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05彈性板設計改進及梁的設計優化-2016.6

發布時間:2016-06-28

 

彈性板設計改進及梁的設計優化

在上部結構計算中,軟件樓板的計算模型提供剛性板、彈性膜、彈性板3、彈性板6四種計算模型。彈性膜只有面內剛度、無面外剛度;彈性板3只有面外剛度,面內剛度無窮大;彈性板6殼單元,既有面內剛度又有面外剛度。

一、默認的平板剛性板和斜板彈性膜

1、默認的平板剛性板

軟件自動將同平面的、有厚度的(厚度可以不同)、連續的水平平板合并成一個剛性板塊,并采用剛性樓板假定來計算,同一層可以有多個剛性板塊。

在前處理的計算簡圖菜單上,勾選剛性板主從關系項后,樓板位置出現一張綠軸網線,他從平面質心發源,通過網線聯系同層平板的所有節點。這個網表現的是一種約束,他約束了所有連接的彈性節點,使他們之間沒有相對變形,整張網聯系的平面只能整體地平動和轉動,如圖3.7.1所示。通過這種網線表現剛性板是一般通用有限元軟件常用的方式。

3.7.1 墻面外荷載定義與布置

可以看出,剛性板計算模型只是確立了板周邊節點的剛性約束關系,并無一個明確的剛性板塊存在。剛性樓板的計算模型是樓板平面內剛度無限大,平面外剛度為零。

在采用剛性樓板假定進行整體分析時,每塊剛性樓板在水平面內做剛體運動。除剛性板主節點外,其余每個節點的獨立自由度只剩下3個,即繞X、Y方向的轉角、和Z方向位移,而X、Y方向平動以及繞Z方向的轉動由主節點自由度確定。

采用上述假設后,結構分析的自由度數目大大減少,使計算過程和計算結果的分析大為簡化,并在過去的大多數工程分析采用而成為傳統的設計習慣。

但是,由于假定樓板內的節點沒有相對水平位移,也即樓板內的梁等桿件的軸向變形為零,因此無法得出這些構件的軸力。

全房間洞和板厚為零的樓板均不參與生成剛性樓板,軟件將忽略在建模中輸入的房間內的樓板開洞。

2、錯層樓板生成分開的剛性板

錯層結構將在不同的標高處各自生成剛性板塊,軟件可以自動搜索到不同標高處的樓板,各自形成剛性板塊,如圖3.7.2所示。

3.7.2 錯層樓板計算模型

3、全樓剛性板假定下的計算模型

在全樓剛性板假定參數被勾選時,軟件將對同一標高處的剛性板、彈性板和孤立的柱、撐部分都用剛性板假定約束,但是對于錯層結構分開的樓板仍分別設置為不同的剛性板。

對于沒有設置彈性板、沒有孤立的柱、撐的平面,全層剛性板假定的計算模型和默認的計算模型是相同的。

4、對坡屋面板等斜板默認設置為彈性膜

由于坡屋面、斜板周邊梁不在同一標高處,軟件不可能用剛性板去約束這些梁,設置彈性膜可以有效地約束這些梁的受力,使梁的計算內力更符合實際的受力狀況。沒有彈性板約束的這些斜梁的內力配筋結果可能異常地大。

5、應人工設置彈性板的情況

《高規》3.4.6條規定:當樓板平面比較狹長、有較大的凹入和開洞而使樓板有較大削弱時,應在設計中考慮樓板削弱產生的不利影響。5.1.5條進一步規定:當樓板會產生較明顯的面內變形時,計算時應考慮樓板的面內變形或對采用樓板面內無限剛性假定計算方法的計算結果進行適當調整。

對于復雜樓板形狀的結構工程,如樓板有效寬度較窄的環形樓面或其他有大開洞樓面、有狹長外伸段樓面、局部變窄產生薄弱連接的樓面、連體結構的狹長連接體樓面等部位,樓板面內剛度有較大削弱且不均勻,樓板的面內變形可能會使樓層內抗側剛度較小的構件的位移和內力加大相對剛性樓板假定而言,計算時應考慮樓板面內變形的影響。

有時在梁的設計中需要考慮梁的軸力,當梁的周圍都是剛性板時計算將得不出梁的實際軸力,這種情況下這些梁的周圍必須設置成考慮板面內變形的彈性樓計算模型。

考慮溫度荷載應將樓板設置為彈性板彈性膜或者彈性板6,不能為彈性板3),否則梁在溫度荷載下的的伸縮變形將受到剛性板的約束,并使梁產生異常大的軸力導致計算結果不合理。

對于轉換層中的梁,在設計中應考慮梁受拉力的情況。為此,用戶一般應將轉換層全層設置成彈性膜或彈性板6。

二、YJK大大提升的計算能力為彈性板6的擴大應用創造了條件

剛性板是一種近似計算的模型,他使結構分析的自由度數目大大減少,但這種模型忽略了樓板本身可以作為結構受力構件的能力,剛性板相當于把樓板只當做約束,而完全忽略了樓板平面外的抗彎承載能力。即便彈性膜計算模型,也把樓板平面外的抗彎承載能力忽略掉了。

彈性板6殼單元,既有面內剛度又有面外剛度,這是最符合樓板實際狀況的力學模型,并可發揮樓板的平面外的抗彎承載能力。彈性板6比剛性板模型增加計算自由度數4左右,比彈性膜、彈性板3的計算自由度數也增加很多。

YJK大大提升了結構計算軟件的計算能力,把軟件支持的自由度數量提高了十幾倍或幾十倍,并極大地提高了計算速度,從而使軟件的有限元計算能力得到很大提升。再配合高質量的有限元劃分,為彈性板6的普遍應用創造了條件。

三、較厚樓板應采用彈性板6計算

結構計算時對樓板較厚(如大于150mm時)的板應將其設置為彈性板3(厚板單元)或者彈性板6(殼元)計算,這是梁板共同工作的計算模型,可使梁上荷載由板和梁共同承擔,從而減少梁的受力和配筋。既節約了材料,又實現強柱弱梁,改善了結構抗震性能。對于地下室頂板、轉換層、加強層或承受人防荷載、消防車荷載等情況更需這樣設置。

3.7.3 地下室頂板按彈6計算

如圖3.7.3所示工程地下1層頂板承受消防車荷載等樓板250mm,以前按剛性板計算梁的超筋及抗扭超限很多,現改為按照彈性板6計算,舊、新算法結果對比如下:整層梁的頂部鋼筋減少54%,底部鋼筋減少22%,原來的16根超限梁都不再超限,如圖3.7.4所示。

3.7.4 地下室頂板按剛性板與按彈6計算后梁配筋結果對比

傅學怡《實用高層建筑結構設計》14不考慮實際現澆鋼筋混凝土結構中梁、板互相作用的計算模式,其弊端主要有: 1)對于單獨計算的板,由于忽略支座梁剛度的影響,無法正確反映板塊內力的走向,容易留下安全隱患。2)對于梁,由于忽略樓板的翼緣作用,重力荷載下往往高估梁端截面彎矩,其結果不僅僅是造成材料的浪費,更重要的是過高的框架梁支座截面受彎承載力使得水平荷載下梁端形成延性結構的可能性大為減小。

考慮樓板翼緣的作用,可實現強梁弱柱的設計效果,有利于抗震,同時明顯降低造價。

另一方面,對按照彈性板3或彈性板6計算的樓板,應在樓板計算時考慮梁的彈性變形。

四、考慮彈性板和梁之間的豎向偏心

1、計算模型

對于彈性板和梁之間的連接計算,也可以考慮彈性板和梁之間的豎向偏心。YJK設置參數彈性板與梁協調時考慮梁向下相對偏移,如圖3.7.5所示。勾選此參數后,在計算簡圖的彈性板單元和梁單元之間也畫出紅色短線示意它們之間的豎向偏心。

3.7.5 彈性板與梁協調時考慮梁向下相對偏移

3.7.6 彈性板與梁協調時考慮梁向下相對偏移時的計算模型

3.7.6為是否考慮梁和彈性板之間的偏心的計算模型對比。

右側計算模型的抗彎剛度顯然比左側模型大很多,此時樓板對梁的幫助更大。大量工程實例表明,右側計算模型可使梁的支座彎矩和配筋明顯減少。

2、計算結果主要特點

1)梁配筋減少顯著

傅學怡《實用高層建筑結構設計》14介紹了他們重力荷載下鋼筋混凝土整澆樓蓋工作性能課題的研究成果,其中特別用實體單元模擬梁、板、柱計算,就是為了表現板和梁實際的位置關系。課題主要結論是:這種計算模型下,梁支座彎矩大幅下降,且存在較大軸壓力,可按偏心受壓配筋,配筋可大幅度下降(折減系數50-70%),這不僅節省鋼筋,還利于梁端塑性鉸的形成。梁跨中受拉,按偏心受拉配筋,配筋量稍?。?/span>80-90%)。

2)用戶設置的梁剛度放大系數不再起作用

設置彈性板6、且考慮梁向下相對偏移,用戶設置的梁的剛度放大系數將不再起作用(放大系數取1)。

3)梁按拉彎或者壓彎計算配筋

設置彈性板6、且考慮彈性板和梁之間的豎向偏心時,軟件對梁的設計可自動考慮梁的拉、壓軸力狀況,并按拉彎或者壓彎構件計算梁的配筋。

4)彈性板配筋按拉彎或者壓彎配筋

設置彈性板6、且考慮彈性板和梁之間的豎向偏心時,彈性樓板的配筋不僅考慮彎矩的作用,還考慮板單元受到的拉力或壓力的作用,按拉彎或者壓彎構件計算板的配筋。

五、設置地震內力按全樓彈性板6計算選項

計算參數【計算控制信息】中設置參數地震內力按全樓彈性板6計算,如圖3.7.7所示。

3.7.7地震內力按全樓彈性板6計算

用戶對恒、、風等荷載工況計算時,對樓板習慣于按照剛性板、彈性膜的模型計算。這種模型不考慮樓板的抗彎承載能力,由梁承擔全部荷載內力,此時的樓板成為一種承載力的安全儲備。但是從強柱弱梁的抗震設計要求考慮,這種處理導致梁配筋過大的不利效果。

勾選此參數,則軟件僅對地震作用的構件內力按照全樓彈性板6計算,這樣地震計算時讓樓板和梁共同抵抗地震作用,可以大幅度降低地震作用下梁支座彎矩,從而可明顯降低梁的支座部分的用鋼量。

由于對其他荷載工況仍按照以前習慣的設置,保持恒、活、風等其他荷載工況的計算結果不變,這樣做既沒有降低結構的安全儲備,又實現強柱弱梁、減少梁的鋼筋用量等效果。因此,這也是一項有效的設計優化措施。

勾選此參數后,除了地震作用內力計算外,其他計算內容均按照用戶當前設置的樓板模型計算。對地震內力計算,軟件另外取用全樓所有樓板設置為彈性板6的模型,并考慮了彈性板與梁協調時梁向下相對偏移的影響。

六、使用彈性板3(或6)直接得出樓板配筋

1、以前軟件彈性板計算的局限

在上部結構計算中,可對樓板設置為彈性板,對彈性板可分別設置為彈性膜、彈性板3和彈性板6。彈性膜僅有面內剛度而面外剛度為0,彈性板3僅有面外剛度而面內剛度為剛性,彈性板6既有面內剛度又有面外剛度,相當于標準的殼單元。

對于設置了面外剛度的彈性板,即彈性板3和彈性板6,可以同時計算出布置了恒、活等豎向荷載的彎矩和剪力。

但是,傳統軟件在計算彈性板3或彈性板6時,僅考慮了它在結構整體計算分析中的剛度作用,不能對樓板本身進行設計。因為在上部結構的考慮彈性板的計算中,作用在各房間樓板上恒、活面荷載已被導算到了房間周邊的梁或者墻上,彈性板上已經沒有作用豎向荷載,在計算中起作用的僅是彈性板的面內剛度和面外剛度。在風、地震等水平力作用下,彈性板的內力是對的;但在恒、活荷載下,其內力不符合樓板實際的工作狀況而完全不對,因此也得不出彈性樓板本身的配筋計算結果。

如果保持豎向的恒、活荷載仍駐留在彈性板上,則通過彈性板的有限元計算不僅得到板的內力配筋,還和將荷載導算到周邊的桿件上,而且這種導算不像以前的樓板導荷方式那樣只將板上荷載傳給周邊的梁和墻,還同時可將荷載傳導給柱。我們在后文中稱這種樓板導荷方式為有限元計算方式。

2、上部結構計算中同時進行彈性樓板設計的改進

計算控制信息】中增加參數彈性板荷載計算方式,包含兩個選項平面導荷和有限元計算,如圖3.7.8所示。

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,因此也得不出彈性樓板本身的配筋計算結果。

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3.7.8 彈性板荷載計算方式

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。

選擇彈性板荷載有限元方式后,計算簡圖上可見彈性板上的豎向荷載分布,如圖3.7.9所示。

3.7.9 有限元方式計算模型

這樣的工作方式與第一種方式相比有幾個主要變化:

1)經有限元計算板上荷載不僅傳到周邊梁、墻,部分荷載直接通過板傳給柱,換句話說,梁承受的荷載將減少;

2)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;

3)彈性板參與了恒、活豎向荷載計算,又參與了風、地震等水平荷載的計算,計算結果可以直接得出彈性板本身的配筋;

4)和在【板施工圖菜單下的樓板配筋計算相比,這里彈性板的配筋不僅考慮了風、地震等水平荷載的計算,還考慮了結構的整體變形,包括各層的累積變形、墻柱豎向構件的變形等;

5)對于不僅承受本層荷載,還需承受上層荷載的樓板,只能用這種方式計算,如厚板轉換層結構,因為只有經過整體有限元計算上層荷載才能傳到本層樓板。

有限元方式適用于無梁樓蓋、厚板轉換等結構,可在上部結構計算結果中同時得出板的配筋,在等值線菜單下查看彈性板的各種內力和配筋結果。注意為了查看等值線結果,在計算參數的結構總體信息中還應勾選參數生成繪等值線用數據。

有限元方式僅適用于定義為彈性板3或者彈性板6的樓板,不適合彈性膜或者剛性板的計算。

3、邊墻、邊梁的面外彎矩增加

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。

3.7.10所示為上有覆土的水池,其頂板為無梁樓蓋結構,池壁按剪力墻輸入。

3.7.10 邊墻、邊梁的面外彎矩

對無梁樓蓋彈性板按照傳統的導荷方式和有限元方式分別計算并對比水池墻的面外彎矩如3.7.11所示。可以看出,有限元方式在本例中可使邊墻的面外彎矩增大近一倍,說明在板較厚時這種面外彎矩不應忽略;而傳統的導荷方式不能考慮這種面外彎矩,會使得墻肢面外彎矩比實際情況偏小,不利于結構安全。

3.7.11 平面導荷與有限元計算下墻肢面外彎矩對比

4、彈性板的配筋計算結果

3.7.12為某無梁樓蓋層在平面導荷方式(左)和有限元導荷方式(右)下,彈性板在恒載作用下的Mxx彎矩,可以看出在平面導荷方式下彈性板的受力不能反映在豎向荷載下的作用效果。

3.7.12 平面導荷與有限元計算下樓板內力對比

3.7.13YJK計算結果中的彈性板變形圖,第一張為平面導荷方式計算結果,可見最大豎向變形出現在柱之間的梁的位置,板跨中的變形相對小,這顯然不符合實際情況。第二張為有限元導荷方式計算結果,可見板的跨中位置豎向變形最大。

3.7.13 平面導荷與有限元計算下樓板變形圖

設計結果等值線菜單下,可以查到彈性板的配筋,3.7.14是按照有限元方式計算出的彈性樓板X向底部配筋圖。

3.7.14 等值線中樓板單元配筋圖

注意這里對彈性板的計算是三維的計算,不但求出板的彎矩,還可求出板的軸力。當考慮梁板協調工作時,必須按板實際承受的軸力設計,因此這里給出的樓板配筋是按照對每一個單元偏拉或者偏壓計算得出的配筋。

5、考慮樓梯的計算后可給出梯板平臺板配筋

上部結構計算中選擇考慮樓梯時,軟件在作樓梯有限元計算時,樓梯荷載直接加載到各個單元上。軟件計算出這些樓梯單元的恒、活、風、地震等工況內力后進行內力組合,最終可給出梯板平臺板配筋。

6、樓板配筋考慮溫度荷載時必須采用這種計算模式

施工圖中的樓板配筋不能考慮溫度荷載的影響,樓板配筋需要考慮溫度荷載的影響時就應按照本節所講的模式計算,即對樓板設置為彈性板6(不能設置為彈性板3),對計算控制信息中的彈性板荷載計算方式選擇有限元計算。

、結構錯層處梁板的合理計算模型

錯層結構非常普遍,合理的建模方式是對錯層部分用上節點高來整體控制錯層部分的層高,在高低跨銜接處,調整梁一端的高差實現梁的水平放置,如圖3.7.15所示。

3.7.15 錯層結構建模

1、錯層結構處樓板計算模型的改進

以前軟件對錯層結構處理的主要缺陷有兩個:

1將錯層高低跨梁梁相交處的梁在計算模型中當作了斜梁計算,如圖3.7.16所示,斜梁的計算模型會使梁產生不應有的很大軸向力,導致不應有的梁配筋過大或者超筋。

3.7.16 錯層結構次梁被拉斜

2錯層處丟失樓板的連接。由于錯層處的房間周邊梁不能共面,常導致這里樓板不能正常生成。在剛性板計算模型下,剛性板的約束在錯層低跨處丟失;在彈性板計算模型下,錯層低跨處房間也不能生成彈性樓板,如圖3.7.17所示。這種樓板約束的丟失常使錯層處梁柱結構的內力配筋出現異常。

3.7.17 錯層交接部位計算模型中部分樓板丟失

YJK的改進是:

1錯層高低跨梁梁相交處的梁在計算模型中仍保持水平梁的狀態,他們之間由剛性連接相連,如圖3.7.18所示。這種計算模型避免了梁產生不應有的軸力,避免了錯層梁配筋過大的異?,F象。

3.7.18 錯層交接部位梁計算模型

2采取措施使錯層處的樓板不丟失。對建模中錯層處自動生成的樓板智能地放置到合理的高度,用戶可在自動生成樓板后查看,對個別位置不對的樓板通過輸入樓板錯層值調整。

在計算簡圖上可以看出,剛性板模型下錯層處的剛性連接連接到錯層處的所有桿件,如圖3.7.19所示,彈性板模型下錯層低跨處的房間彈性板不丟失,如圖3.7.20所示。

這樣的計算模型避免了以前常出現的錯層處構件內力配筋異?,F象。

3.7.19 錯層交接部位剛性板下計算模型

3.7.20 錯層交接部位彈性板下計算模型

2、錯層結構常見超限問題的解決方案

錯層結構常見超限問題的解決方案是——錯層處樓板應使用彈性膜。

上部結構計算中,軟件對于水平的樓板自動按照默認的剛性板計算。當樓板出現錯層時,軟件默認按照豎向錯開的兩塊或者多塊剛性板計算,這種相距過近的剛性板容易導致應力集中、導致某些構件的內力異?,F象。

為了避免錯層結構的計算異常,可把存在錯層樓板的樓層設置為全部或者局部彈性板,至少設置為彈性膜,設置彈性板將增加計算工作量,按照現在YJK的計算能力,這種計算量的增加對計算效率的影響很小。

當錯層結構出現某些構件超限時,可首先采取的措施就是將超限構件周邊的樓板設置為彈性膜或者其他類型的彈性板。

以下為一個錯層結構的常出現的典型問題。

用戶問題:第一層中左側局部梁降標高2m,造成相連的三根柱計算結果超限,什么原因?

錯層處的柱抗剪超限,查看該柱的構件信息,可見X向組合剪力達到3309kn,截面不滿足抗剪要求。查看X向地震的單工況剪力,該柱剪力突變,達到768kn。

該柱的縱向配筋也較大。

下面查找問題原因。

YJK錯層處短柱抗剪超限,經查X向地震剪力達到將近800,出現突變增大,而相鄰柱的剪力在100-200。

剪力出現突變增大的原因是錯層高低跨處按照默認的剛性板計算,由于上下兩塊剛性板作用,容易發生短柱的剪力突變。

解決方案是將這里的樓板設置為彈性膜,本例設為彈性膜再計算后,錯層處短柱剪力降為328,X向組合剪力從3309降低到1560,不到原來的一半,不再抗剪超限。該柱的縱向配筋也大大較少。

錯層處剛性板模型容易剪力突變,解決方案為把樓板設置為彈性膜,這是一個典型常見問題。

 

、改進不共面斜樓板的彈性板計算

上部結構計算時,軟件對于斜的樓板自動按照彈性膜計算,但是一般軟件不能考慮不共面的斜樓板,軟件不能對不共面的斜板劃分單元,而把這樣的樓板丟掉,這可能對結構計算造成較大的誤差,對于和不共面相連的梁的計算誤差也比較大。

YJK可對不共面程度較輕的斜板仍進行單元劃分,從而在結構計算時考慮到這樣斜板的作用,避免結構計算較大的誤差,并改進了與這種不共面板相連的梁的計算結果。

3.7.21 不共面板工程實例

3.7.22 不共面房間彈性板丟失

3.7.21所示工程,原來的單元劃分是指用其他結構計算軟件進行的彈性板單元劃分,可見有很多房間沒有劃分單元呈現空洞狀態,說明該處的樓板丟失了,如圖3.7.22所示。丟失的原因是這些房間周邊構件不共面。在配筋結果下,可以看到這些丟失了彈性板的房間周邊梁的配筋比其他房間大很多,如圖3.7.23所示。

改進的單元劃分是YJK改進的單元劃分,YJK對不共面的斜板盡量用彈性板單元連接,可見原來呈現空洞的房間都正常進行了單元劃分。有了彈性板連接的梁的內力和配筋都很正常,如圖3.7.24、3.7.25所示。本工程丟失了彈性板空洞房間梁的配筋增大了20%~50%。這也說明,對于坡屋面等斜樓板,彈性膜起的作用不可忽略。

3.7.23 不共面房間彈性板丟失下梁配筋結果

3.7.24 不共面房間彈性板未丟失下梁配筋結果

3.7.25 不共面房間彈性板丟失與否梁配筋結果

、使用蒙皮結構補充層間樓板等的計算

建模的空間結構菜單下,用戶可以交互操作生成蒙皮。蒙皮有兩個作用,一個是對布置在其上的各種荷載工況進行自動導荷,二是蒙皮本身可具有剛度并作為結構構件進行本身的設計計算。如果需要蒙皮的第二種作用,就必須給蒙皮賦值材料屬性。

對于軟件不能自動生成的樓板,用戶可以建模的空間結構菜單下,通過生成蒙皮來手動生成需要的樓板。蒙皮可在空間結構桿件或者參照樓層的桿件上生成,再通過蒙皮材料菜單給他賦值材料屬性,如圖3.7.26所示,軟件對賦值了材料屬性的蒙皮將自動劃分單元并進行有限元計算。

3.7.26 蒙皮材料

軟件對每個結構層只能自動生成一層的樓板,在同一標準層內目前不可能生成重疊的樓板。如圖3.7.27所示,該層層頂處已經自動生成樓板,而層中間位置由層間梁也形成了封閉的房間,但軟件不可能生成由層間梁圍成的樓板。

可由人工使用蒙皮補充生成這種層中間位置的樓板。在空間結構菜單下,使用該層作為參照樓層,并用層間梁生成蒙皮,再用蒙皮材料菜單對該蒙皮賦值150mm厚度、混凝土材料、C40強度等級,如圖3.7.28所示。

3.7.27 層間梁生成的房間不能生成樓板

3.7.28 用蒙皮生成層間梁圍成的房間樓板

十、設置彈性板的局部坐標系

板單元計算結果的內力、配筋方向是按照該板局部坐標系指定的方向輸出的。在整體模型有限元分析時,軟件對彈性板計算的局部坐標系的取用是:平樓板時按照整體坐標系的X、Y、Z方向;斜樓板時取斜板的局部坐標系,按照隨機取到的斜板的第一條斜邊設定為該斜板X坐標的方向。由于這種隨機性導致相鄰斜板、甚至相同斜度的斜板局部坐標系不同,導致計算結果給出的X、Y方向結果和用戶預期不同。

3.7.29為一個景觀造型,外徑16m,圓環內部放水景,上面設置一平臺可以走人,三根柱子支撐。除了柱間和圓環底部設置大梁之外,其余位置均采用虛梁建模搭成與實際相近的空間造型。全樓彈性板6計算,并可在計算結果中查看彈性板的等值線配筋結果。

用戶問題是:如果用戶不去修改軟件設置的局部坐標,則在板單元計算結果顯示中,三個內力相同的支座處和三個跨中處,每個單元的X、Y兩向板配筋顯示不同,局部坐標系如圖3.7.30所示。

3.7.29 工程實例

3.7.30 彈性板局部坐標系

在【前處理及計算】-【板屬性】菜單下,設置了【局部坐標系】菜單,可由用戶修改軟件默認設置的局部坐標系,如圖3.7.31所示。X’、Y’即為局部坐標的方向,一般可通過對話框上的拾取按鈕,用鼠標點取圖形中的兩點來拾取坐標系方向。對于斜板,軟件支持切換成三維顯示進行操作。其中Y’軸在拾取過程中不要求一定與X’軸垂直,軟件會自動進行正交化處理,并根據X’,Y’軸按右手系確定Z’(板法向)方向。

3.7.31 彈性板局部坐標系修改菜單

十一、可對彈性板施加基礎彈簧剛度模擬基礎筏板

【前處理及計算】下設置了【地基剛度】菜單,可對彈性板設置地基剛度。地基剛度是向上作用的基礎彈簧剛度,以樓板房間為單元輸入,如圖3.7.32所示。

3.7.32 前處理地基剛度輸入

地基剛度輸入對話框上的說明:輸入剛度后表示該板為基礎底板,自動在板底附加彈性支座,強制按彈性板6及有限元導荷方式計算。

有些情況下,用戶可將基礎筏板當做厚度同筏板的普通樓板輸入,筏板上承受的恒、活荷載當做樓板荷載輸入,在計算前處理對筏板樓板輸入地基剛度,這樣就相當于在上部結構模型下直接輸入基礎模型,使上部結構和基礎合在一起分析計算,同時得到上部結構和基礎結構的計算結果。這種方法特別適用于水池、隧道等結構的設計,如圖3.7.33所示。

對于基床反力系數局部有差異情況,可用虛梁將底板分割為不同板塊,設置不同的地基剛度;如需模擬樁基,可用柱建模進行模擬,承臺、柱墩等構件可按柱帽建模模擬。

注意對這樣建立的模型上不應出現底層柱下、墻下的支座。為了不出現支座,可將參數與基礎相連構件的最大底標高填寫為比柱底標高低很多的數值,并不要理會軟件給出的樓層懸空的警告。

3.7.33 某水池工程示例

3.7.34 地基板土彈簧計算模型

如某水池底板,原來只能當做基礎筏板輸入,整個水池的設計分為兩部分進行,上部結構軟件完成池頂池壁的計算,基礎軟件完成池底的設計。

現在可把水池池底當做1層樓板輸入(1層的柱只要不作為支座就不會起作用),將1層樓板設置為彈性板6并輸入地基剛度,如圖3.7.34所示,計算完成后在等值線菜單下用查看一般彈性板有限元結果的方法查看筏板樓板的各項計算結果。

十二、彈性板6對應平面施工圖中板有限元算法

樓板本身的配筋計算一般在板施工圖中完成,他僅考慮了恒、活、人防等豎向荷載。

如果用戶在上部結構計算中對某層樓板是按照彈性板6計算的,特別是對恒、活等豎向荷載是按照彈性板6計算的,也就是說梁的配筋考慮了樓板共同參與的作用,那么對應的在平面施工圖中的樓板計算應采用有限元算法,也就是說在板的配筋計算時也應采用有限元殼元計算并考慮梁的彈性變形。

在板施工圖的樓板計算參數中,對樓板的計算方法增加了有限元算法,如圖3.7.35、3.7.36所示,并設置了考慮梁彈性變形選項。對應上部結構計算某層樓板的彈性板6計算,該層的樓板配筋應選擇有限元算法并勾選考慮梁彈性變形。

3.7.35 板施工圖中樓板計算參數

3.7.36 板施工圖中有限元方法時的網格劃分

傳統軟件計算樓板時,僅提供如上參數中的手冊算法,即對每個房間的樓板分別計算,對于相鄰房間的公共支座的彎矩和配筋的取值,是取兩房間分別計算的支座彎矩較大值,因此支座配筋常常偏大。實際上,用戶應該按照樓板連續的概念計算,考慮不等跨、不同荷載、不同板厚影響,支座兩邊應是協調工作、彎矩平衡的結果。早期采用手工計算樓板配筋時,都還按照連續板模式配筋,近十幾年電算推廣效率高了,但配筋量明顯偏大了。

YJK提供對樓板的全層按照有限元計算的方法。利用YJK在有限元計算方面的先進性,軟件對全層樓板自動劃分單元并求解計算。這種計算使房間之間的樓板保持協調,支座兩邊彎矩平衡,可以考慮到相鄰房間的跨度、板厚、荷載等的不同影響,計算精確合理。特別是可避免對支座兩邊彎矩人為取大造成的配筋浪費現象,如圖3.7.37所示。

3.7.37 有限元方法與手冊方法配筋結果對比

以往的軟件計算樓板多是假定板的周邊支座沒有豎向位移,如果支撐板的梁的跨度較大、剛度較弱時,梁的撓度對板計算有較大影響,考慮梁的剛度和實際情況更加符合。YJK板施工圖中設置參數考慮梁彈性變形。有時考慮梁的剛度也會得到更經濟合理的樓板配筋結果。

在平面施工圖中還設置了參數取整體計算彈性板配筋結果,勾選該參數軟件將不再按照當前的樓板計算結果,而直接讀取上部結構整體計算分析時對樓板按照彈性板6(或3)計算得出的各有限元單元的配筋結果。

十三、無梁樓蓋

1、樓板有限元為核心的計算

無梁樓蓋結構中的梁一般為虛梁形式,他起的作用主要是板帶的設置依據,所以無梁樓蓋中梁的作用遠小于樓板本身的作用。

YJK的上部結構計算中對無梁樓蓋應設置為彈性板6,并勾選彈性板荷載計算方式為有限元方式,在平面施工圖也必須采用有限元計算方式并考慮梁的彈性變形。因此,無梁樓蓋結構計算的核心就是樓板的有限元計算。

2、柱上板帶跨中板帶的配筋方式

普通樓板的配筋以各個房間的板塊為單元進行,而無梁樓蓋的配筋以柱上板帶和跨中板帶為單元進行,因此在YJK中專門設置了對柱上板帶的自動生成和修改菜單,柱上板帶包圍的中間凈跨部分即為跨中板帶。

軟件對柱上板帶的彎矩采用積分方式求出,即對板帶內各個單元值在板帶寬度方向積分,這樣求出的柱上板帶的彎矩更為合理。對于跨中板帶的彎矩軟件采用跨中板帶內各個單元結果的較大值。

3、柱帽和加腋板

對于柱帽和加腋樓板,結構計算分析中自動以有限元的不同厚度體現,比如柱帽處的板單元厚度為樓板厚度+柱帽高度,加腋樓板處板單元厚度為樓板厚度+加腋的厚度等。

軟件對柱帽處補充了相關的沖切計算,對加腋樓板房間的裂縫計算考慮了加腋的影響。

對無梁樓蓋的詳細技術條件可參照軟件自帶的、可用F1打開的幫助說明,或是《結構軟件難點熱點問題應對及設計優化》(中國建筑工業出版社)相關章節。

十四、現澆空心板

對于布置了現澆空心板的部分,軟件默認按照單層模型的彈性板6模型計算,即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、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0.5m,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。

對現澆空心板結構的詳細技術條件可參照軟件自帶的、可用F1打開的幫助說明,或是《結構軟件難點熱點問題應對及設計優化》(中國建筑工業出版社)相關章節。

 

 

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