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        磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋中柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

        2014-03-06 06:27:44王成芬
        黑龍江科學(xué) 2014年9期
        關(guān)鍵詞:無(wú)梁樓蓋板帶空腔

        王成芬

        (貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,貴陽(yáng)550025)

        由于磷石膏空腔模板柱節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性,導(dǎo)致它的應(yīng)用受到很多限制,并且使得其研究很困難。在結(jié)構(gòu)受到較強(qiáng)的地震作用時(shí),板柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能不如梁柱節(jié)點(diǎn),其受力情況沒(méi)有取得一致的看法。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)要同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載的作用,此時(shí),板柱節(jié)點(diǎn)除了要傳遞豎向荷載外,還要傳遞不平衡彎矩,這使得問(wèn)題的研究更為復(fù)雜。而板柱節(jié)點(diǎn)在豎向荷載單獨(dú)作用下的受力性能已經(jīng)基本成熟,但是在水平力作用下的受力性能還有待進(jìn)一步的探索。磷石膏空腔模板柱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度比梁柱框架結(jié)構(gòu)差,板柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能不如梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。樓板對(duì)柱的約束弱,不像框架梁那樣,既能較好地約束框架節(jié)點(diǎn),做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn),又能使塑性鉸出現(xiàn)在梁端,做到強(qiáng)柱弱梁。此外,較大水平力作用產(chǎn)生的不平衡彎矩要由板柱節(jié)點(diǎn)傳遞,在柱邊將產(chǎn)生較大的附加剪應(yīng)力,當(dāng)剪應(yīng)力很大而又缺乏有效的抗剪措施時(shí),有可能發(fā)生沖切破壞,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)破壞[1]。在水平荷載作用下,板柱結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點(diǎn)連接區(qū)的傳力機(jī)理以及不同的破壞形態(tài)還不清楚,計(jì)算方法亦不十分完善。對(duì)于磷石膏空腔模板柱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),板柱節(jié)點(diǎn)有必要進(jìn)行深入的研究,而本文就是對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力特性研究。

        為了更好地了解磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋板柱節(jié)點(diǎn)的靜力特性,從整體模型中取出中柱節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)尺寸如圖1所示。在水平荷載作用下,板—柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域剛度的模型化問(wèn)題比豎向荷載作用下的要困難得多。因?yàn)樨Q向荷載作用下,是由樓板的彎曲帶動(dòng)柱彎曲,所以板帶的計(jì)算寬度可取為相鄰區(qū)格中心線間的距離;而水平荷載作用下,主要是由柱的彎曲把水平荷載傳給板帶,柱的抗彎剛度比板帶的小,因而能與柱一起工作的板帶寬度?。?]。

        1 中柱節(jié)點(diǎn)有限元分析模型

        h=3 m為層高,則中柱節(jié)點(diǎn)1的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示,采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元進(jìn)行有限元分析。圖中N=4 312.6 KN,V1=65.7 KN[3],q 為樓面活荷載,按商場(chǎng)取3.5 KN/m2(根據(jù)荷載規(guī)范[4]),樓板自重計(jì)入恒載自動(dòng)計(jì)算。柱尺寸為 600 mm×600 mm,柱高為3 m,肋寬取100 mm,柱高為3 m,空腹樓板厚取500 mm,上面板厚取100 mm的T形空腹樓蓋,扁梁高同樓板厚為500 mm,扁梁寬取0.6 m的一個(gè)中柱節(jié)點(diǎn),板帶取跨度的一半[5](4 m)。本文統(tǒng)一XYZ坐標(biāo)系如下:板的長(zhǎng)寬方向?yàn)閄、Y方向,Z方向?yàn)橹叻较颉?/p>

        圖1 節(jié)點(diǎn)受力剖面簡(jiǎn)圖Fig.1 Node stress profile diagram

        所有結(jié)點(diǎn)采用兩種ANSYS有限元模型進(jìn)行分析比較。有限元模型:磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋板柱節(jié)點(diǎn);作為對(duì)比,建一個(gè)尺寸相同,將T形肋梁等效為厚板的實(shí)體板柱節(jié)點(diǎn),計(jì)算得到等代后的板厚度為356 mm,兩種模型的約束條件完全相同。磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋板柱節(jié)點(diǎn)中柱節(jié)點(diǎn)有限元立體模型如圖2所示。變化規(guī)律和X向基本相同,只是在Y=0處發(fā)生了突變。Z方向應(yīng)力分布比較均勻,只是在Y=0處應(yīng)力很大,這和應(yīng)力云圖分析結(jié)果是一致的,Z方向應(yīng)力主要由柱子來(lái)承擔(dān),所以在Y=0處應(yīng)力很大是符合實(shí)際的。

        圖2磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋中柱節(jié)點(diǎn)Fig.2 Phosphorus gypsum slab-column system empty anti cross between nodes

        圖3 磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋中柱節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向應(yīng)力分布云圖(俯視)Fig.3 Phosphorus gypsum slab-column system node in the column empty anti cross between X,Y,Z direction stress distribution nephogram(down)

        圖4 磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋中柱節(jié)點(diǎn)X=-0.3 m截面應(yīng)力圖Fig.4 Phosphogypsum slab-column system node in the column empty anticross between X=0.3 m section stress diagram

        應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí),采用Solid65單元模擬,Solid65單元,可以考慮混凝土的壓碎和開(kāi)裂[6],所以用Solid65單元模擬磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋板柱節(jié)點(diǎn)是合理的?;炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30。計(jì)算中,取混凝土彈性模量 EC=3.0 ×1010 N/m2、泊松比為 0.2[7]。

        2 應(yīng)力分析結(jié)果

        磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋中柱節(jié)點(diǎn)分析節(jié)點(diǎn)X、Y、Z向的應(yīng)力分布的應(yīng)力分布如云圖3,從左到右分別為X向應(yīng)力、Y向應(yīng)力、Z向應(yīng)力。從圖3我們可以看出,在側(cè)向力作用下,中柱節(jié)點(diǎn)X向、Y向應(yīng)力在柱邊較大,在跨中施加荷載位置應(yīng)力也比其他板帶應(yīng)力大,這和實(shí)際情況是相符合的,而Z方向的應(yīng)力分布比較均勻,整個(gè)節(jié)點(diǎn)處于受壓狀態(tài)。為了方便分析柱邊緣的應(yīng)力變化,沿X=-0.3 m處切開(kāi),作其應(yīng)力圖如圖4。

        根據(jù)X=-0.3 m截面應(yīng)力分布圖,中柱節(jié)點(diǎn)X方向應(yīng)力在Y軸負(fù)向比較小,越靠近柱子,應(yīng)力越大,在Y=1.0 m時(shí)達(dá)到最大值1 400 KPa,而逐漸向Y軸正向,其應(yīng)力又漸漸變小。Y軸正向的應(yīng)力基本比負(fù)向大,這是因?yàn)樨?fù)向有約束支座,而正向是屬于自由端施加荷載。Y方向應(yīng)力

        空腹板受力呈帶狀分布,雖然在柱與板接觸周圍出現(xiàn)了應(yīng)力較大區(qū)域,但突變不是特別大。在做磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋設(shè)計(jì)時(shí),考慮到使整體受力比較均勻,在柱邊板帶配筋加密。

        3 結(jié)論

        通過(guò)本文的理論分析,可以得到如下結(jié)論:

        磷石膏空腔模無(wú)梁樓蓋板柱節(jié)點(diǎn)柱周邊的板應(yīng)力比較大,但沒(méi)有明顯的突變,從柱邊向跨中,力逐漸減小。

        [1] 張川莎.水平荷載作用下無(wú)梁樓蓋受力行為及設(shè)計(jì)方法的研究[D].成都:四川大學(xué),2007.

        [2] 杜新年.低周反復(fù)水平荷載作用下板柱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué),2004.

        [3] GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

        [4] GB50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

        [5] 吳強(qiáng),程文.水平力下板柱結(jié)構(gòu)等代梁等效寬度系數(shù)的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006,(2):263.

        [6] 何本國(guó),陳天宇,王洋.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例(第三版)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2011.

        [7] GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

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