板柱與梁板結(jié)構(gòu)受力性能對比研究

雷 華，向偉明，黃 鑫

(1.廣州城市職業(yè)學(xué)院, 廣東 廣州 510006； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

板柱與梁板結(jié)構(gòu)受力性能對比研究

雷 華1，向偉明2，黃 鑫2

(1.廣州城市職業(yè)學(xué)院, 廣東 廣州 510006； 2.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

以某工程為算例，分別選取合理板柱與梁板結(jié)構(gòu)計算模型，按照相關(guān)規(guī)范進行大型廣場在平時工況與戰(zhàn)時工況頂板各構(gòu)件承載力計算，并對其兩種結(jié)構(gòu)型式的受力性能分析對比，以總結(jié)出地下人防結(jié)構(gòu)頂板的適用原則，為實際工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

板柱結(jié)構(gòu)；梁板結(jié)構(gòu)；受力性能；分析對比

地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載較大，還需要兼顧防水抗裂等要求，建成后一旦出現(xiàn)問題將難以修復(fù)，且費用較大收效甚微，因此地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)謹(jǐn)慎選擇合理的結(jié)構(gòu)體系[1-2]。地下空間常用的樓蓋各有其優(yōu)缺點：梁板結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，傳力途徑明確，但在層高一定的情況下，凈空利用率較低，且不利于鋪設(shè)各類設(shè)備管線。板柱結(jié)構(gòu)板底平整，凈空利用率高，能有效減少填挖土方所帶來的工程量[3-6]。本文根據(jù)計算模型及計算所得的荷載分別對大型廣場的平時與戰(zhàn)時工況下的地下人防結(jié)構(gòu)的板柱結(jié)構(gòu)梁板結(jié)構(gòu)的受力性能進行對比分析。

1 計算模型選取

本文所選取的計算模型是根據(jù)某大型工程建立的，本工程為地下兩層大型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高為5.5 m。樓板采用板柱結(jié)構(gòu)加柱帽和梁板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，柱距為8.0 m。頂板、墻柱及底板采用C35等級混凝土。為了簡化分析過程，橫縱向均取7跨作為平面框架的計算模型。其中板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)的計算模型如圖1所示。

板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸 單位：mm

圖1 板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)計算模型

2 內(nèi)力對比分析

2.1 大型廣場工況內(nèi)力對比分析

按照《人民防空工程設(shè)計規(guī)范》[7](GB50225-2005)的規(guī)定，通過以上選取的計算模型分別計算平時工況板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)各位置彎矩值，如表2、表3所示。

從表2和表3可以看出：

(1) 地下空間人防結(jié)構(gòu)頂板采用板柱結(jié)構(gòu)的中間跨跨中正彎矩值比梁板結(jié)構(gòu)的正彎矩值小，其余位置均比梁板結(jié)構(gòu)的彎矩值大。產(chǎn)生這樣的結(jié)果是由于在中間跨的跨中位置，板柱結(jié)構(gòu)兩跨端的柱帽尺寸較大，能有效地縮短板跨，從而起到了降低跨中正彎矩值的效果。

在平時工況下，邊跨跨中板帶的差值范圍在19.18%～26.89%；邊跨柱上板帶相差-3.35%～27.73%；中間跨跨中板帶相差-5.74%～18.99%；中間跨柱上板帶相差-0.15%～24.56%；集中荷載作用的跨中板帶相差-7.92%～20.35%；集中荷載作用的柱上板帶相差-1.64%～28.44%。

表2 廣場平時工況板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)各位置彎矩值

表3 廣場戰(zhàn)時工況板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)各位置彎矩值

在戰(zhàn)時工況下，邊跨跨中板帶相差范圍19.76%～28.08%；邊跨柱上板帶相差-3.05%～24.36%；中間跨跨中板帶相差-4.63%～19.75%；中間跨柱上板帶相差-7.13%～25.48%；集中荷載作用的跨中板帶相差1.43%～20.60%；集中荷載作用的柱上板帶相差-0.48%～25.64%。

(2) 頂板采用板柱結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩的絕對值比用梁板結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩值大。

在平時工況下，對于墻邊支座，板柱結(jié)構(gòu)較梁板結(jié)構(gòu)柱上板帶的負(fù)彎矩值增長范圍在2.31%～60.90%；對于邊跨支座和中間跨支座，板柱結(jié)構(gòu)較梁板結(jié)構(gòu)邊跨柱上板帶增加77.64%～78.32%；中間跨柱上板帶增加74.79%～75.98%；集中荷載作用的柱上板帶增加76.94%～77.86%。

戰(zhàn)時工況下，對于墻邊支座，板柱結(jié)構(gòu)較梁板結(jié)構(gòu)柱上板帶的負(fù)彎矩值增加2.41%～61.05%；對于邊跨支座和中間跨支座，板柱結(jié)構(gòu)較梁板結(jié)構(gòu)邊跨柱上板帶增加72.37%～78.37%；中間跨柱上板帶增加76.38%～77.69%；集中荷載作用的柱上板帶增加76.75%～77.94%。

以上結(jié)果表明，除戰(zhàn)時工況下的跨中板帶負(fù)彎矩外。板柱結(jié)構(gòu)在平時、戰(zhàn)時工況下的負(fù)彎矩值均比梁板結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩值大，負(fù)彎矩峰值出現(xiàn)在柱頂位置，且柱上負(fù)彎矩值差值約在75%左右。

(3) 根據(jù)對比結(jié)果可知，采用板柱結(jié)構(gòu)的大型廣場下的地下空間人防結(jié)構(gòu)頂板，在平時工況和戰(zhàn)時工況下，各跨中板帶除中間跨跨中位置外，其余位置正彎矩值均比采用梁板結(jié)構(gòu)增加，增加值范圍在18.99%～28.08%內(nèi)，隨位置不同及荷載大小變化而變化。采用板柱結(jié)構(gòu)的彎矩較梁板樓蓋的大，且在集中荷載作用的位置板柱結(jié)構(gòu)的彎矩增加值較其他位置大。因此從受力性能角度考慮在無集中荷載作用的位置采用板柱結(jié)構(gòu)能起到降低跨中正彎矩降低板底正筋的用量；在上部有集中荷載作用的位置采用梁板結(jié)構(gòu)能有效的降低板底正彎矩值，從而降低鋼筋用量。在實際工程設(shè)計中可以考慮根據(jù)荷載大小及使用要求組合采用兩種頂板結(jié)構(gòu)以達到受力性能最佳的效果。

2.2 大型廣場工況內(nèi)撓度力對比分析

為便于下文敘述方便，對隔板帶的墻邊、邊跨跨中、邊跨支座、中間跨跨中、中間跨支座分別以1、2、3、4、5號位置表示。通過計算模型得到板柱結(jié)構(gòu)與梁板結(jié)構(gòu)的各位置位移值繪制曲線圖，見圖2～圖8。

由圖2可知，板柱結(jié)構(gòu)撓度由位置1～4逐漸增加，由位置4～5則減少，平時工況在位置4達到峰值為0.63 mm，戰(zhàn)時峰值為1.87 mm；雙向板樓蓋撓度由位置1～5逐漸增加在位置5平時工況達到峰值為0.75 mm，戰(zhàn)時為2.27 mm。兩種樓蓋的差值由位置1～5逐漸增加。

圖2 平時工況與戰(zhàn)時工況墻邊板帶各位置撓度值

由圖3可知，板柱結(jié)構(gòu)撓度由位置1～4逐漸增加，由位置4～5則減少，平時工況下峰值出現(xiàn)在位置4為3.01 mm，戰(zhàn)時峰值為5.02 mm；梁板結(jié)構(gòu)撓度由位置1～4逐漸增加，由位置4～5則減少，平時工況下峰值出現(xiàn)在位置5為3.82 mm，戰(zhàn)時為6.32 mm。兩種樓蓋的差值由位置1～5逐漸增加。

圖3 平時工況與戰(zhàn)時工況邊跨跨中板帶各位置撓度值

由圖4可知，板柱結(jié)構(gòu)和梁板結(jié)構(gòu)的撓度值均呈類M字型分布在位置2、4拐點。平時工況板柱結(jié)構(gòu)在位置2出現(xiàn)撓度峰值為3.04 mm，戰(zhàn)時為5.04 mm；平時工況下梁板結(jié)構(gòu)撓度峰值出現(xiàn)在位置4為3.82 mm，戰(zhàn)時為6.99 mm。兩種樓蓋的差值呈現(xiàn)波動，在位置4達到最大值平時工況為1.63 mm，戰(zhàn)時為2.67 mm。

圖4 平時工況與戰(zhàn)時工況邊跨柱上板帶各位置撓度值

由圖5可知，板柱結(jié)構(gòu)中間跨的撓度變化趨勢較梁板結(jié)構(gòu)平緩。平時工況板柱結(jié)構(gòu)在位置2出現(xiàn)撓度峰值為3.42 mm，戰(zhàn)時為5.65 mm；平時工況下梁板結(jié)構(gòu)撓度峰值出現(xiàn)在位置4為5.40 mm，戰(zhàn)時為8.76 mm。兩種樓蓋的差值最大值出現(xiàn)在位置4平時工況為1.90 mm，戰(zhàn)時為3.63 mm。

圖5 平時工況與戰(zhàn)時工況中間跨跨中板帶各位置撓度值

由圖6可知，板柱結(jié)構(gòu)和梁板結(jié)構(gòu)的撓度值均呈類M字型分布。平時工況板柱結(jié)構(gòu)在位置2出現(xiàn)撓度峰值為3.42 mm，戰(zhàn)時為5.65 mm；平時工況下梁板結(jié)構(gòu)撓度峰值出現(xiàn)在位置4為5.40 mm，戰(zhàn)時為8.76 mm。兩種樓蓋的差值呈現(xiàn)波動，在位置4達到最大值平時工況為2.20 mm，戰(zhàn)時為3.63 mm。

圖6 平時工況與戰(zhàn)時工況中間跨柱上板帶各位置撓度值

由圖7可知，板柱結(jié)構(gòu)的撓度變化趨勢較梁板結(jié)構(gòu)平緩。平時工況板柱結(jié)構(gòu)在位置4出現(xiàn)撓度峰值為4.64 mm，戰(zhàn)時為6.65 mm；平時工況下梁板結(jié)構(gòu)撓度峰值出現(xiàn)在位置4為7.22 mm，戰(zhàn)時為10.55 mm。兩種樓蓋的差值最大值出現(xiàn)在位置4平時工況為2.58 mm，戰(zhàn)時為3.90 mm。

圖7 平時工況與戰(zhàn)時工況集中荷載作用的跨中板帶各位置撓度值

由圖8可知，板柱結(jié)構(gòu)和梁板結(jié)構(gòu)的撓度值均呈類M字型分布。平時工況板柱結(jié)構(gòu)在位置2出現(xiàn)撓度峰值為3.1 mm，戰(zhàn)時為5.12 mm；平時工況下梁板結(jié)構(gòu)撓度峰值出現(xiàn)在位置4為4.98 mm，戰(zhàn)時為7.64 mm。兩種樓蓋的差值呈現(xiàn)波動，在位置4達到最大值平時工況為2.05 mm，戰(zhàn)時為3.13 mm。

圖8 平時工況與戰(zhàn)時工況集中荷載作用的柱上板帶各位置撓度值

3 結(jié) 論

本文對上部功能為大型廣場地下人防結(jié)構(gòu)頂板的受力和變形性能進行了詳細的分析對比并得出了一下結(jié)論：

(1) 板柱結(jié)構(gòu)在荷載變化時其彎矩值變化幅度較梁板結(jié)構(gòu)的明顯;

(2) 在上部有集中荷載作用的區(qū)域內(nèi)受力性能不及梁板結(jié)構(gòu)，但在撓度方面板柱結(jié)構(gòu)比梁板結(jié)構(gòu)變形更小;

(3) 板柱結(jié)構(gòu)作為地下人防結(jié)構(gòu)的頂板從受力性能方面考慮，其適用范圍較梁板結(jié)構(gòu)的更廣。

[1] Szilard R.板的理論和分析 經(jīng)典法和數(shù)值法[M].陳太平譯.北京:中國鐵道出版社,1984.

[2] 趙 宇.人防工程建設(shè)與城市地下空間開發(fā)利用相結(jié)合戰(zhàn)略及對策研究[D].重慶：重慶大學(xué),2004.

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Mechanical Behavior Comparison Between Slab Column Structure and Beam Slab Structure

LEI Hua1, XIANG Weiming2, HUANG Xin2

(1.GuangzhouCityPolytechnic,Guangzhou,Guangdong510006,China; 2.FacultyofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou,Guangdong510006,China)

This paper takes a project as an example, and selects reasonable plate column and beam slab structure calculation model of a large square in accordance with the relevant regulations to calculate the bearing capacity of normal condition and the components of wartime conditions roof, and the structure of two types of stress performance was analyzed and compared, and finally we summarized the application of the principle of human anti roof structure.

slab column structure; beam slab structure; mechanical behavior; analysis and comparison

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.043

2017-02-28

2017-03-21

雷 華(1976—)，男，湖南桂陽人，碩士，講師，主要從事BIM技術(shù)方面的工作。 E-mail：lyt2006@gcp.edu.cn。

TU398

A

1672—1144(2017)04—0217—06