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钢纤维混凝土密肋复合楼盖体系计算理论及受力机理研究

邱继生  
【摘要】:密肋楼盖结构以其良好的受力性能目前已广泛的应用于大空间多高层结构中,但由于结构自身的复杂性、受力机理认识的不明确性以及设计方法的不统一性,因此还有许多问题需要研究。此外,随着结构跨度的愈来愈大,边梁肋梁截面高度的增大与控制结构层高、防止互争空间、提高结构受力性能等方面问题的矛盾也越来越突出。为解决大跨度结构中密肋楼盖存在的问题,本文提出了一种新型钢纤维混凝土密肋复合楼盖。本文围绕着钢纤维对密肋楼盖体系受力性能的影响,采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,以密肋板、边梁及整个梁板体系为研究对象,对钢纤维混凝土力学参数及等效刚度的计算模型、密肋楼板内力挠度的计算方法、非预应力及预应力边梁极限扭矩计算公式、整个楼盖体系的受力机理和计算方法等问题进行了研究,并取得以下研究成果: (1)根据复合材料的基本理论,考虑钢纤维的影响,提出钢纤维混凝土各力学参数的计算模型和计算公式。依据弹性薄板小挠度理论,考虑钢纤维的影响,提出密肋板截面等效刚度的计算公式,并推导出四边简支密肋板内力和挠度的解析解与四边固定密肋板的数值解。 (2)针对纤维混凝土结构扭转计算存在的不足,考虑钢纤维对截面受力的影响,利用变角度空间桁架模型,首次采用参数修正法和等效钢筋法等两种方法推导出非预应力及预应力钢纤维混凝土边梁在纯扭作用下极限扭矩的计算公式,并将理论计算结果与试验结果进行比较。结果表明,该公式具有较高的精度,能与普通混凝土结构相关计算公式很好的衔接。然后,考虑钢纤维的作用,推导出复合扭转作用下非预应力及预应力钢纤维混凝土边梁在弯曲型、弯扭型及剪扭型破坏时的相关方程,并给出其破坏型态的判别方法和极限扭矩的计算公式。 (3)由于钢纤维在混凝土中乱向分布,无法精确确定每根钢纤维的位置,根据理论分析结果首次提出模拟钢纤维作用的整体等效钢筋法,然后将有限元分析结果与试验结果进行比较。结果表明,该模型建模简便,计算成本低,并且能较好的模拟钢纤维混凝土的受力性能。 (4)利用整体等效钢筋法模型,考虑钢纤维对混凝土本构关系和弹性常数的影响,对边梁-楼盖协同工作下整个体系的性能进行研究。研究结果表明,结构的裂缝开展规律与破坏模式与普通混凝土楼盖类似,塑性绞线的位置与理论分析结果接近。结构应力的大小和分布受内力重分布的影响较大,调整幅度与结构的受力阶段及位置有关。然后,对结构体系进行参数分析,根据分析结果建议楼盖体系的钢纤维含量宜为1%-2%,混凝土的强度宜大于C40,而且在保证边梁刚度和强度的情况下,位于受压区的板中也可不添加钢纤维。考虑边梁-楼板协同工作的影响,推导出边梁的弹性协调扭矩计算模型和计算公式以及考虑边梁约束作用的密肋板内力和挠度计算方法。 本文的创新之处在于: (1)提出钢纤维混凝土密肋楼板力学常数、等效刚度及内力及变形的计算方法。 根据复合材料理论,考虑各相材料自身特性,给出更加全面的钢纤维混凝土弹性常数计算模型及公式。考虑钢纤维的影响,给出正交各向异性板等效刚度的计算模型和公式。然后采用拟板法推导出钢纤维混凝土密肋板的内力及挠度计算公式。理论解与数值解结果比较表明,该方法计算精度较高,可满足工程设计要求。 (2)提出非预应力及预应力钢纤维混凝土边梁极限扭矩的实用计算公式。结合普通钢筋混凝土梁极限扭矩的计算方法,针对纤维混凝土结构扭转设计计算的空白,考虑钢纤维的作用,提出了纯扭作用下钢纤维混凝土边梁更加实用的极限承载力计算模型和公式,并将理论解与试验值进行比较。结果表明该方法具有较高的精度、良好的衔接性及实用性。然后,考虑钢纤维的作用,给出复合扭转作用下钢纤维混凝土边梁在三种破坏型态下的相关方程,并给出其破坏型态的判别公式。 (3)分析了整个边梁-密肋板体系的受力机理,提出梁板相互约束作用下边梁协调扭矩及密肋板内力挠度的计算模型和方法。 根据钢纤维混凝土结构的特性及理论分析结果,提出了更加实用的模拟钢纤维作用的等效钢筋法有限元模型,分析了整个楼盖体系的受力特性,并进行参数分析。结果表明,楼盖体系钢纤维含量宜为1%-2%,混凝土的强度宜大于C40,而且在保证边梁刚度和强度的情况下,位于受压区的板中也可不添加钢纤维。然后,考虑边梁-密肋板的相互约束作用,提出钢纤维混凝土边梁协调扭矩的计算模型与公式以及考虑边梁约束作用的密肋板内力和挠度计算方法。


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