现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖体系的分析研究
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摘要
现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖是一种新型的无梁楼盖体系，它自重轻，跨度大，是继带柱帽的无梁楼盖、平板无梁楼盖、密肋无梁楼盖之后，顺应了时代对无梁楼盖体系要求的新型无梁楼盖体系，目前已经在一些工程项目上投入使用，取得了良好的经济效益和社会效益。
和普通平板无梁楼盖相比，现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖有两个突出的不同点，一是在楼板内预埋空心圆筒形成空心楼板，二是在框架柱之间设有暗扁梁。本文以现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖的特点为基础，分析它的基本力学性能，探索合理的计算模式和设计方法，对正确进行设计、保障结构的安全使用、进一步推广它的应用，有非常重要的意义。
本文首先从理论上分析了空心板两方向刚度比，认为两边长接近的空心板在竖向荷载作用下为双向受弯，其受力性能为双向板；分析了柱上暗扁梁在楼盖中的作用，认为它不能起到框架梁的作用，应为柱上板带的一部分。其次对空心板进行了从加荷、开裂、屈服直至破坏的全过程材料非线性有限元计算，得到了空心板在竖向荷载作用下的开裂荷载、极限荷载及位移和应力分布规律；还对单跨无梁楼盖进行了材料非线性有限元计算，通过分析主应力场明确了柱上暗扁梁的作用；有限元计算的结果验证了以上的理论分析并得到了一些重要的结论，对改进现浇空心板无梁楼盖的构造措施有重要的参考价值。通过理论分析和有限元计算，本文认为现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖应按无梁楼盖体系的设计方法进行结构计算。进而将无梁楼盖体系的计算方法应用于现浇空心板无梁楼盖中，通过对板格弯矩的分析，得出了现浇空心板无梁楼盖按等效框架法计算的板带弯矩分配比例系数，按经验系数法计算的板带弯矩设计值。以上理论结果对实际工程有实践意义和应用价值，可以作为工程界的参考。
The cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor is a new style of flat-plate floor. The weight of this floor is small and the span of this floor is large. Compared with the flat-slab floor, the flat-plate floor and the waffle floor, the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor adapts the demands for the flat-plate floor system of this age. It has been used in some projects and has gained great social effects and economical profits.
Compared with the normal flat-plate floor, the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor has two special characteristics. To produce the hollow floor, the hollow columns are pre-buried in the floor. There are concealed wide-flat beams between the frame columns. On the basis of the characteristics of this new style of flat-plate floor, analyzing its basic mechanical behavior, researching on its sound calculating model and calculating method are of great importance to proceed the designing, ensure the safety of structure, spread the application of this new style of flat-plate floor.
The two ways stiffness ratio of the reinforced concrete hollow slab is studied and the results show the reinforced concrete hollow slab is bent in two ways under the vertical loads providing the length of the two rims of the slab are near. The analysis for the concealed wide-flat beams demonstrates that it belongs to the column strip and it does not possess the function of the frame girder. A Material nonlinear finite element analysis for the cast-in-place reinforced concrete hollow slab that occurs from initial loading, cracking, yielding to failing is carried on. The cracking load, ultimate load, the displacement rules and the principal stress distribution rules of the hollow slab under the vertical loads are obtained. A Material nonlinear finite element analysis for the single span hollow flat-plate floor is also carried on. The function of the concealed wide-flat beams is definite by analyzing the principal stress distribution diagram. The calculating results verify the theoretical analysis and give some
important conclusions which are great useful to improve the constructing of the new flat-plate floor. On the basis of the theoretical analysis and the finite element calculating, the conclusions show that the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor should adopt the calculating method of the flat-plate floor. By using the calculating method of the flat-plate floor, the bend moments of the slab in different place are calculated. The moment distribution ratio between the column trip and the middle trip of the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor calculated by the equivalent frame
method is demonstrated. The moment of the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor calculated by the experience coefficient method is also demonstrated. Through the studies the practical conclusions have been obtained, which can be referred by engineers.
和普通平板无梁楼盖相比，现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖有两个突出的不同点，一是在楼板内预埋空心圆筒形成空心楼板，二是在框架柱之间设有暗扁梁。本文以现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖的特点为基础，分析它的基本力学性能，探索合理的计算模式和设计方法，对正确进行设计、保障结构的安全使用、进一步推广它的应用，有非常重要的意义。
本文首先从理论上分析了空心板两方向刚度比，认为两边长接近的空心板在竖向荷载作用下为双向受弯，其受力性能为双向板；分析了柱上暗扁梁在楼盖中的作用，认为它不能起到框架梁的作用，应为柱上板带的一部分。其次对空心板进行了从加荷、开裂、屈服直至破坏的全过程材料非线性有限元计算，得到了空心板在竖向荷载作用下的开裂荷载、极限荷载及位移和应力分布规律；还对单跨无梁楼盖进行了材料非线性有限元计算，通过分析主应力场明确了柱上暗扁梁的作用；有限元计算的结果验证了以上的理论分析并得到了一些重要的结论，对改进现浇空心板无梁楼盖的构造措施有重要的参考价值。通过理论分析和有限元计算，本文认为现浇钢筋混凝土空心板无梁楼盖应按无梁楼盖体系的设计方法进行结构计算。进而将无梁楼盖体系的计算方法应用于现浇空心板无梁楼盖中，通过对板格弯矩的分析，得出了现浇空心板无梁楼盖按等效框架法计算的板带弯矩分配比例系数，按经验系数法计算的板带弯矩设计值。以上理论结果对实际工程有实践意义和应用价值，可以作为工程界的参考。
The cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor is a new style of flat-plate floor. The weight of this floor is small and the span of this floor is large. Compared with the flat-slab floor, the flat-plate floor and the waffle floor, the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor adapts the demands for the flat-plate floor system of this age. It has been used in some projects and has gained great social effects and economical profits.
Compared with the normal flat-plate floor, the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor has two special characteristics. To produce the hollow floor, the hollow columns are pre-buried in the floor. There are concealed wide-flat beams between the frame columns. On the basis of the characteristics of this new style of flat-plate floor, analyzing its basic mechanical behavior, researching on its sound calculating model and calculating method are of great importance to proceed the designing, ensure the safety of structure, spread the application of this new style of flat-plate floor.
The two ways stiffness ratio of the reinforced concrete hollow slab is studied and the results show the reinforced concrete hollow slab is bent in two ways under the vertical loads providing the length of the two rims of the slab are near. The analysis for the concealed wide-flat beams demonstrates that it belongs to the column strip and it does not possess the function of the frame girder. A Material nonlinear finite element analysis for the cast-in-place reinforced concrete hollow slab that occurs from initial loading, cracking, yielding to failing is carried on. The cracking load, ultimate load, the displacement rules and the principal stress distribution rules of the hollow slab under the vertical loads are obtained. A Material nonlinear finite element analysis for the single span hollow flat-plate floor is also carried on. The function of the concealed wide-flat beams is definite by analyzing the principal stress distribution diagram. The calculating results verify the theoretical analysis and give some
important conclusions which are great useful to improve the constructing of the new flat-plate floor. On the basis of the theoretical analysis and the finite element calculating, the conclusions show that the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor should adopt the calculating method of the flat-plate floor. By using the calculating method of the flat-plate floor, the bend moments of the slab in different place are calculated. The moment distribution ratio between the column trip and the middle trip of the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor calculated by the equivalent frame
method is demonstrated. The moment of the cast-in-place reinforced concrete hollow flat-plate floor calculated by the experience coefficient method is also demonstrated. Through the studies the practical conclusions have been obtained, which can be referred by engineers.
引文
[1] S.B.Desai, Limits of Load carrying Capacity of Flat Slabs, The Structural Engineer Vol.78 No.22 21Nov2000
[2] Alaa G.Sherif and Walter H.Dilger, Test of Full-Scale Continuous Reinforced Concrete Flat Slabs, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.97 No.3 May/June2000
[3] Aanuel Alvaz, Stefan Koppel, and Peter Marti , Rotation Capacity of Reinforced Concrete Slabs, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.97 No.2 Mar/Apr2000
[4] J.R.Eyre, Membrane Action in Plain Concrete Slabs Under Concentrated Loading, Structures and Buildings August 2000
[5] Amin Ghali and Sami Megally, Design for Punching Shear Strength with ACI318-95, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.96 No.4 July/Aug1999
[6] Maria Anna Polak, Modeling Punching Shear of Reinforced Concrete Slabs Using Layered Finite Elements, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.95 No.1 Jan/Feb1998
[7] H.Marzouk, Mohamed Emam, and M.Sameh Hilal, Effect of High-Strength Concrete Slabs on The Behavior of Slab-Column Connection, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.95 No.3 May/June1998
[8] B.R.Ellis, On the Response of Long-Span Floors to Walking Load Generated by Individuals and Crowds, The Structural Engineer Vol.78 No. 10 16May2000
[9] Philippe Menetrey, Relationship between Flexural and Punching Failure, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.95 No.4 July/Aug1998
[10] Sami Megally and Amin Ghali, Punching of Concrete Slabs due to Column Moment Transfer, JOURAL OF STRUCTURAL ENGINEERING Vol. 126 No.2 Feb2000
[11] Jacob S.Grossman , Verification of Proposed Design Methodologies for Effective Width of Slabs in Slab-Column Frames, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.94 No.2 Mar/Apr1997
[12] Daniel N. Farhey, David Z.Yankelevsky, and Moshe A.Adin, Resistance Mechanism Model for Reinforced Concrete Flat Slab-Column Frame Connection , ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.94 No.6 Nov/Dec1997
[13] K.Ofosu-Asamoah and N.J.Everard, Flat Slab Thickness Required to Satisfy Serviceability Including Early Age Construction Loads , ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.94 No.4 July/Agu1997
[14] Y.H.Luo and A.J.Durrani, Equivalent Beam Model for Flat-Slab Buildings Part
Ⅰ:Interior Connection,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.1 Jan/Feb1995
[15]Y.H.Luo and A.J.Durrani,Equivalent Beam Model for Flat-Slab Buildings Part Ⅱ:Exterior Connection,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.2 Mar/Apr1995
[16]A.J.Durrani,Y.Du and Y.H.Luo,Seismic Resistance of Nonductile Slab-Column Connection in Existing Flat-Column Buildings,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.4 July/Aug 1995
[17]Fee Kiong Lin and B.Vijaya Rangan,Studied on Concrete Slabs with Stud Shear Reinforcement in Vicinity of Edge and Comer,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.5 Sep/Oct1995
[18]Sami Megally and Amin Ghali,Design Considerations for Slab-Column Connection in Seismic Zone,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.91 No.3 May/June1994
[19]Wen Bin Siao,Punching Shear Resistance of Flat Slabs:A Beam-Strip Analogy,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.5 Sep/Oct1994
[20]朱聘儒，双向板无梁楼盖，中国建筑工业出版社，1999年
[21]滕智明，钢筋混凝土基本构件(第二版)，清华大学出版社，1987年
[22]天津大学、同济大学、东南大学，混凝土结构，中国建筑工业出版社 1994年
[23]王梅 金国峰，提高板柱结构中板的抗冲切能力的实践与探讨，电气化铁道 1999年第2期
[24]郑惠川，钢筋砼扁梁含筋率限值的探讨，福州大学学报(自然科学版)26卷 第6期
[25]黄勇 陈波 康宁，空腹夹层板的构造及连续化分析方法，贵州工业大学学报 26卷 第4期
[26]米庆左，无柱帽无梁楼盖在住宅工程中的应用，冶金矿山设计与建设 31卷 第4期
[27]石清林 邹银生 何放龙，钢筋混凝土板柱节点受冲切承载力的计算，湖南大学学报 25卷第5期
[28]陈宇峰，预应力砼扁梁—平板楼盖体系在高层结构中的应用，福建建筑 2000年第2期
[29]傅学怡，宽扁梁设计建议，建筑结构，1999年第2期
[30]李云霄 庞国新 刘滨，钢筋砼扁梁截面高度取值研究，建筑结构，1997年第10期
[31]金云平，土中浅埋无梁楼盖结构设计，建筑结构，1998年第7期
[32]江建祥 曹云中，无粘结预应力混凝土—平板结构设计及工程实践，建筑技术开发 28卷第2期
[33]马克俭 张华刚 黄勇 肖建春 段渝忠 张均淘 曹宇生，大跨度钢筋混凝土空腹夹层板柱结构的研究与应用，建筑结构学报，21卷第6期
[34]马克俭 黄勇 张华刚 肖建春 安竹石 段渝忠 陈为运 黎明，多层与高层建筑砼空腹夹层板与鱼骨式空腹夹层板楼盖结构体系的研究与应用，贵州工业大学学报 26卷第4期
[35]陈波 黄勇 马克俭，空腹夹层板有限元分析的两种模型，建筑结构，31卷4期
[36]黄勇 马克俭 张华刚 肖建春，钢筋混凝土空腹夹层板板楼盖结构体系的研究与应用，建筑结构学报，18卷第6期
[37]练贤荣 吴真一 樊春燕，宽扁梁—大跨度板柱体系在蛇口招商购物中心工程中的应用，建筑结构，31卷第6期
[38]张宇风 吕志涛，边梁对板柱结构等代框架宽度取值的影响，建筑结构，31卷 第2期
[39]马云昌 吕西林，钢筋混凝土板柱节点的抗震性能研究，建筑结构学报，22卷 第4期
[40]朱炳芫，无梁楼盖结构计算方法的探讨，建筑结构，29卷第8期
[41]余安东，升板结构设计原理，上海科学技术出版社，1980年
[42]赵西安，钢筋混凝土高层建筑结构设计，中国建筑工业出版社，1992年
[43]朱伯龙 董振祥，钢筋混凝土非线性分析，同济大学大学出版社，1985年
[44]袁海庆 蒋沧如，有限单元法的理论与工程应用，武汉工业大学出版社，1997年
[45]沈聚敏 王传志 江见鲸，钢筋混凝土有限元与板壳极限分析，清华大学出版社，1993年
[46]赵国藩 曹居易 张宽权，工程结构可靠度，水利电力出版社，1984年
[47]陈精一 蔡国忠，电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，中国铁道出版社，2001年
[48]《混凝土结构设计规范》GB50010—2002，中国建筑工业出版社，2002，北京
[49]《钢筋混凝土升板结构技术规范》GBJl30—90，中国建筑工业出版社，1990，北京
[50]邱则有，薄壁筒填充式现浇砼空心楼盖，中国实用新型专利，ZL99 2 32922，1，2000年1月15日
[51]邱则有，现浇钢筋砼填充用纤维增强型薄壁筒，中国 实用新型专利，zL 99 2 49755.8,1999年11月22日
[52]长沙巨星轻质建材股份有限公司巨星结构新技术研究中心，现浇混凝土空心板无梁楼盖技术
[53]谢贻全 何福保，弹性和塑性力学中的有限单元法，机械工业出版社，1997年
[54]R.Szilard,板的理论和分析，中国铁道出版社，1984年
[55]江见鲸，钢筋混凝土结构非线性有限元分析，陕西科学技术出版社，1994年
[2] Alaa G.Sherif and Walter H.Dilger, Test of Full-Scale Continuous Reinforced Concrete Flat Slabs, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.97 No.3 May/June2000
[3] Aanuel Alvaz, Stefan Koppel, and Peter Marti , Rotation Capacity of Reinforced Concrete Slabs, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.97 No.2 Mar/Apr2000
[4] J.R.Eyre, Membrane Action in Plain Concrete Slabs Under Concentrated Loading, Structures and Buildings August 2000
[5] Amin Ghali and Sami Megally, Design for Punching Shear Strength with ACI318-95, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.96 No.4 July/Aug1999
[6] Maria Anna Polak, Modeling Punching Shear of Reinforced Concrete Slabs Using Layered Finite Elements, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.95 No.1 Jan/Feb1998
[7] H.Marzouk, Mohamed Emam, and M.Sameh Hilal, Effect of High-Strength Concrete Slabs on The Behavior of Slab-Column Connection, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.95 No.3 May/June1998
[8] B.R.Ellis, On the Response of Long-Span Floors to Walking Load Generated by Individuals and Crowds, The Structural Engineer Vol.78 No. 10 16May2000
[9] Philippe Menetrey, Relationship between Flexural and Punching Failure, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.95 No.4 July/Aug1998
[10] Sami Megally and Amin Ghali, Punching of Concrete Slabs due to Column Moment Transfer, JOURAL OF STRUCTURAL ENGINEERING Vol. 126 No.2 Feb2000
[11] Jacob S.Grossman , Verification of Proposed Design Methodologies for Effective Width of Slabs in Slab-Column Frames, ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.94 No.2 Mar/Apr1997
[12] Daniel N. Farhey, David Z.Yankelevsky, and Moshe A.Adin, Resistance Mechanism Model for Reinforced Concrete Flat Slab-Column Frame Connection , ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.94 No.6 Nov/Dec1997
[13] K.Ofosu-Asamoah and N.J.Everard, Flat Slab Thickness Required to Satisfy Serviceability Including Early Age Construction Loads , ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.94 No.4 July/Agu1997
[14] Y.H.Luo and A.J.Durrani, Equivalent Beam Model for Flat-Slab Buildings Part
Ⅰ:Interior Connection,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.1 Jan/Feb1995
[15]Y.H.Luo and A.J.Durrani,Equivalent Beam Model for Flat-Slab Buildings Part Ⅱ:Exterior Connection,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.2 Mar/Apr1995
[16]A.J.Durrani,Y.Du and Y.H.Luo,Seismic Resistance of Nonductile Slab-Column Connection in Existing Flat-Column Buildings,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.4 July/Aug 1995
[17]Fee Kiong Lin and B.Vijaya Rangan,Studied on Concrete Slabs with Stud Shear Reinforcement in Vicinity of Edge and Comer,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.5 Sep/Oct1995
[18]Sami Megally and Amin Ghali,Design Considerations for Slab-Column Connection in Seismic Zone,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.91 No.3 May/June1994
[19]Wen Bin Siao,Punching Shear Resistance of Flat Slabs:A Beam-Strip Analogy,ACI STRUCTURAL JOURNAL Vol.92 No.5 Sep/Oct1994
[20]朱聘儒，双向板无梁楼盖，中国建筑工业出版社，1999年
[21]滕智明，钢筋混凝土基本构件(第二版)，清华大学出版社，1987年
[22]天津大学、同济大学、东南大学，混凝土结构，中国建筑工业出版社 1994年
[23]王梅 金国峰，提高板柱结构中板的抗冲切能力的实践与探讨，电气化铁道 1999年第2期
[24]郑惠川，钢筋砼扁梁含筋率限值的探讨，福州大学学报(自然科学版)26卷 第6期
[25]黄勇 陈波 康宁，空腹夹层板的构造及连续化分析方法，贵州工业大学学报 26卷 第4期
[26]米庆左，无柱帽无梁楼盖在住宅工程中的应用，冶金矿山设计与建设 31卷 第4期
[27]石清林 邹银生 何放龙，钢筋混凝土板柱节点受冲切承载力的计算，湖南大学学报 25卷第5期
[28]陈宇峰，预应力砼扁梁—平板楼盖体系在高层结构中的应用，福建建筑 2000年第2期
[29]傅学怡，宽扁梁设计建议，建筑结构，1999年第2期
[30]李云霄 庞国新 刘滨，钢筋砼扁梁截面高度取值研究，建筑结构，1997年第10期
[31]金云平，土中浅埋无梁楼盖结构设计，建筑结构，1998年第7期
[32]江建祥 曹云中，无粘结预应力混凝土—平板结构设计及工程实践，建筑技术开发 28卷第2期
[33]马克俭 张华刚 黄勇 肖建春 段渝忠 张均淘 曹宇生，大跨度钢筋混凝土空腹夹层板柱结构的研究与应用，建筑结构学报，21卷第6期
[34]马克俭 黄勇 张华刚 肖建春 安竹石 段渝忠 陈为运 黎明，多层与高层建筑砼空腹夹层板与鱼骨式空腹夹层板楼盖结构体系的研究与应用，贵州工业大学学报 26卷第4期
[35]陈波 黄勇 马克俭，空腹夹层板有限元分析的两种模型，建筑结构，31卷4期
[36]黄勇 马克俭 张华刚 肖建春，钢筋混凝土空腹夹层板板楼盖结构体系的研究与应用，建筑结构学报，18卷第6期
[37]练贤荣 吴真一 樊春燕，宽扁梁—大跨度板柱体系在蛇口招商购物中心工程中的应用，建筑结构，31卷第6期
[38]张宇风 吕志涛，边梁对板柱结构等代框架宽度取值的影响，建筑结构，31卷 第2期
[39]马云昌 吕西林，钢筋混凝土板柱节点的抗震性能研究，建筑结构学报，22卷 第4期
[40]朱炳芫，无梁楼盖结构计算方法的探讨，建筑结构，29卷第8期
[41]余安东，升板结构设计原理，上海科学技术出版社，1980年
[42]赵西安，钢筋混凝土高层建筑结构设计，中国建筑工业出版社，1992年
[43]朱伯龙 董振祥，钢筋混凝土非线性分析，同济大学大学出版社，1985年
[44]袁海庆 蒋沧如，有限单元法的理论与工程应用，武汉工业大学出版社，1997年
[45]沈聚敏 王传志 江见鲸，钢筋混凝土有限元与板壳极限分析，清华大学出版社，1993年
[46]赵国藩 曹居易 张宽权，工程结构可靠度，水利电力出版社，1984年
[47]陈精一 蔡国忠，电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，中国铁道出版社，2001年
[48]《混凝土结构设计规范》GB50010—2002，中国建筑工业出版社，2002，北京
[49]《钢筋混凝土升板结构技术规范》GBJl30—90，中国建筑工业出版社，1990，北京
[50]邱则有，薄壁筒填充式现浇砼空心楼盖，中国实用新型专利，ZL99 2 32922，1，2000年1月15日
[51]邱则有，现浇钢筋砼填充用纤维增强型薄壁筒，中国 实用新型专利，zL 99 2 49755.8,1999年11月22日
[52]长沙巨星轻质建材股份有限公司巨星结构新技术研究中心，现浇混凝土空心板无梁楼盖技术
[53]谢贻全 何福保，弹性和塑性力学中的有限单元法，机械工业出版社，1997年
[54]R.Szilard,板的理论和分析，中国铁道出版社，1984年
[55]江见鲸，钢筋混凝土结构非线性有限元分析，陕西科学技术出版社，1994年