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预制带肋底板混凝土叠合空心楼板的试验与数值模拟研究

刘彪  
【摘要】:结合预制带肋底板混凝土叠合楼板体系与现浇空心楼板的优点,提出在预制带肋底板上有规律的填入筒芯内模后叠合形成一种新型叠合空心楼板。为了能将这种新型楼板应用到工程实际中,需要对其进行系统的试验研究和理论分析。本文对这种叠合空心板在布置筒芯内模后的叠合面抗剪性能、预应力方向简支板带受力性能、拼缝方向简支板带受力特点以及四边简支混凝土叠合空心双向板的双向受力效应进行了系统的试验研究与有限元分析,提出了相应的弹性计算理论和塑性计算方法。(1)进行了20块叠合实心试件和叠合空心试件的推开试验(push-off test)和有限元分析,验证了预制带肋底板肋上孔洞在叠合后提供的“连锁咬合效应”的有效性。试验表明,布置筒芯内模没有对叠合面的抗剪性能产生明显影响,在叠合面抗剪强度较高时,孔间肋的抗剪强度会成为试件破坏的主控因素。结合试验结果,确定了适合于进行叠合楼板叠合面界面行为模拟的有限元接触力学参数,分析得出了叠合楼板叠合面抗剪力各组成部分所占比例,为预制带肋底板混凝土叠合空心楼板的有限元数值分析提供了可靠的理论依据。(2)进行了10块不同预制底板类型和截面尺寸的叠合空心板预应力方向简支板带的抗弯、抗剪试验及有限元分析。结果表明:叠合空心板与现浇空心板表现出相同的受力特点和变形特征,按筒芯最薄弱翼缘处的I形截面计算的叠合板抗弯性能指标和抗剪性能指标均与实测值吻合较好;在所研究的板厚范围内,筒芯直径大小及布置方式的变化并未造成叠合面出现开裂滑移现象,但不同程度地削弱了试件的受拉刚化作用,建议叠合空心板开裂后的短期刚度取控制截面的开裂刚度。通过叠合面受力分析,将横孔板孔间肋宽度和上下翼缘厚度的计算限值与楼板实际构造尺寸进行对比发现,实际工程中叠合面的抗剪强度可满足安全使用要求。(3)结合预制带肋底板混凝土叠合楼板在拼缝方向的板带试验,对试验板带的裂缝开展形态、极限承载力、短期刚度进行了较为详细的试验与理论分析。分析结果表明拼缝处的受力钢筋应力超前现象是造成板带力学性能与破坏形态改变的主要原因。以此为依据,结合试验结果,基于拼缝处钢筋应力分析、等效拉力法及有限元参数分析得出了适合于拼缝方向简支板带的裂缝开展、极限承载力以及短期刚度计算公式。公式计算结果与试验结果均表明,拼缝处设置拼缝抗裂钢筋有利于裂缝宽度控制和充分发挥拼缝方向板带的承载力,但对试件开裂后刚度的影响有限。(4)完成了一块跨度为4m×4m的四边简支叠合空心楼板的静力试验和有限元分析。试验表明,叠合空心板与现浇楼板表现出相似的变形特征与破坏形态,叠合面未观察到开裂现象,板底形成了沿对角线开展的塑形铰线,通过荷载-变形关系观察到的刚度异性特征不明显。通过分析对称位置处正交方向钢筋、混凝土的应变发展规律表明,拼缝方向受力钢筋在加载的中前期存在应力超前现象,加载后期与预应力钢筋趋于一致;拼缝方向的混凝土应变存在应变超前现象,在1/4加载区域附近明显大于预应力方向混凝土应变,说明拼缝方向楼板的裂缝先于预应力方向开展,应注意该方向的裂缝宽度控制。结合有限元分析表明,叠合空心楼板仍属于正交各向异性板,应按正交各向异性板理论对楼板进行计算和设计。(5)以正交异性弹性薄板理论为基础,推导了叠合空心板的微分方程。提出了考虑叠合空心板构造特点的截面弯曲刚度和扭曲刚度计算公式,根据公式计算的挠度和弯矩与试验结果吻合较好;根据极限平衡理论,提出采用以开裂刚度比确定主轴方向内力矩比的方法进行叠合楼板承载力计算,有利于工程设计人员掌握这种多重正交各向异性效应叠加作用的新型楼板的真实内力与承载力状态,提高了设计的可靠性。


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