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        有限元分析在無梁樓蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

        2018-07-23 04:06:48梁治
        世界家苑 2018年6期
        關(guān)鍵詞:無梁樓蓋優(yōu)化

        梁治

        摘 要:現(xiàn)代建筑工程當(dāng)中,無梁樓蓋結(jié)構(gòu)的建筑越來越多,對其各方案的分析計(jì)算成為建筑安全的重要環(huán)節(jié)。文章運(yùn)用有限元法,分析無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的可行性,對于無梁樓蓋的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有借鑒意義。

        關(guān)鍵詞:有限元分析法;無梁樓蓋;優(yōu)化

        無梁樓蓋建筑結(jié)構(gòu)的施工過程中,是否需要柱帽或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力,采用的多大規(guī)格的板厚等信息都需要進(jìn)行精確計(jì)算,有限元法就是對其進(jìn)行分析的有效方法。

        一、有限元分析法

        有限元法是一種以變分原理為基礎(chǔ)的發(fā)展起來的高效計(jì)算方法。其將連續(xù)的求解域離散為一個(gè)或幾個(gè)單元的組合體,通過每個(gè)單元里假設(shè)的近似函數(shù)來分片表示求解域上的未知場函數(shù)[1]。

        二、有限元分析法的實(shí)際應(yīng)用

        將有限元法應(yīng)用于工程建筑方面具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,其不僅能計(jì)算建筑設(shè)計(jì)的可行性,更能在確保建筑安全的同時(shí),實(shí)現(xiàn)建筑空間面積的最大化。下面以某工地商業(yè)樓盤為例,(如圖1.)通過有限元法對其進(jìn)行計(jì)算。

        1.構(gòu)建分析文件

        1.1選取結(jié)構(gòu),確定荷載

        本樓盤預(yù)應(yīng)力樓蓋共有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層,其板厚分別為160,180,200mm,使用有限元法進(jìn)行分析時(shí),對樓蓋和壓在其下的剪力墻,程力柱只選取一層即可;然后進(jìn)行求解域分離,分別選取其板殼單元、墻單元和三位框架柱單,在板上作用豎向荷載

        樓板的設(shè)定:設(shè)定1㎡有4個(gè)單元,整個(gè)半邊樓蓋的單元加起來共800個(gè),在單元面積中,柱上板帶和跨中板帶的面積分別是0.36㎡和0.64㎡。

        1.2板殼單元說明

        板殼單元的應(yīng)力輸出有膜單元和板單元組成,兩者作用各不相同,板單元的作用在于通過輸出彎曲應(yīng)力使板上拱為證。而膜單元?jiǎng)t通過輸出拉壓應(yīng)力,把拱應(yīng)力為正作為目的。

        2.進(jìn)行過程計(jì)算

        2.1預(yù)應(yīng)力計(jì)算

        本樓盤的預(yù)應(yīng)力形式為拋物線型的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì),樓板保護(hù)層和板厚分別為30mm和200mm,結(jié)合國家相關(guān)施工規(guī)章要求,可以算出預(yù)應(yīng)力損失了17%。各扣板所施加的預(yù)應(yīng)力如下表1:

        2.2豎向荷載作用計(jì)算

        根據(jù)“荷載平行法”,預(yù)應(yīng)力能夠減小因豎直荷載造成的變形幾內(nèi)力。短期效應(yīng)組合下。160mm,180mm和200mm的樓板最大彈性撓度分別為4.8,4.9,4.3mm。

        2.3對水平地震作用計(jì)算

        無梁樓蓋的抗震預(yù)算很有必要。采用有限元計(jì)算法,通過sap84計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行計(jì)算得出,當(dāng)板厚為200mm時(shí),考慮地震因素則彈性撓度為5.5mm,反之則為4.3mm。地震因素對其彎矩程度的影響只比平時(shí)高了8%,而這彎矩程度對于同樣等代框架的梁高和板厚而言微乎其微,可以忽略不計(jì),因而,地震作用的的影響也同樣可以忽略。

        2.4減小預(yù)應(yīng)力板厚計(jì)算

        無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)各種建材用板厚度不同:混凝土單向板的厚度應(yīng)該為跨度的1/40~1/45;而板柱體系雙向板的厚度應(yīng)該控制在柱網(wǎng)長邊尺寸的1/40~1/45;帶平托板的雙向板厚度應(yīng)為柱網(wǎng)長邊尺寸的1/45~1/50。

        2.5對非預(yù)應(yīng)力常規(guī)無梁樓蓋計(jì)算

        對原設(shè)計(jì)厚度樓板不施加預(yù)應(yīng)力,計(jì)算可得:非預(yù)應(yīng)力板應(yīng)力大于預(yù)應(yīng)力板,并隨著其彈性撓度變大。據(jù)此提示,實(shí)際應(yīng)用中施以預(yù)應(yīng)力后,可影響樓板的應(yīng)力、撓度,通常是其相關(guān)數(shù)值顯著減少。但如果基于普通無梁樓板設(shè)計(jì),實(shí)際應(yīng)用時(shí)需適當(dāng)加大樓板厚度,通常雙向平板以1/30-1/35的跨度最佳。

        2.6對柱帽的計(jì)算

        當(dāng)柱帽的尺寸不同時(shí),無梁平板的彈性撓度和應(yīng)力情況也不相同。在計(jì)算中,當(dāng)受到豎向荷載的板厚度為200mm時(shí),將柱帽尺寸由3600*3600*400變?yōu)?400*2400*400時(shí)(單位:mm),其最大彈性撓度由原來的5.3mm變?yōu)?.5mm,柱帽尺寸越小,其彈性撓度越大;在此過程中,其應(yīng)力情況也不斷改善;可見,無梁平板的柱帽能有效改善其撓度和應(yīng)力。

        2.7對活載棋盤式布置的計(jì)算

        設(shè)定板厚為200mm,棋盤式布置的撓度為6.9mm,而活載滿布的最大撓度為7.6mm,其最大撓度明顯大于棋盤式布置。同時(shí),活載滿布的應(yīng)力也大于棋盤式布置的對應(yīng)應(yīng)力;可見,活載棋盤式布置的不利程度明顯低于活載滿布式布置。

        2.8次應(yīng)力因素及反拱問題

        無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)中,其預(yù)應(yīng)力筋的矢量和次應(yīng)力都很小,不是工程考慮的重點(diǎn);同時(shí),由于在工程中我們選取的荷載方式為恒載,改變拉張預(yù)應(yīng)力并不會對反拱造成影響,故而也不考慮。

        三、有限元分析在無梁樓蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用建議

        1.無梁樓蓋有限元法計(jì)算結(jié)果

        通過有限元法計(jì)算得知:其一,在預(yù)應(yīng)力作用下,樓板處于彈性工作狀態(tài),剛度越大,則彈性撓度越??;其二,活載作用下,樓板的荷載主要為壓應(yīng)力,其拉應(yīng)力有建筑其他設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承擔(dān);其三,板薄膜應(yīng)力來源于水平預(yù)應(yīng)力,它能夠依靠板邊的作用下進(jìn)一步提高板的抗彎強(qiáng)度[2]。

        2.建筑過程中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋注意要點(diǎn)

        實(shí)際應(yīng)用中,普通梁柱體系梁的高度明顯比無梁樓板的厚度大,所以,板的抗彎剛度比較??;而由此造成的問題就是其對房柱的約束力下降,使得樓蓋效果的抗側(cè)能力明顯變?nèi)酢R虼?,在無梁樓蓋設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)注重版柱體系中對柱和剪力墻抗震等級的的考慮,使得其相應(yīng)能力進(jìn)一步加強(qiáng)。

        結(jié)束語

        無梁樓蓋在滿足人們增加房屋凈空的要求上,通過其良好的性能簡化了施工;降低了成本;具有良好的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用性。工程人員要做的就是在設(shè)計(jì)過程中,系統(tǒng)運(yùn)用有限元法對其單元計(jì)算,保證其施工安全,確保其整體的系統(tǒng)性和科學(xué)性。

        參考文獻(xiàn)

        [1]吳樂寧.無梁樓蓋在地下車庫中的配筋研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].建筑施工,2016,38(1):20-22.

        [2]胡松,黃勇,張璐.基于ANSYS的石膏空腔模無梁樓蓋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].貴州科學(xué),2015,33(1):25-29.

        (作者單位:廣西熙達(dá)置業(yè)投資有限公司)

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