筒芯内模现浇混凝土空心楼盖内力分析及设计方法研究
摘要
现浇混凝土空心楼盖具有结构高度小、自重轻、刚度大、施工便捷、隔声隔热保温等优势，在多高层大跨房屋建筑中应用前景广阔。目前应用中最大薄弱环节是现浇空心楼盖的内力分析，楼盖空心部分及实腹(暗梁)的不同布置方式，使其内力分布相差很大。由于试验研究的局限性，虽可以从宏观上看到板的变形特征，但难以从微观角度了解空心板内部应力应变分布状况。板的细部构造设计缺少研究依据，空心楼盖的设计理论尚不完善。采用细密划分的有限单元体，把空心楼盖作为一个空间体模型，进行仿真分析，可以最接近实际地反映出现浇空心楼盖的受力变形特征。本文采用通用有限元软件ANSYS对空心楼盖整体受力性能进行仿真分析，并把结果和PKPM设计软件的分析结果进行了比较。
本文首先对理想支承单区格实心楼盖和典型布筒空心楼盖，采用相同的单元类型和网格划分方案进行三维实体有限元分析；将计算结果与其经典解对比，验证了该划分方法的准确性，为后续确定有限元分析的单元类型和网格划分方案提供了依据。通过对比对边简支现浇混凝土空心楼盖的两种情形应力、挠度，证明了空心楼盖在孔向、径向两个方向的截面应力和抗弯刚度存在差异，径向截面的抗弯刚度可取孔向截面抗弯刚度的0.97倍。
根据上述有限元分析方案，分别对柱支承现浇混凝土空心楼盖和实心楼盖进行有限元计算，考察空心对内力及变形的影响以及空心楼盖的基本性状，证明了其受力和挠度分布与实心楼盖整体上相似，但细节上有一定差别。将ANSYS有限元软件计算的结果和对比实心楼盖在PKPM(SATWE)中计算的结果对比分析，提出按照现有设计软件PKPM(SATWE)的计算结果进行修正的建议，并给出了相应的调整系数，供设计人员参考。提出了筒芯内模空心楼盖各区格柱上板带、跨中板带总弯矩占区格总弯矩的比率系数，柱上板带、跨中板带支座负弯矩、跨中正弯矩占跨中板带总弯矩的比率系数；给出筒芯内模空心楼盖计算经验系数的建议，列出了各区格分配系数表。
The cast-in-situ hollow concrete floor system will be more widely used inmultiple-story and high-rise buildings for its advantages: low structural height andsmall deadweight and relatively high stiffness and convenient construction and thepredominance of noise isolation, heat insulation, thermal retardation. The mostvulnerable spot during application now is the inner mechanics analysis of thecast-in-situ hollow concrete floor system. Because of the different arrangement waysof hollow and dark beam, the phase contrast of the inner mechanics distribution isvery large. It is difficult to know the state of stress and strain distribution in the innerhollow floor from microscopic view because of the limitation of experiment research,although we can see the deformation trait from macroscopic view. The detailconstitution design of the hollow floor lacks research results to refer to, and the designtheory of hollow floor is not perfect. We analyze the hollow floor system as a spatialmodel by using finite element divided finely. From that the stress and deformation ofthe hollow floor can be reflected more actually. This paper will analyze the stressperformance of the whole hollow floor system by using the ANSYS element software,and compare the results of it with the analysis results of the PKPM design software.
The thesis proposed the comparative analysis on solid and hollow slabs under theideal constraint condition by adopting the same solid isoparametric elements andmeshing methods. By comparing the compute results with classical result, it wasproved that the divide methods was accurate. That supplied the reference fordetermining the element type and meshing ways for the later finite analysis. Bycomparing the stress and deflection of the hollow floor supported by opposite sideduring the two conditions, it is proved that the stress and stiffness of the hollow floorsectional areas are different in the transverse and longitudinal directions. Thetransverse section stiffness is about 0.97 times of stiffness of the longitudinal section.
According to the finite analysis methods mentioned above, cast-in-situ hollowand solid floor supported by column were computed respectively. The influence tostress and deformation brought by the holes and basic properties were analyzed. The stress and deflection distribution of the hollow floor is similar to that of the solid floor,but they are different in details. After comparing the results of ANSYS software withthe results of PKPM (SATWE) software, the amendment advice about the results ofPKPM (SATWE) software was put forward., and auxiliary value was supplied fordesigner to refer to. The ratio coefficient of the moment of flexure of the column stripand middle strip to that of all was put forward. Also, the ratio coefficient of thesupport negative moment of flexure and the midspan positive moment of flexure ofthe column strip and middle strip to that of all respectively ware put forward. Thesuggestion about the direct design method of the tube hollow floor was supplied. Thetables of distribution coefficient were listed.
本文首先对理想支承单区格实心楼盖和典型布筒空心楼盖，采用相同的单元类型和网格划分方案进行三维实体有限元分析；将计算结果与其经典解对比，验证了该划分方法的准确性，为后续确定有限元分析的单元类型和网格划分方案提供了依据。通过对比对边简支现浇混凝土空心楼盖的两种情形应力、挠度，证明了空心楼盖在孔向、径向两个方向的截面应力和抗弯刚度存在差异，径向截面的抗弯刚度可取孔向截面抗弯刚度的0.97倍。
根据上述有限元分析方案，分别对柱支承现浇混凝土空心楼盖和实心楼盖进行有限元计算，考察空心对内力及变形的影响以及空心楼盖的基本性状，证明了其受力和挠度分布与实心楼盖整体上相似，但细节上有一定差别。将ANSYS有限元软件计算的结果和对比实心楼盖在PKPM(SATWE)中计算的结果对比分析，提出按照现有设计软件PKPM(SATWE)的计算结果进行修正的建议，并给出了相应的调整系数，供设计人员参考。提出了筒芯内模空心楼盖各区格柱上板带、跨中板带总弯矩占区格总弯矩的比率系数，柱上板带、跨中板带支座负弯矩、跨中正弯矩占跨中板带总弯矩的比率系数；给出筒芯内模空心楼盖计算经验系数的建议，列出了各区格分配系数表。
The cast-in-situ hollow concrete floor system will be more widely used inmultiple-story and high-rise buildings for its advantages: low structural height andsmall deadweight and relatively high stiffness and convenient construction and thepredominance of noise isolation, heat insulation, thermal retardation. The mostvulnerable spot during application now is the inner mechanics analysis of thecast-in-situ hollow concrete floor system. Because of the different arrangement waysof hollow and dark beam, the phase contrast of the inner mechanics distribution isvery large. It is difficult to know the state of stress and strain distribution in the innerhollow floor from microscopic view because of the limitation of experiment research,although we can see the deformation trait from macroscopic view. The detailconstitution design of the hollow floor lacks research results to refer to, and the designtheory of hollow floor is not perfect. We analyze the hollow floor system as a spatialmodel by using finite element divided finely. From that the stress and deformation ofthe hollow floor can be reflected more actually. This paper will analyze the stressperformance of the whole hollow floor system by using the ANSYS element software,and compare the results of it with the analysis results of the PKPM design software.
The thesis proposed the comparative analysis on solid and hollow slabs under theideal constraint condition by adopting the same solid isoparametric elements andmeshing methods. By comparing the compute results with classical result, it wasproved that the divide methods was accurate. That supplied the reference fordetermining the element type and meshing ways for the later finite analysis. Bycomparing the stress and deflection of the hollow floor supported by opposite sideduring the two conditions, it is proved that the stress and stiffness of the hollow floorsectional areas are different in the transverse and longitudinal directions. Thetransverse section stiffness is about 0.97 times of stiffness of the longitudinal section.
According to the finite analysis methods mentioned above, cast-in-situ hollowand solid floor supported by column were computed respectively. The influence tostress and deformation brought by the holes and basic properties were analyzed. The stress and deflection distribution of the hollow floor is similar to that of the solid floor,but they are different in details. After comparing the results of ANSYS software withthe results of PKPM (SATWE) software, the amendment advice about the results ofPKPM (SATWE) software was put forward., and auxiliary value was supplied fordesigner to refer to. The ratio coefficient of the moment of flexure of the column stripand middle strip to that of all was put forward. Also, the ratio coefficient of thesupport negative moment of flexure and the midspan positive moment of flexure ofthe column strip and middle strip to that of all respectively ware put forward. Thesuggestion about the direct design method of the tube hollow floor was supplied. Thetables of distribution coefficient were listed.
引文
[1] 傅礼铭 现浇混凝土薄壁筒芯空心楼盖经济性能研究 全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集 上海 2007：102～105
[2] CECS175：2004混凝土空心楼盖结构技术规程 北京 中国计划出版社2004：5～72
[3] 张洪学 张云龙 白成祥．边支承现浇空心板设计计算与软件实现[J]．建筑结构，2006，36(3)：91～93．
[4] 刘立新 李海涛 于秋波等．边支承现浇空心楼盖的受力分析及设计[J]．郑州大学学报(工学版)，2007，28(1)：64～67．
[5] 高仲学．圆管式无柱帽空心无梁楼盖的试验研究[D]南京：东南大学博士论文2003：18～22．
[6] Fertigteil-Vertrieb Gmbh, Mannheim, B-Z Reinforced Concrete Cellular Plate for One-Way and Two-Way Stress Directions for High Loads and Large Spans, Engineering Design Brochure, 1965.
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[8] Edgar H. Hendler, Cellular Flat Plate Construction, Journal of ACT, Fe bruary, 1968,pp. 81-86
[9] G.Elliot and L.A.Clark, Circular Voided Concrete Slab Stilfnesses, Journal of the Structural Div, ASCE,Vol. 108,November,1982,pp.2379-2393.
[10] H.Takabatake and N.Yanagisawa, A Simplified Analysis of Rectangular Cellular Plates, In t.J.Solids Structrures.Vol.33.No. 14.1996.pp.2055-2074.
[11] Liu Lixin CONCRETE STRUCTURAL FUNDAMENTALS[M] Wuhan Wuhan University of Technology Press 2004:7～33
[12] [美]A．H．尼尔逊著 过镇海 方鄂华 庄崖屏等译 校混凝土结构设计(第12版)北京 中国建筑工业出版社2003：308～422．
[13] 杨建军 杨承惁等 单向布置筒芯的混凝土空心板两向抗弯刚度比较[C]．全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会 上海 2005：102～104
[14] 沈蒲生 楼盖结构设计原理 北京科学出版社 2003
[15] 朱聘儒编著 双向板无梁楼盖 北京 中国建筑工业出版社 1999．6
[16] R．派克 W．L．根勃尔著 黄国桢 成源华译 钢筋混凝土板 上海 同济大学出版社 1992．2
[17] 高仲学，程文瀼，陈德文等，现浇混凝土无柱帽空心无梁楼盖的设计与施工，特种结构，第19卷第2期，2002年6月。
[18] 李宝玉 黄安刚 现浇钢筋混凝土暗梁空心板在河南无线电监测大楼中的应用 全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集 上海 2007 420～425
[19] 刘立新 黄安刚 GRC薄壁筒芯在现浇钢筋混凝土空心楼盖中的应用 全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集 上海 2007 339～342
[20] 杨建军 成洁筠 郝静等 现浇混凝土筒芯楼盖实用设计发的比较 全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集 上海 2007 267～274
[21] 燕懿 魏建国 现浇混凝土空心楼盖建筑结构设计浅析 全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集 上海 2007 300～304
[22] 周献详 汪绍西 现浇空心楼盖技术在汽车库工程中的应用 全国现浇混凝土空心楼盖结构技术交流会论文集 上海 2007 343～347
[23] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部．SATWE用户手册及技术条件[D] 北京 中国建筑科学研究院 2005
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[27] 张洪信 主编 有限元基础理论与ANSYS应用 北京 机械工业出版社 2006．1
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[29] 徐鹤山 编著ANSYS在建筑工程中的应用 北京 机械工业出版社 2005．8
[30] 郝文化 叶裕明 刘春山 沈火明 肖新标 ANSYS土木工程应用实例 北京 中国水利水电出版社 2005
[31] 龚曙光 谢桂兰 编著 ANSYS操作命令与参数化编程 北京 机械工业出版社2003．11
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[35] 莫令文．现浇混凝土空心楼盖有限元分析和实验研究[D]长沙：中南大学硕士论文2003．5
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[37] 孙会朗．现浇混凝土空心楼盖受力性能研究[D]重庆：重庆大学硕士论文2004．5
[38] 麦高波．四边固定蜂巢芯楼盖试验及理论研究[D]长沙：长沙理工大学硕士论文2004．12
[39] 宗敏．新型大跨度双向空腹楼板的研究[D]南京：河海大学硕士论文2004．3
[40] 殷继华．现浇混凝土加劲肋管无梁楼盖的有限元分析和实验研究[D]长沙：长沙理工大学硕士论文 2004．12
[41] 陈静茹．现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖体系的分析研究[D]武汉：武汉理工大学硕士论文 2002．5
[42] 韩冰．蜂巢芯空心楼盖试验研究与有限元分析[D]长沙：长沙理工大学硕士论文2004．12
[43] 初萍．现浇砼空心楼板的试验研究及在工程中的应用[D]大连：大连理工大学硕士论文 2003．3
[44] 李峰．现浇钢筋混凝土空心板中管参与工作的性能研究[D]天津：天津大学硕士论文 2004．5
[45] 吴晓鹏．现浇预应力空心板梁楼盖体系受力特性研究[D]杭州：浙江大学硕士论文2005．2
[46] 陈信堂．单向管芯现浇混凝土空心楼板双向受力分析及施工技术研究[D]合肥：合肥工业大学硕士论文 2006．5
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