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19現澆空心板建模和設計 -2016.6

發布時間:2016-06-27

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現澆空心板建模和設計

現澆空心板是近年來流行的一種新型樓板結構形式,常用于對梁高有限制的樓層。前幾年頒布了現澆空心板的設計規程,更推動了這種結構的廣泛應用。由于沒有合適的計算軟件,現澆空心板的設計成為難點問題之一。

YJK在建模中可把暗梁當做普通梁輸入,并設置了專門的現澆空心板布置菜單;在上部結構計算中按照普通梁方式計算暗梁、按照樓板有限元方式計算現澆空心板,并給出空心板肋梁的內力和配筋;在梁的施工圖中畫出暗梁和肋梁的配筋的平法施工圖。

有的用戶將現澆空心板用密肋梁模型計算,造成梁的數量太多,計算效率低且經常計算容量不夠,況且密肋梁模型不能考慮薄板部分的貢獻。大家已經共識:使用密肋梁模型計算的配筋結果配筋偏大很多。

YJK使用細分的彈性板有限元(殼元)模型計算現澆空心板,對板元按考慮了空心部分的折算剛度計算,然后對彈性板計算結果積分成肋梁的彎矩和剪力,再對肋梁進行配筋設計,因此對現澆空心板最終的計算結果是肋梁的內力和配筋。

1? 在建模的樓板布置菜單下設置現澆空心板的布置菜單

1、暗梁按照普通梁輸入

柱之間一般設置暗梁,對暗梁應按照普通梁輸入。

2、布置空心板

現澆空心板是在現澆的樓板內嵌入預制的空心箱體或塊體。這里可輸入的現澆空心板類型可采用空心的箱體,箱體下可以設板,也可以沒有板。

用戶利用這里的菜單進行現澆空心樓板的布置、刪除操作。

程序支持內模采用空心的箱體的現澆空心樓板,箱體下可以設板,也可以沒有板,有板時肋梁為工形截面,無板時肋梁為T形截面。

需要先運行生成樓板命令,在房間上生成現澆板信息。

現澆空心板布置分為定義類型和在房間布置兩步操作。

點擊布置空心板菜單,彈出布置對話框;點擊添加按鈕,首先定義空心板類型,彈出空心板定義界面,如圖所示。選擇內模截面類型,定義相關的尺寸數據,點擊確定定義完成。

空心樓板定義

截面類型分為箱芯和T種;

現澆樓板的總厚度由箱體高度、板頂厚度、板底厚度相加組成。

空心板布置時的對話框如下圖:

空心板洞布置參數

布置空心板既可逐個房間布置,又可以拉開窗口成批布置,成批布置時對于非矩形房間,用戶可在參數中設定空心板排布的角度。

非整箱體位置:當不能按照箱體整數個數排塊時,軟件將設置部分箱體尺寸的塊尺寸,稱這種部分尺寸的箱體為非整箱體。這里的參數用來設置非整箱體排放的位置是在房間中部還是端部,如下圖;

aX、Y向居中(bX、Y向末端

非整箱體位置示意圖

排塊起始距離:第一個排塊和邊梁(墻)的距離,它既可以從房間左邊(下邊)起始,又可以從房間右邊(上邊)起始;

房間為矩形時,排塊的起始點和方向是明確的,但當房間為非矩形房間時,還需要用戶增加排塊方向和起始點的設置。軟件會提示用戶先選擇樓板一條邊為基線,模型中用黃色加粗線顯示,然后再選擇樓板一點做為排塊起點。如下圖是一個非矩形房間的空心板布置。

下圖為布置了現澆空心板的某層平面。

3、現澆空心板布置時增加實心板區域參數

為了將主梁和肋梁梁端部鋼筋放置一部分在柱周圍的實心區域,增加參數控制實心區域的大小,提供兩個選項:一個箱體區域和用戶指定尺寸的區域,以前軟件按照一個箱體的尺寸設置實心板區域,現在用戶指定尺寸的區域如果大于一個箱體的尺寸,則第一根肋梁梁端的部分鋼筋就可以放置到板的實心區域。

4、刪空心板

刪除指定房間的空心樓板,用之前的現澆實心板替換。

5、軟件可自動計算現澆空心板的自重

軟件可以自動計算現澆空心板的自重,按照等厚實心板體積減去箱體部分體積計算出一個板面均布恒荷載,沒有考慮板中填充砌塊的重量。

用戶應注意:在荷載參數設置中是否計算樓板自重的選項也起作用,如果用戶選擇不自動生成板自重,而在輸入的房間恒載中包含板自重時,軟件不會自動做現澆空心板自重計算。

2? 對支撐現澆空心板的主梁的計算

對支撐現澆空心板的主梁或者實心梁的計算將在上部結構計算中完成,因此對于主梁是進行了所有工況及組合的設計計算的。但用戶應注意以下幾點:

1. 對現澆空心板樓板設置彈性板3或彈性板6

對現澆空心板樓板應設置成彈性板3或者彈性板6,采用彈性板的單元尺寸為計算參數中隱含的1,并勾選參數梁與彈性板變形協調。

現澆空心板樓板按照彈性板3或者彈性板6計算,這種計算模式將使樓板和梁變形協調,共同承擔荷載??紤]到暗梁截面高度一般較小,按彈性板3或彈性板6計算,是彈性樓板和暗梁共同作用承擔各種荷載的力學模型,這樣可使暗梁本身的配筋更加經濟合理。彈性板3不考慮板的面內變形,僅能考慮面外剛度;彈性板6是殼元模型,即可考慮板的面內、又可考慮板的面外變形。不能選擇彈性膜模型,因為彈性膜僅有面內剛度,沒有面外剛度。

為了保證彈性板與梁變形協調,應勾選參數梁與彈性板變形協調,這樣梁的中間節點和板的中間節點是聯系在一起工作的。但是,如果不勾選這個參數,板只在梁端節點和梁連接,不能發揮出板和梁共同工作的能力。

反之,如果采用軟件默認的對平面樓板的剛性板假定計算,相當于由暗梁獨自承擔外荷載,計算結果的暗梁內力和配筋將大得多。

2. 計算參數的彈性板荷載計算方式應選擇有限元方式

計算參數的彈性板荷載計算方式有兩個選項:平面導荷方式和有限元計算方式。平面導荷方式就是以前的處理方式,作用在各房間樓板上恒活面荷載被導算到了房間周邊的梁或者墻上,在上部結構的考慮彈性板的計算中,彈性板上已經沒有作用豎向荷載,起作用的僅是彈性板的面內剛度和面外剛度,這樣的工作方式不符合樓板實際的工作狀況。

有限元方式是在上部結構計算時,恒活面荷載直接作用在彈性樓板上,不被導算到周邊的梁墻上,板上的荷載是通過板的有限元計算才能導算到周邊桿件。

經有限元計算板上荷載不僅傳到周邊梁墻,也同時傳給柱,換句話說柱的受力增加,梁承受的荷載將減少。特別是平面導荷方式傳給周邊梁墻的荷載只有豎向荷載,沒有彎矩,而有限元計算方式傳給梁墻的不僅有豎向荷載,還有墻的面外彎矩和梁的扭矩,對于邊梁或邊墻這種彎矩和扭矩常是不應忽略的。

由于實心梁的截面尺寸一般不大,整個樓板類似于無梁樓蓋結構,因此應按照有限元計算方式計算彈性板。這樣處理比平面導荷方式一般將增大柱的受力并減少實心梁的受力。

3. 有柱帽時YJK可對暗梁在柱帽的位置自動加腋

如果用戶在柱上布置了柱帽,建模退出時,軟件設置了選項:柱帽處自動生成梁加腋。

如果用戶勾選了此項,則軟件自動在暗梁有柱帽的一端設置與柱帽尺寸關聯的梁加腋,這樣的暗梁在計算時將按照加腋梁進行計算。

YJK設置這樣的選項,是考慮到暗梁的截面高度偏小,跨度較大、樓面荷載較大,梁在支座端部配筋時,單獨按照暗梁本身的截面高度可能造成梁的超筋超限的結果。柱帽客觀存在,暗梁在荷載較大、跨度較大時對梁端按照柱帽的高度設計符合實際情況,是合理的。

在彈性板6計算模式下,暗梁承擔的內力是根據暗梁與周圍彈性板比例計算得出的,暗梁相對剛度越大,內力越大,因此暗梁不加腋得出的梁端內力比加腋要小很多。

當然,YJK對于有柱帽的暗梁是否設置端部加腋,是一個選項,如果用戶有其他考慮也可以不勾選該項。

4. 梁施工圖中對空心板體系功能調整

考慮到主梁的梁端配筋較大,將它們配筋的一部分放到板的實心區域可避免梁端截面內實配鋼筋過多,因此軟件對主梁支座負筋的計算面積取自實心板區邊緣截面,而原來是取自柱邊緣。實心板區內多出來的計算面積,由實心板區上配置的附加分布面筋承擔。

靠近柱的第一根肋梁梁端的配筋也比其它肋梁大,當用戶指定尺寸的區域如果大于一個箱體的尺寸時,軟件可將第一根肋梁與其它肋梁實配鋼筋的差異部分放到板的實心區域配置,就可以實現第一根肋梁與其它肋梁的歸并,從而減少肋梁的類型。因此軟件將按其它肋梁的最大支座配筋配置第一根肋梁鋼筋,第一根肋梁多出來的計算配筋也配置到板的實心區域。

為此,梁的施工圖增加了實心板區面筋的自動選配和自動標注。

如下例為現澆空心板梁的平法施工圖,軟件在布置了現澆空心板、且沒有柱帽的的情況下,在柱上的實心部位自動標注了橫向的C14@100和豎向的C14@100。

3? 對現澆空心板的計算提供了兩種模型

YJK目前沒有在上部結構計算時直接求解現澆空心板部分,而是對它按照另外的單層模型計算,有幾層布置了現澆空心板就計算幾次。單層模型上只布置了恒載、活載或人防荷載,而且默認的單元尺寸為0.5米,比上部結構彈性板尺寸小,和樓板施工圖中的有限元算法單元尺寸相同。

上部結構計算和單層的空心板計算這兩部分連續進行,且現澆空心板的結果和上部結構在一起輸出,因此用戶感覺不到分開的步驟。

軟件對箱體的現澆空心板的計算提供了兩種模型:

1. 按照密肋梁計算

將箱體之間的肋轉化成工形截面或者T型截面的肋梁,肋梁翼緣的寬度取肋梁間距的一半,每個房間形成小的交叉梁系,房間周圍的梁是肋梁的彈性支座(如果是墻則為豎向不動支座),各個相鄰房間的交叉梁系互相連接,再加上樓層的樓面梁共同形成全層的交叉梁體系。軟件按照這樣的模型計算樓板上的恒載和活載,沒有考慮風荷載和地震作用。當箱體下有板時肋梁為工形截面,無板時肋梁為T形截面。計算結構給出肋梁的內力和配筋。在配筋結果文件中輸出肋梁的工形或者T型截面的詳細尺寸。

肋梁為T形截面時肋梁的配筋全都配置在肋梁內,但對工形截面肋梁的配筋既可配置在肋梁上,又可配置在箱體上下板內。軟件給出肋梁和翼緣的配筋比例參數,由用戶填寫。

在梁的平法施工圖中可以同時對肋梁畫出平法施工圖,肋梁部分是按照平法標準圖的井字梁的畫圖規則實現的。

計算結果中對各房間周圍的樓面梁仍是按照上部結構全樓計算的結果輸出。它們雖然參與了肋梁的整體計算,但這樣計算的結果只給肋梁用,樓面梁本身不用。

2. 按照樓板的有限元計算

軟件按照彈性樓板的有限單元法計算,在空心板處考慮了空心板的因素取用樓板的折算剛度,計算折算剛度的公式取自現澆空心板設計規范。而在暗梁處、柱周圍的實心區處按照實心板計算,對于柱帽處,按照變厚度的不同板單元計算。而且在板的計算中把暗梁當做板的一部分,為了避免剛度重復計算,忽略了暗梁作為梁桿件單元的剛度。

軟件對每層的現澆空心板按照單層的計算模型計算,只考慮了板上作用恒、活面、人防荷載的情況,沒有考慮其它荷載工況。單元尺寸采用的默認值是0.5米,比上部結構彈性板的尺寸小很多。

軟件對樓板的有限元計算結果積分為肋梁的彎矩,仍是以肋梁為單位輸出彎矩和配筋。輸出內力和配筋的形式和第一種按照密肋梁計算模式相同。

4? 在上部結構計算中嵌入現澆空心板的計算

1. 計算參數的設置

在上部結構計算的設計計算部分中同時進行了現澆空心板的計算,在上部結構計算的參數中設置了是否計算現澆空心板的選項和對現澆空心板按照交叉梁系計算板有限元法計算的選項。

如果布置了現澆空心板,并且在計算參數中勾選了計算現澆空心板,則軟件在上部結構計算過程中自動嵌入現澆空心板的計算?,F澆空心板的計算以布置了現澆空心板的樓層為單元進行。

但是,與主梁是進行了所有工況及組合的設計計算不同,軟件對現澆空心板僅進行了恒載活載的計算。

2. 肋梁計算結果的輸出

在上部結構計算完成后,設計結果的各項輸出中將自動包含現澆空心板肋梁的內容。如下面的配筋簡圖中,在普通柱、梁、墻柱的配筋之外還出現了肋梁的配筋。

在各層配筋計算文件中,對于有現澆空心板的樓層,增加了肋梁的配筋,其中包括肋梁的工形或者T形截面的詳細尺寸。

3. 現澆空心板有限元計算結果查看

現澆空心板有限元計算結果是肋梁的基礎數據,如果用戶需要查看,可在等值線菜單下,點取空心板項,這項是專門為以單層模型計算的現澆空心板準備的。

這里可查看各單元的單工況內力、組合內力和配筋。

在梁的平法施工圖中可同時畫出肋梁的配筋圖。

5? 交叉梁法和有限元法結果比較

板交叉梁法(上)和有限元法計算配筋對比,可以看出,兩種計算模型的結果非常相近。

6? 與佳構軟件Strat的結果比較

1. 對比工程

空心板厚400mm,均布恒載10kN/m2,中間實心板帶寬1000mm,周邊實心板帶寬600mm,箱體尺寸1000mm*1000mm,肋梁寬100mm,板頂、板頂厚50mm。如下圖

2. 樓板正彎矩

取其中一個房間結果對比,上為Strat結果,下為YJK結果。

樓板正彎矩

結論:兩個軟件跨中正彎矩差異不大

3. 樓板支座負彎矩(對比右上角板8根橫向肋梁,標號從上向下)

肋梁編號

佳構STRAT

盈建科YJK

差異率

1

(-114kN.m)

(-110kN.m)

3.6%

2

(-59kN.m)

(-49kN.m)

20.4%

3

(-35kN.m)

(-31kN.m)

12.9%

4

(-25kN.m)

(-22kN.m)

13.6%

5

(-27kN.m)

(-32kN.m)

-18.5%

6

(-41kN.m)

(-42kN.m)

-2.4%

7

(-64kN.m)

(-65kN.m)

-1.56%

8

(-120kN.m)

(-130kN.m)

-8.3%

結論:樓板支座負彎矩兩個軟件結果基本一致

4. 肋梁彎矩

YJK軟件采用沿樓板寬度方向積分的方式確定肋梁彎矩(STRAT無法查看肋梁彎矩),具體來說,兩根肋梁之間的距離就是肋梁的積分寬度,軟件把肋梁積分寬度內的各單元內力進行積分,就得出了肋梁的內力。

1號肋梁支座彎矩:-123.2kN..m

2號肋梁支座彎矩:-53.8kN.m

3號肋梁支座彎矩:-29.6kN.m

4號肋梁支座彎矩:-24.1kN.m

5號肋梁支座彎矩:-26.6kN.m

6號肋梁支座彎矩:-43.6kN.m

7號肋梁支座彎矩:-80kN.m

8號肋梁支座彎矩:-151kN.m

5. 配筋

兩個軟件配筋計算結果有一定的差異,但Strat從單元彎矩直接給出肋梁的配筋,缺少中間過程。YJK給出了肋梁的彎矩,用戶可根據肋梁彎矩及截面尺寸,采用工具箱軟件復核。

7? 布置柱帽時的計算

1. 對布置柱帽的樓板自動按照有限元法計算

當現澆空心板結構布置柱帽時,軟件判斷有柱帽存在時將按照有限元法計算整層樓板,即便用戶前面選擇了肋梁法計算,程序仍將計算方式強制改為有限元法計算,因為有限元方法才能準確計算厚度和剛度有變化的板。

板有限元計算時對于柱帽部分的單元可以考慮柱帽的實際厚度。由于柱帽是實心板,對這部分單元的剛度不作考慮空心板的折減。

2. 柱帽處肋梁的配筋給到柱帽邊緣處

和柱帽相交的肋梁,其配筋結果將只給到柱帽邊緣處,不再給出柱帽內部的部分。

3. 柱帽本身的配筋查看板有限元結果

對于柱帽本身的配筋,可以在設計結果的等值線菜單下查看空心板內力和配筋的等值線,根據計算配筋復核柱帽在施工圖上的局部補強鋼筋。

8 空心樓蓋體系施工圖

1、在梁施工圖菜單下出圖

現澆空心板肋梁及實心板區補強筋的施工圖在梁施工圖菜單下完成,YJK對肋梁按照普通次梁的方式畫施工圖,在梁的平法圖中,同時畫出暗梁和肋梁的配筋。

施工圖一般由四部分組成:

1)暗梁配筋,按照普通框架梁的標注方式標注;

2)肋梁配筋,按照次梁的標注方式標注,并用名稱“BL”標識;

3)柱帽或者實心區的局部補強配筋,標注直徑和間距,畫出鋼筋線表示分布范圍。

柱帽或者實心區的局部補強鋼筋,是根據這部分有限元計算結果減去伸入實心區所有暗梁和肋梁的實配鋼筋面積后的面積得出的;

4)空心樓板上下面板的分布鋼筋,在該施工圖的說明中寫出,它是根據梁施工圖參數中的設置給出的。

上面1)、2)中肋梁的實配鋼筋,是根據肋梁的鋼筋計算結果減去上下面板中的分布鋼筋后的數值選定的。

2、空心樓蓋肋梁選筋參數

在梁施工圖參數的最后一頁,設置了現澆空心板樓蓋肋梁的選筋參數,內容有選筋放大系數、肋梁上筋和下筋分別的選筋庫、肋梁上筋和下筋分別的優選鋼筋直徑、空心板上下面板的分布鋼筋設置、實心板區的配筋等。

用戶應重點設置參數中的空心板上下面板的分布鋼筋。

其中參數空心樓蓋實心板區配筋3個選項:不設計就是不設置這部分的局部補強鋼筋;只設計無柱帽板區就是只在無柱帽的時候才配置局部補強鋼筋;全部設計就是對有柱帽和無柱帽時都設置局部補強鋼筋。

3、暗梁及肋梁選筋技術條件

暗梁及與實心板區相交的肋梁,在配筋包絡圖上取梁與實心板區邊界相交位置處的面積作為支座負筋的面積,如下圖所示。

如果在選筋參數中填寫了空心樓蓋板面面筋和板底筋,則在選擇肋梁縱筋時,會首先從計算面積中扣除板分布筋的配筋面積,余下部分配置在肋梁中。板分布筋的范圍取為梁左右兩側各半個箱體寬度。在施工圖中顯示計算面積時,會將肋梁縱筋實配面積顯示為XXX +YYY的形式,其中XXX為配置在肋梁中的縱筋面積,YYY為程序自動計入的板分布筋面積,校核時,只要保證二者之和大于計算面積即可。

空心樓蓋計算時,軟件會在有柱帽的暗梁根部自動加腋。此腋只是在計算時起到模擬柱帽剛度的作用,并不是真實存在的梁腋。因此施工圖設計時不會為自動加腋配置腋部底筋。

現階段沒有權威規范規定空心樓蓋肋梁的箍筋應該如何設計??招臉巧w體系整體性較強,其抗剪承載力的形成機制與普通梁有較大區別,按照普通梁計算公式得到的配箍面積過于保守;完全按照構造配箍又可能偏不安全。因此軟件現階段不進行肋梁的箍筋設計,需要用戶根據自身設計經驗補充肋梁箍筋標注。

4、實心板區補強筋選筋技術條件

空心樓蓋在柱附近的實心板區通常存在有較大的板面拉應力,即通常所說的應力島。如果直接使用梁支座負筋來承擔此區域內的拉應力,通常導致應力島附近的肋梁及框架梁負筋偏大。因此實際設計中通常在此區域內配置額外的板面補強筋,與梁負筋一起承擔拉應力。? YJK軟件梁施工圖可以自動設計實心板區的補強筋,具體流程為:

1、????? 根據計算結果獲得實心板區X向的總計算配筋面積及Y向的總計算配筋面積。根據空心樓蓋計算方法的不同,此處的處理方式也不同,下文將詳細論述。

2、????? 總計算配筋確定后,減去伸入實心板區的暗梁、肋梁負筋,即為板面補強筋所需面積,此面積值除以板區尺寸,可以得到每延米內補強筋所需面積。

3、????? 根據每延米所需配筋面積,確定合適的補強筋直徑及間距。補強筋強度等級與梁筋強度等級一致。

空心板有交叉梁法板有限元法兩種計算方法。根據空心板計算方法的不同,實心板區補強筋計算面積的獲得方法也不同。

當采用交叉梁法計算空心樓板時,首先取得通過實心板區的每根暗梁和肋梁的負筋計算面積最大值,然后將所有沿X向梁的負筋面積相加,得到板區X向鋼筋的總計算配筋面積;將所有沿Y向梁的負筋面積相加,得到板區Y向鋼筋的總計算配筋面積。由于暗梁和肋梁本身的負筋是取自實心板區邊緣的計算面積,因此實心板區總配筋面積還是要比梁負筋要多的。

當采用板有限元法計算空心板時,軟件根據板單元的計算結果確定板區配筋面積,其具體計算流程如下:

1、????? 根據板元的內力,為每個板單元計算出X向、Y向配筋值

2、????? 讀取單元中心位于實心板區內但不在柱輪廓范圍內的板元配筋值。

3、????? 根據單元中心在板區局部坐標系內的坐標,將單元排成行、列。

4、????? 同一列內的單元X向配筋值取平均,取各列平均值中最大的一個做為板區X向配筋計算面積;同一行內的單元Y向配筋值取平均,取各行平均值中最大的一個做為板區Y向配筋計算面積。

5、????? 步驟4得到的配筋面積為每延米的面積,乘以板區尺寸,即可得到實心板區總計算面積。下圖為X向板區配筋面積的計算過程示意,Y向計算過程與之類似。

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