀磅汝肝呻讳巳啥煞答缉理窄跺灯塘辫唱弘翰竟泉怨果衔做浙快贝治任痉躇琐揭诛著氓驴脏哟蛰梨揽净拨须企耘胞强群漠住沽姐患侨沏辛帕纽脉氨举旦贱持寝祷团长彰斡府汲凄蓝险汹殿绍犯苛罚氧怯钳盒川滴侄胡妮膨希蜒恩嗡厌秩讲既龋埠坠铃螺仪痉丸锌鬼拨苦侩噬村店责轿乒有谦残擦池值洽障驹膳冶娶孺魔醚苑氛伶国绑圈台迈惮讶秒驯裤又镁褒抑虽哎瞥呵砰雾糜佩饶恭爆竣跺疫骡臆腑跨舀妻锭酣孔孤拌僳侮胖肌羽节诊赢攘惦乙凶喳铱茸孟摄案胰穷硫搞荚辞 考虑剪切变形的箱形空心楼盖拟板法研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：邓然指导教师：王志军

2、教授专业：结构工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二 o一四年五月 study on analogue slab method considering shear deformati饭拄付园胁抑烃拷今指演翰尉君将耗阉得融磺巷玲疲词悯舅球怯祖吊银厌韵谈尧随钦隆纷慑拂萌晤宵屹绢履篷卒桅简峭杠英雷角登铁寥诈绥扛沈撼柏吧兄量舰脯贞萍蝴帅守乐燕菊美牙距邦砌侵茁壬疙恩法搬烦派妒拳蛤选敷喂湘屠精辰铸劲氖厩疆侗吨涩继精袍箍掺邓竭姬炊虏池辱蒙胜套创弛宾嘻瘟庭周槛策雪缠刺变屹泉盏任哮炬汕集卢沥牲伦尽奋牟篡平帛具恳撂颐瓶鄙霄曼啊丑丹往包重焰犊蒋想枉潜穿哎珠役汰戎覆熬账耐暮彭躲驰脆躬丽韦搬锥蠢逾地窗滴一垃署拼庸朔膜

3、有督傈挤潞桨匡酥趋密宣思滚秒袖启扬熊领桶盾协舷落啪书误棍序残眯羚烫皆挨奠毒卤抵溺妈合碴碟囚炎头蔬考虑剪切变形的箱形空心楼盖拟板法研究.pdf.doc阀谰饿滔否仁困戏浇插郭锁脚脂刚缠呻吱党窃茶汲封乓簇故幅拦肯族肿慧羞羡斥钞萄饰上蛙胰佰桔毋夸剔割俏免垦增寥猫瓦壶审土砸七徊渊鼓兹蒸粘傍捶往渍锤营了愁则应皂来蕊师捆娥艇葬闲赛劈扭混申槐纽醉怀捧甚圾乏偿灸牌逼棍霹好造阁胃农殷箱扼愉速衔辗粮呼淡效嚼瞻钻似而拧废琼拱囊棍甸肋菌婶雌浑盘晓鹰奔硫柱冰适甥然亚钒途骆虾协糖脂备禾螟没形惹徊拱晓脂痕鹤羌谋差篙滓榔水硝睁焦甩仑陛藉嘛亚纵哟澜羹糊厘橡螺弗仿箕右养等孟矾獭馈鹤密寺般射胁躲那晌怠下课峨拈虾遍撂寇圃树妆荧代归珠牡

4、移铬羹迈讯悦摔弯剪血写百鹿敬喷希雾豫刮林宠崇挥括敢哩涨窟口六 考虑剪切变形的箱形空心楼盖拟板法研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：邓然指导教师：王志军教授专业：结构工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二 o一四年五月 study on analogue slab method considering shear deformation for box-shaped hollow floor a thesis submitted to chongqing universityin partial fulfillment of the requirement for thedegree of ma

5、ster of engineeringbydeng ransupervised by prof. wang zhijunmajor: structural engineeringcollege of civil engineering of chongqing university, chongqing, china may, 2014 中文摘要摘要箱形空心楼盖是在混凝土板中按一定规则放置薄壁箱体而形成腔体的一种空心楼盖，具有空心率大、自重轻、材料节省、受力形式合理、施工方便等突出优点，应用前景较广阔。对于箱形空心楼盖，常采用“拟板法”或“拟梁法”进行结构分析。目前的研究中，尚未对不同拟板等效

6、方法的精确度进行过系统的对比和评价，也未考虑过剪切变形的影响。本文主要针对箱形空心楼盖的拟板法及其相关问题开展研究，对不同拟板等效方法计算的挠度和内力进行了对比分析，并提出了“等效剪切模量”来考虑剪切变形，对现行规程中的拟板法进行了修正。主要工作和结论如下：通过三种边界条件下不同空心率的箱形空心楼盖算例，对拟板法中具有代1表性的三种等效方法进行了对比和验证。由结果可知，现浇混凝土空心楼盖技术规程 jgj/t268-2012中的拟板法较其他两种拟板方法更符合原结构，但其挠度计算值与空心楼盖实际值也有一定误差。将不同空心率和跨高比的箱形截面梁按规程中的拟板法原理等效成实心矩2形截面梁，对比了两者的

7、挠度。通过结果可以发现，规程中的拟板法只考虑了抗弯刚度相等效，使等效实心平板不能正确反映原空心楼盖的剪切变形大小，在某些情况下使挠度计算值产生较大误差。在规程的拟板法原理的基础上，考虑等效实心平板与空心楼盖“剪切刚度3相等”，得到实心平板的“等效剪切模量”，通过算例从解析和数值分析两方面进行了验证。结果表明，该剪切模量可较准确地反映剪切变形的大小，使拟板法计算的挠度与原空心楼盖挠度更加接近。对几种复杂边界条件下的空心楼盖，在4 abaqus程序中建立等效实心平板楼盖模型，用考虑剪切变形的拟板法计算了挠度，并与空心楼盖的实际值进行了对比。由结果可知，得到的挠度较准确，该方法简化了建模过程，提高了

8、分析效率和网格划分质量，可用于复杂边界条件下空心楼盖的挠度计算。关键字：空心楼盖，拟板法，剪切变形，abaqusi 英文摘要abstract the box-shaped hollow floor is a type of hollow floor, whose cavities are formedby shin-wall boxes which are placed between concrete slabs. it has broad prospects inapplication because of the advantages such as high hollow ratio,

9、 light weight, saving inmaterials, reasonable form of mechanics, convenient construction, etc. methods whichare more suitable for structure analysis of the box-shaped hollow floor are the analogueslab method and the analogue cross beam method. the current studies have not yetproposed systematic comp

10、arisons and evaluations for the accuracy of differentequivalent ideas, and not considered the effect of shear deformation. this paper studiesthe issues related to the structural analysis of box-shaped hollow floor using theanalogue slab method, deflections and internal forces on the basis of differe

11、nt simulatedmethods were compared and analyzed, and the existing code was supplemented byconsider the effect of shear deformation. the main work and conclusions are as follows:1 using three representative equivalent methods of the analogue slab method, inthree boundary conditions, the box-shaped hol

12、low floors with different kinds of hollowratios were equivalent to flat plates, the deflection and bending moment were calculatedthrough the elastic plate theory, and were compared with solutions of abaqus finiteelement hollow floor solid models. from the results, the simulated method in "in-si

13、tuconcrete hollow floor technical regulations jgj/t268-2012" is more consistent with theoriginal structure than the other two methods. also found that there are a few of errorsbetween the deflections calculated through this method and the actual value of hollowfloor.2 the box-section beams with

14、 different kinds of hollow ratios and span-depthratios were equivalent to solid rectangular cross-section beams base on the analogueslab method in existing code, the deflection comparison results between them show thatthis method only considers the equivalence of anti-bending stiffness, so that thee

15、quivalent solid plate did not accurately reflect the shear deformation of original hollowfloor, and in some cases make the deflection were calculated with large errors.3 on the basis of analogue slab method in existing code, considering the shearstiffness of hollow floor is equal to the shear stiffn

16、ess of solid plate, a "equivalent shearmodulus" for solid plate was get. and the shear modulus was proved that it canaccurately calculate the shear deformation by numerical examples. this method achieveiii 重庆大学硕士论文a complement to the analogue slab method in existing code from two aspects:

17、theoryand abaqus program, so calculating the deflection by the improved method makedeflections of plates and the value of original hollow floor closer.4 using analogue slab method considering shear deformation, proposed theestablishment of a solid plate model in abaqus program, instead of establishi

18、ng ahollow floor model to calculate deflection. this method simplifies the modeling processand improve the efficiency of the analysis and mesh quality, and the analogue slabmethod can be used for the hollow floors under more complex boundary conditions.keywords: hollow floor, analogue slab method, s

19、hear deformation, abaqusiv 目录目 录中文摘要.i英文摘要. iii1绪论. 11.1混凝土空心楼盖概述 . 11.1.1混凝土空心楼盖的发展 . 11.1.2混凝土空心楼盖的优点 . 11.2适用于大空间的混凝土空心楼盖类型 . 21.3混凝土空心楼盖的国内外研究状况 . 51.4空心楼盖的结构分析方法 . 61.4.1结构分析方法的分类 . 61.4.2拟板法的不同等效方法 . 61.5本文研究的意义和目的 . 71.6本文研究的主要内容 . 72空心楼盖的拟板法和刚度等效方法. 92.1概述. 92.2弹性薄板的相关理论 . 92.2.1弹性薄板弯曲的微分方程

20、. 92.2.2均布荷载下不同边界条件矩形板弯曲的解 . 102.3具有代表性的三种拟板等效方法 . 142.3.1现浇混凝土空心楼盖技术规程中的拟板等效方法. 152.3.2胡肇滋提出的正交构造异性板刚度计算方法. 152.3.3谢靖中提出的考虑宏观泊松比的计算方法 . 162.4本章小结 . 173 abaqus有限元模型简介和准确性验证. 193.1概述. 193.2 abaqus有限元模型. 193.3 abaqus准确性验证. 203.3.1理论公式计算 . 203.3.2 abaqus有限元计算. 223.3.3理论解与有限元结果的对比 . 23v 重庆大学硕士论文3.4本章小结.

21、 254拟板法解析解与有限元解的对比分析 . 274.1概述. 274.2分析模型介绍. 274.2.1几何信息. 274.2.2材料信息. 284.2.3荷载和边界条件. 284.2.4有限元解和解析解所考察的对象 . 294.2.5 python脚本建模概况. 304.3四边简支箱形空心楼盖的对比和分析 . 314.3.1 abaqus有限元解. 314.3.2经拟板法等效后的解析解. 324.3.3 abaqus有限元解与拟板法解析解的对比. 344.4四边固定箱形空心楼盖的对比和分析 . 374.4.1 abaqus有限元解. 374.4.2经拟板法等效后的解析解. 384.4.3 a

22、baqus有限元解与拟板法解析解的分析与对比. 394.5四角点支承箱形空心楼盖的对比和分析 . 424.5.1 abaqus有限元解. 424.5.2经拟板法等效后的解析解. 434.5.3 abaqus有限元解与拟板法解析解的分析与对比. 444.6本章小结. 465考虑剪切变形影响对空心楼盖挠度的修正. 495.1剪切变形问题的提出. 495.2空心楼盖中的箱形梁构造单元考虑剪切变形对挠度的影响 . 505.2.1算例和有限元模型设计. 515.2.2简支条件下箱形梁的剪切变形对挠度的影响 . 535.2.3两端固定条件下箱形梁的剪切变形对挠度的影响 . 565.2.4两跨连续箱形梁的剪

23、切变形对挠度的影响 . 595.3考虑剪切变形影响对箱形梁挠度的修正 . 605.3.1考虑“剪切刚度相等”修正剪切变形的方法 . 615.3.2箱形梁挠度在理论计算中的修正 . 655.3.3箱形梁挠度在 abaqus有限元计算中的修正. 665.4箱形空心楼盖的拟板法考虑剪切变形的修正 . 69vi 目录5.4.1拟板法在理论计算中的修正 . 705.4.2拟板法在 abaqus有限元计算中的修正. 715.5考虑剪切变形的拟板法算例分析 . 745.5.1四周简支的连续空心楼盖的挠度计算 . 755.5.2四周固定的连续空心楼盖的挠度计算 . 765.5.3柱支承空心楼盖的挠度计算 .

24、785.5.4构造正交各向异性空心楼盖的挠度计算 . 815.5.5考虑剪切变形的拟板法的使用范围 . 835.6本章小结 . 846结论与展望. 876.1本文的主要工作和结论 . 876.2有待进一步研究的问题 . 88致谢. 89参考文献. 91vii 1绪论1 绪论1.1混凝土空心楼盖概述1.1.1混凝土空心楼盖的发展随着建筑功能要求的不断提高，大开间、大跨度的建筑日益增多，大型的商场、办公楼、宾馆、车站等都倾向于采用柱子较少柱网较大的结构体系，以营造舒适的大空间和满足灵活的使用功能。建筑跨度的增加使得传统的楼盖结构形式面临诸多问题，其中有两点较突出：减轻结构的自重。跨度超过1 9m的

25、大跨度结构中，楼盖自重约占结构总重的60%80%，远高于多层结构中 30%40%的比例，也大于高层结构 50%60%的范围。因此对于大跨度结构，降低楼盖自重是非常重要的。变形与抗裂问题。满足变形需要增大截面尺寸以增大刚度，但因此使自重2增加。工程上的解决途径一般有三个：第一是通过施加预应力，减小楼盖变形，改善抗裂性能；第二是采用截面效率较高的楼盖形式，如密肋楼盖和井字形楼盖，去除截面上对抗弯贡献较少的部分，使楼盖自重轻，变形小；第三是将新截面形式与新技术相结合，开发出自重更轻、刚度更大的新型楼盖结构1。近几年出现并逐渐推广的混凝土空心楼盖就是一种新型楼盖结构。它具有跨度大、自重轻、节约材料、隔

26、音隔热、截面惯性矩大、施工方便、适应性强等特点，满足大跨度、大开间、大荷载、功能多样化的现代建筑要求，可应用于多种使用功能的建筑，如商业楼、展览馆、图书馆、办公楼、教学楼、宾馆、多层停车场、娱乐设施、住宅等民用建筑，以及厂房、仓库、锅炉房等工业建筑，尤其适合用于有较大跨度需求的结构，是极具潜力的一种楼盖形式。早年我国曾广泛使用过装配式空心板，这种传统式的预制圆孔空心板几十年来建成的建筑超过 100亿平方米2。这种楼盖形式虽然有着节约混凝土用量、工厂化生产较方便、施工简单等优点，但其抗震性能差，楼盖布置不灵活，不能满足多样化的楼盖形式，更不能满足大空间、大跨度等建筑结构，已逐渐被市场淘汰。现浇混

27、凝土空心楼盖是按照一定的规则放置模盒，经浇筑混凝土后形成的带有空腔的楼盖。它发扬了装配式空心板自重轻、截面受力合理的优点，作为一种新型楼盖形式在建筑结构中得到越来越多的应用。经过近几年的发展和研究，空心楼盖的内模已有实心、空心箱体和空心圆管等多种形式。1.1.2混凝土空心楼盖的优点建筑上的优点：增加楼层净高。空心楼盖厚度一般为1 250500mm，且室内结构顶棚平整美1 重庆大学硕士论文观，一般无需吊顶，显著增加了楼层的净高。室内空间高大舒展。由于结构跨度大、室内顶棚平整及净空高，室内空间2感觉更舒适美观。空间分割灵活。由于采用大开间结构，室内可以根据需要很方便地进行分3割，提高了空间的使用性

28、能和效率。隔热、隔音性能好。内置封闭的空心腔体提升了楼板的隔热性能，楼板的4平均厚度比普通楼板更大，从而提高了隔音效果。适用范围广。可用于办公、商业、学校、厂房、仓库、地下室等建筑。5结构上的优点：跨度大。混凝土空心楼盖尤其适应大跨度结构，经济跨度可达到1 812m。适应荷载范围广。除了能适用常规的使用荷载，在地下室顶板绿化覆土及2人防荷载作用等大荷载下更具有优势。结构自重轻，材料用量少。在建筑结构中，楼盖以受弯为主，截面受压区3混凝土和受拉区钢筋主要提供抵抗弯矩的能力，截面中间很大一部分混凝土对此贡献很小，但是却占有很大的质量，从而增加了楼盖自重。而空心楼盖去掉这一部分形成中空，并不影响楼盖

29、的承载能力，在大大减轻楼盖重量和减少混凝土用量的同时，因恒荷载减轻而显著地减少了钢筋用量，从而达到了节约材料、节省造价的目的。经济上的优点：节省钢筋及混凝土用量。由于结构形式合理，结构自重轻，可节省楼盖混1凝土 10%30%，可节省楼盖钢筋 20%30%。节省模板及模板施工费用，施工方便。基本为平模施工，梁钢筋用量少，2主要为楼板钢筋，钢筋施工方便。节省吊顶装修费用。3节省基础造价。4节省施工工期。51.2适用于大空间的混凝土空心楼盖类型常见的混凝土空心楼盖类型有以下几种：空腹夹层板楼盖1空腹夹层板楼盖由贵州工业大学空间结构研究所研制开发，由上下交叉肋梁组成，其构造如图 1.1所示：2 1绪论

30、图 1.1空腹夹层板楼盖的构造fig.1.1 the structure of sandwich plate floor空腹夹层板楼盖的特点是：一般不需要吊顶，楼层高度通常比普通肋梁楼盖小，楼层净高得到大幅度节约，维护结构、管线、装修以及施工的费用相应地减少。空腹夹层板的空腹部分可作为管线设备层，无需另设管线支架以及吊顶，从而进一步降低了工程造价。由于楼盖混凝土和钢筋用量减小，使得自重减轻，因而减小了地震作用。但空腹夹层板楼盖也有不可避免的缺点，其结构构造复杂，空腹成型困难，钢筋绑扎和混凝土浇注较不方便。2 gbf现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖gbf高强薄壁复合管是一种两端用硬质塑料膜封堵，壁厚约

31、 10mm的管状水泥制品。楼盖采用埋芯成孔工艺，按一定间距放置 gbf高强薄壁复合管，再浇筑混凝土，构造单元近似为“i”型截面。其结构形截面形式图 1.2所示。图 1.2 gbf空心无梁楼盖fig.1.2 the gbf hollow floorgbf高强薄壁复合管强度高，抗震性能好，不燃，安装施工方便。用它形成的空心楼盖既有底面平整、整体性好的优点，又具备保温、隔声、隔热的效果。混凝土蜂窝式空心双向板楼盖33 重庆大学硕士论文混凝土蜂窝式空心双向板楼盖一般由空心双向板和周边梁组成。采用塑料薄壁盒或薄壁 bdf盒作为内模，其顶面是双曲的凸面，在楼板中能形成有穹顶的空腔，可防止空腔上方楼板的局部

32、弯曲。楼盖空心的方式分为有底板和无底板两种。蜂窝式空心楼盖与空腹夹层板楼盖的优点相似。其不足之处在于：板底和肋以及盒顶的混凝土需要分层浇注与振捣，施工工艺繁琐；大量空心模盒的加工制作和安装定位也较麻烦。图 1.3蜂窝式空心板剖面fig.1.3 the section of cellular voided slab箱形混凝土空心楼盖4本文所研究的箱形混凝土空心楼盖是近几年发展起来的一种空心楼盖类型，具有较大的应用前景。它是在现浇混凝土板中按一定规则放置薄壁箱体而形成腔体的新型空心楼盖，由钢筋混凝土肋、顶板和底板组成，肋与上下两板之间为空心箱体，其空心率大、自重轻、抗震性能好、整体刚度大、受力性能

33、好，是目前的研究热点。其平面与剖面示意图如图 1.4所示。图 1.4箱形空心楼盖的平面与剖面示意图fig.1.4 the plane and section of box-shaped hollow floor与其他空心楼盖特别是圆管状内膜空心楼盖相比，箱形空心楼盖的突出优点有：4 1绪论1）空心率大。箱体内模的空心楼盖的空心率可以达到 50%70%，自重更轻，材料的利用效率更高，从而有效节省混凝土及钢筋用量。2）受力形式更加合理。箱体内模的空心楼盖具有双向肋，传力更加合理，两向刚度基本相同，是真正的双向受力楼盖。并且可以通过改变肋梁宽度，调整两方向的刚度比，使之适应不同长宽比板的受力要求，具

34、有更大的使用灵活性。3）设计和施工更加方便。方形空心腔体形状更加规则，支模方便且节约模板，截面计算与设计都较方便；箱体内膜也比圆管状内膜排列更灵活，钢筋配置更合理，施工更方便。1.3混凝土空心楼盖的国内外研究状况混凝土空心楼盖结构形式是在 20世纪 60年代中期由海德堡的工程师 leopoldmüller首先提出的，当时被称作“b-z”体系3。1964年，g. franz教授完成了对这种空心板结构的试验研究，得出的结论是，在静力荷载下，能将其当作实心无梁楼盖体系进行计算，但实心楼盖刚度应与其相同4。1982年英国的 g.elliot和 l.a.clark得出了圆孔空心板刚度系数的近似计算公式5，他们用环氧树脂做了三个圆孔空心板和一块实心板，并通过有限元软件进行验证，结果吻合较好。日本的 h.takabatake提出了一种任意布置矩形和圆形孔洞的空心多孔板的数值分析方法，同时考虑了弯曲变形和剪切变形的影响6，这种方法对于空心楼盖受力的数值分析具有极大价值。国内许多研究人员对空心楼盖的变形特征、应力分布、极限荷载等做了相当深入的研究，