自承重空心樓承板的靜力性能研究

郭延凱 周占學(xué) 常衛(wèi)華

1.河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000

2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院 北京 100013

伴隨建筑行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能要求越來越高。樓承板作為建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其靜力性能對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的整體性能與安全性具有重要意義。自承重空心樓承板作為一種新型的樓承板形式，具有自重輕、跨度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，目前對(duì)于自承重空心樓承板的靜力性能研究還不夠充分，缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與理論分析。因此，開展自承重空心樓承板的靜力性能研究具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文旨在深入研究自承重空心樓承板的靜力性能，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，探討其在不同載荷下的行為表現(xiàn)，為實(shí)際工程提供理論支持與實(shí)踐指導(dǎo)。同時(shí)，本研究還將關(guān)注樓承板的材料、構(gòu)造與連接方式等因素對(duì)其靜力性能的影響，以期推動(dòng)樓承板技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 自承重空心樓承板的構(gòu)造與特點(diǎn)

1.1 自承重空心樓承板的構(gòu)造組成

自承重空心樓承板主要由面板、底板、支撐肋、連接件等組成。其中，面板是樓承板的主要承載部分，通常采用高強(qiáng)度鋼材制成，具有良好的抗拉、抗壓與抗剪切性能[2]。底板的作用是傳遞荷載，通常采用鍍鋅鋼板或鋁板制成。支撐肋是用來增加樓承板的剛度與穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)件，可以采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。連接件則是將樓承板與其他結(jié)構(gòu)件連接起來，常用的連接方式有焊接、鉚釘連接等。

1.2 自承重空心樓承板的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

自承重空心樓承板具有以下顯著的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：第一，重量輕：由于采用了空心的構(gòu)造，自承重空心樓承板的重量較傳統(tǒng)的實(shí)心樓承板輕很多，大大降低了建筑物的總體重量，方便施工與運(yùn)輸[3]。第二，節(jié)省材料：空心設(shè)計(jì)使得自承重空心樓承板在達(dá)到相同承載能力的前提下，可以減少材料的使用量，降低成本。第三，節(jié)能環(huán)保：由于材料用量減少，相應(yīng)地減少了資源消耗與廢棄物的產(chǎn)生，符合節(jié)能環(huán)保的理念。第四，施工簡(jiǎn)便：自承重空心樓承板的安裝簡(jiǎn)便快捷，能夠減少施工時(shí)間與人力成本。第五，良好的隔音效果：空心的構(gòu)造具有一定的隔音作用，可以有效地減少噪音的傳播。第六，抗振性能好：由于自承重空心樓承板的構(gòu)造特點(diǎn)，其抗振性能較好，能夠承受較大的振動(dòng)與沖擊。

2 自承重空心樓承板的靜力性能分析

2.1 承載能力分析

承載能力是評(píng)價(jià)樓承板性能的重要指標(biāo)之一。自承重空心樓承板的承載能力主要取決于其構(gòu)造與材料的選擇。通過對(duì)自承重空心樓承板的承載能力進(jìn)行計(jì)算與分析，可以確定其在各種工況下的承載能力，從而為建筑設(shè)計(jì)與施工提供可靠的依據(jù)[4]。在承載能力分析中，需要考慮的因素包括樓承板的尺寸、厚度、支撐結(jié)構(gòu)的剛度與連接方式等。通過建立合理的計(jì)算模型，采用有限元分析方法能夠精確地計(jì)算出自承重空心樓承板的承載能力。

2.2 變形性能分析

變形性能是評(píng)價(jià)樓承板性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。自承重空心樓承板的變形性能主要取決于其構(gòu)造與材料的特性。在承受荷載時(shí)，自承重空心樓承板會(huì)產(chǎn)生一定的變形，包括彎曲變形、剪切變形與扭曲變形等[5]。通過對(duì)自承重空心樓承板的變形性能進(jìn)行計(jì)算與分析，可以確定其在各種工況下的變形量，從而為建筑設(shè)計(jì)與施工提供可靠的依據(jù)。在變形性能分析中，需要考慮的因素包括樓承板的尺寸、厚度、材料的彈性模量與泊松比等。通過建立合理的計(jì)算模型，采用有限元分析方法能夠精確地計(jì)算出自承重空心樓承板的變形性能。

2.3 應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)分析

應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)是評(píng)價(jià)樓承板性能的重要指標(biāo)之一。自承重空心樓承板的應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)主要取決于其構(gòu)造與材料的特性，以及所承受的荷載[6]。通過對(duì)自承重空心樓承板的應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算與分析，可以確定其在各種工況下的應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)，從而為建筑設(shè)計(jì)與施工提供可靠的依據(jù)。在應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)分析中，需要考慮的因素包括樓承板的尺寸、厚度、材料的彈性模量、泊松比與剪切模量等。通過建立合理的計(jì)算模型，采用有限元分析方法可以精確地計(jì)算出自承重空心樓承板的應(yīng)力分布與應(yīng)變狀態(tài)。

2.4 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)樓承板性能的重要指標(biāo)之一。自承重空心樓承板的穩(wěn)定性主要取決于其構(gòu)造與材料的特性，以及所承受的荷載。穩(wěn)定性分析重點(diǎn)包括整體穩(wěn)定性分析與局部穩(wěn)定性分析。整體穩(wěn)定性分析是指樓承板在承受荷載時(shí)保持整體穩(wěn)定的能力，而局部穩(wěn)定性分析是指樓承板在承受荷載時(shí)保持局部穩(wěn)定的能力。通過對(duì)自承重空心樓承板的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算與分析，可以確定其在各種工況下的穩(wěn)定性狀態(tài)，從而為建筑設(shè)計(jì)與施工提供可靠的依據(jù)。在穩(wěn)定性分析中，需要考慮的因素包括樓承板的尺寸、厚度、支撐結(jié)構(gòu)的剛度與連接方式等。通過建立合理的計(jì)算模型，采用有限元分析方法能夠精確地計(jì)算出自承重空心樓承板的穩(wěn)定性。

3 自承重空心樓承板的有限元模擬與分析

3.1 有限元理論及建模方法

有限元分析是一種數(shù)值分析方法，通過將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)簡(jiǎn)單的子單元，再通過這些子單元的組合來近似描述原結(jié)構(gòu)的性能[7]。有限元分析在工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，可以用于分析結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、熱、流體等性能。在有限元分析中，建模方法的選擇對(duì)于分析結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本文將采用三維實(shí)體單元對(duì)自承重空心樓承板進(jìn)行建模，以更好地模擬其實(shí)際受力狀態(tài)。

3.2 自承重空心樓承板的有限元模型建立

在建立自承重空心樓承板的有限元模型時(shí)，我們首先需要選擇合適的有限元分析軟件。常用的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS與SAP等。這些軟件都具備強(qiáng)大的建模與分析功能，能夠模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與多種物理場(chǎng)。在建立模型的過程中，我們需要根據(jù)自承重空心樓承板的實(shí)際尺寸與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行建模[8]。由于自承重空心樓承板的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，我們需要采用高階的有限元模型進(jìn)行模擬。例如，可以采用四邊形薄殼單元或六面體實(shí)體單元進(jìn)行建模。同時(shí)，為了更好地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，我們還需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，忽略一些次要的細(xì)節(jié)。在建立好模型之后，我們需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的精度直接影響到模擬結(jié)果的精度與計(jì)算效率。因此，我們需要根據(jù)自承重空心樓承板的尺寸與受力特點(diǎn)，選擇合適的網(wǎng)格大小與密度。在保證計(jì)算精度的前提下，還需要考慮計(jì)算效率的問題。在完成建模與網(wǎng)格劃分后，我們需要為模型施加約束與載荷。根據(jù)自承重空心樓承板的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，我們需要對(duì)模型施加相應(yīng)的約束與載荷。例如，在樓板的邊緣施加固定約束，在樓板上施加均布載荷或集中載荷等。施加的約束與載荷應(yīng)該與實(shí)際情況相符，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 不同工況下的靜力性能分析

在完成自承重空心樓承板的有限元模型建立后，我們可以通過改變約束與載荷來模擬不同工況下的靜力性能[9]。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，常見的工況包括：均布載荷、集中載荷、邊緣固定約束、自由邊界等。在均布載荷工況下，我們將均布載荷施加在自承重空心樓承板上，并觀察樓承板的變形與應(yīng)力分布情況。通過分析這些結(jié)果，我們能夠了解樓承板在不同均布載荷下的承載能力與穩(wěn)定性。在集中載荷工況下，我們將集中載荷施加在自承重空心樓承板的某一位置上，并觀察樓承板的變形與應(yīng)力分布情況。通過分析這些結(jié)果，我們可以了解樓承板在不同集中載荷下的承載能力與穩(wěn)定性。在邊緣固定約束工況下，我們將固定約束施加在自承重空心樓承板的邊緣上，并觀察樓承板的變形與應(yīng)力分布情況。通過分析這些結(jié)果，我們能夠了解樓承板在不同邊緣約束下的承載能力與穩(wěn)定性。在自由邊界工況下，我們將自由邊界施加在自承重空心樓承板的四周，并觀察樓承板的變形與應(yīng)力分布情況。通過分析這些結(jié)果，我們可以了解樓承板在不同自由邊界下的承載能力與穩(wěn)定性。通過對(duì)比不同工況下的模擬結(jié)果，我們能夠得到自承重空心樓承板在不同約束與載荷下的靜力性能表現(xiàn)。這些結(jié)果可以為自承重空心樓承板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。

4 自承重空心樓承板的工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

某市一大型商業(yè)中心建筑面積達(dá)10萬平方米，為了滿足建筑功能與結(jié)構(gòu)安全性的要求，設(shè)計(jì)采用了自承重空心樓承板。設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：第一，承載能力：根據(jù)樓板的跨度、厚度與活荷載的大小，計(jì)算出自承重空心樓承板的承載能力，確保其能夠滿足建筑的使用要求。第二，剛度要求：為了確保樓承板的正常使用，需要滿足一定的剛度要求，避免出現(xiàn)過大變形與裂縫。第三，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：節(jié)點(diǎn)是樓承板的關(guān)鍵部位，需要采取有效的措施，保證節(jié)點(diǎn)的連接牢固性與整體穩(wěn)定性。第四，防火性能：自承重空心樓承板應(yīng)具有良好的防火性能，能夠滿足建筑物的防火要求。

4.2 施工工藝與技術(shù)要求

在施工過程中，自承重空心樓承板的施工工藝與技術(shù)要求主要包括以下幾個(gè)方面：第一，施工準(zhǔn)備：在施工前，應(yīng)仔細(xì)檢查樓承板的幾何尺寸、材料質(zhì)量以及施工環(huán)境等，確保符合施工要求[10]。第二，支撐體系：為了確保樓承板的穩(wěn)定性與承載能力，應(yīng)設(shè)置可靠的支撐體系。支撐體系的間距與高度應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定，并在施工過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)整。第三，鋪設(shè)與固定：將自承重空心樓承板按照設(shè)計(jì)圖紙的要求進(jìn)行鋪設(shè)與固定，確保其位置準(zhǔn)確、平整度良好。在鋪設(shè)過程中，應(yīng)注意避免硬物碰撞、劃傷或損壞樓承板。第四，鋼筋安裝：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在樓承板上安裝鋼筋網(wǎng)或鋼筋骨架，確保其位置準(zhǔn)確、牢固可靠。鋼筋安裝時(shí)應(yīng)遵循相應(yīng)的施工規(guī)范與技術(shù)要求。第五，混凝土澆筑：在澆筑混凝土前，應(yīng)確保樓承板的表面干燥、潔凈，無油漬與其他雜質(zhì)。澆筑時(shí)應(yīng)分層進(jìn)行，控制好混凝土的坍落度與澆筑厚度，確?；炷撩軐?shí)度與質(zhì)量符合要求。澆筑完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防止出現(xiàn)裂縫與損壞。第六，質(zhì)量檢測(cè)：在施工過程中，應(yīng)對(duì)自承重空心樓承板的施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與控制，確保其承載能力與安全性符合設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)內(nèi)容包括幾何尺寸、平整度、鋼筋安裝質(zhì)量、混凝土強(qiáng)度等。

4.3 靜力性能測(cè)試與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了評(píng)估自承重空心樓承板的靜力性能，對(duì)某市大型商業(yè)中心項(xiàng)目中的自承重空心樓承板進(jìn)行了靜力性能測(cè)試與監(jiān)測(cè)[11]。測(cè)試內(nèi)容包括承載能力、剛度與變形等方面。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

首先，自承重空心樓承板具有較高的承載能力，能夠滿足建筑的使用要求；其次，在正常使用狀態(tài)下，樓承板的剛度表現(xiàn)良好，沒有出現(xiàn)過大變形與裂縫；再次，在施工與使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接的牢固性與整體穩(wěn)定性；最后，需要進(jìn)一步研究與改進(jìn)防火性能方面的技術(shù)措施。

5 結(jié)語

本文對(duì)自承重空心樓承板的構(gòu)造與特點(diǎn)、自承重空心樓承板的靜力性能、自承重空心樓承板的有限元模擬、自承重空心樓承板的工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了深入研究。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明自承重空心樓承板具有較好的承載能力與剛度，能夠滿足一般樓板的使用要求。同時(shí)，該樓承板具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低建筑物的整體重量，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，自承重空心樓承板的施工簡(jiǎn)便，可大幅度縮短施工周期，降低工程成本。研究結(jié)果為自承重空心樓承板在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。未來，可進(jìn)一步研究自承重空心樓承板的疲勞性能、動(dòng)力性能與優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，為推動(dòng)其更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展作出貢獻(xiàn)。