发明内容
为解决上述问题,本发明公开了一种装配整体式密肋叠合楼盖的设计方法。
为了达到以上目的,本发明提供如下技术方案:一种装配整体式密肋叠合楼盖的设计方法,包括如下步骤:
S01:预设载荷,取恒活荷载组合系数分别为1.3和1.5;
S02:简化模型及计算,使用拟梁法配合拟板法进行简化,计算得到楼板的最大弯矩;
S03:根据上述步骤S02中得到的最大弯矩参数通过下述公式中进行计算配筋面积A;
M=α[fcbx(h0-x/2)+fy’As’(h0-as’)]
fcbx=fy2As2+fyAs-fy’As’
α=0.225ft+1
其中,fc——混凝土轴心抗压强度设计值
fi——混凝土抗拉强度设计值
As——肋梁或拼缝混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As2——预制混凝土带肋底板混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As’——受压区混凝土普通钢筋的截面面积,
as’——受压区纵向钢筋合力点
fy——肋梁或拼缝普通钢筋抗拉强度设计值
fy2——预制混凝土带肋底板普通钢筋抗拉强度设计值
fy’——受压区域普通钢筋抗拉强度设计值
h0——截面有效高度
b——单向板试件宽度
x——单向板试件受压区高度
α——考虑预制混凝土带肋底板抗拉强的影响系数。
S04:根据拟梁法和拟板法的最小配筋率要求,将其减去构造配筋面积,得到所需满足以上要求的配筋面积B;
S05:将配筋面积A和配筋面积B中的最小配筋面积作为该新型装配整体式双向密肋叠合楼盖的设计配筋面积。
上述方案中,所述步骤S02中采用以下公式进行简化计算:
M=α[fcbx(h0-x/2)+fy’As’(h0-as)]
fcbx=fy2As2+fyAs-fy’As’
α=0.225ft+1
共中,fc——混凝土轴心抗压强度设计值
ft——混凝土抗拉强度设计值
As——肋梁或拼缝混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As2——预制混凝土带肋底板混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As’——受压区混凝土普通钢筋的截面面积,
as’——受压区纵向钢筋合力点
fy——肋梁或拼缝普通钢筋抗拉强度设计值
fy2——预制混凝土带肋底板普通钢筋抗拉强度设计值
fy’——受压区域普通钢筋抗拉强度设计值
h0——截面有效高度
b——单向板试件宽度
x——单向板试件受压区高度
α——考虑预制混凝土带肋底板抗拉强的影响系数。
上述方案中,所述拟梁法计算时,先将双向板简化为n×n个横截面为αl×h的宽扁梁,其中α为拟梁宽度折减系数,n为肋梁和拼缝的总数量(n≥5),l为板宽除以n得到的拟梁宽度;计算时减去拟梁交叉部分的自重,计算得到的梁截面的配筋即为肋梁/拼缝的设计结果;当支座处无负弯矩时,上部叠合层钢筋为架立钢筋,其钢筋尺寸不小于12mm。
上述方案中,所述拟板法计算时,将混凝土弹性模量将混凝土空心楼板等效为截面高度相等的实心楼板,计算得到单位宽度的实心混凝土楼板顶部及底部配筋,再将该结果乘以1/1000修正得到肋梁和拼缝平均宽度范围内的底部和顶部钢筋设计结果,即为肋梁和拼缝所需的配筋面积;当支座处无负弯矩时,上部叠合层钢筋为架立钢筋,其钢筋尺寸不小于12mm。
本发明的有益效果为:基于有效设计方法,进行了新型装配整体式双向密肋叠合楼板及其应用于两跨的场景三种工况进行设计扩充,提出了适用于新型装配整体式竖向密肋叠合楼盖的设计方法,并进一步提高了新型装配整体式双向密肋叠合楼盖设计的经济性,同时其承载力系数依旧大于规范中允许的限值,具备足有的安全冗余度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,进一步阐明本发明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例:参见图1-5,一种装配整体式密肋叠合楼盖的设计方法,包括如下步骤:
S01:预设载荷,取恒活荷载组合系数分别为1.3和1.5;
S02:简化模型及计算,使用拟梁法配合拟板法进行简化,计算得到楼板的最大弯矩;
S03:根据上述步骤S02中得到的最大弯矩参数通过下述公式中进行计算配筋面积A;
M=α[fcbx(h0-x/2)+fy’As’(h0-as)]
fcbx=fy2As2+fyAs-fy’As’
α=0.225ft+1
其中,fc——混凝土轴心抗压强度设计值
ft——混凝土抗拉强度设计值
As——肋梁或拼缝混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As2——预制混凝土带肋底板混凝土纵向普迪受力钢筋的截面面积
As’——受压区混凝土普通钢筋的截面面积,
as’——受压区纵向钢筋合力点
fy——肋梁或拼缝普通钢筋抗拉强度设计值
fy2——预制混凝上带肋底板普通钢筋抗拉强度设计值
fy’——受压区域普通钢筋抗拉强度设计值
h0——截面有效高度
b——单向板试件宽度
x——单向板试件受压区高度
α——考虑预制混凝土带肋底板抗拉强的影响系数。
S04:根据拟梁法和拟板法的最小配筋率要求,将其减去构造配筋面积,得到所需满足以上要求的配筋面积B;
S05:将配筋面积A和配筋面积B中的最小配筋面积作为该新型装配整体式双向密肋叠合楼盖的设计配筋面积。
其中,所述步骤S02中采用以下公式进行简化计算:
M=α[fcbx(h0-x/2)+fy’As’(h0-as’)]
fcbx=fy2As2+fyAs-fy’As’
α=0.225ft+1
共中,fc——混凝土轴心抗压强度设计值
ft——混凝土抗拉强度设计值
As——肋梁或拼缝混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As2——预制混凝土带肋底板混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As’——受压区混凝土普通钢筋的截面面积,
as’——受压区纵向钢筋合力点
fy——肋梁或拼缝普通钢筋抗拉强度设计值
fy2——预制混凝土带肋底板普通钢筋抗拉强度设计值
fy’——受压区域普通钢筋抗拉强度设计值
h0——截面有效高度
b——单向板试件宽度
x——单向板试件受压区高度
α——考虑预制混凝土带肋底板抗拉强的影响系数。
其中,所述拟梁法计算时,先将双向板简化为n×n个横截面为αl×h的宽扁梁,其中α为拟梁宽度折减系数,n为肋梁和拼缝的总数量(n≥5),1为板宽除以n得到的拟梁宽度;计算时减去拟梁交叉部分的自重,计算得到的梁截面的配筋即为肋梁/拼缝的设计结果;当支座处无负弯矩时,上部叠合层钢筋为架立钢筋,其钢筋尺寸不小于12mm。
其中,所述拟板法计算时,将混凝土弹性模量将混凝土空心楼板等效为截面高度相等的实心楼板,计算得到单位宽度的实心混凝土楼板顶部及底部配筋,再将该结果乘以1/1000修正得到肋梁和拼缝平均宽度范围内的底部和顶部钢筋设计结果,即为肋梁和拼缝所需的配筋面积;当支座处无负弯矩时,上部叠合层钢筋为架立钢筋,其钢筋尺寸不小于12mm。
下面举例说明:
首先设置C25、C30、C35、C40、C45的试件;
其次,基于《混凝土结构试验方法标准》GB/T 50152-2012[117]的“试件承载力检验系数”试件承载力检验系数的定义如下:对构件进行承载力检验试验过程中,若存在表2-9中任何一种标志时,均认为其达到了承载能力极限状态,取此时的试验荷载值作为承载力检验值Qu,如加载至最大的临界荷载值,仍未出现任何荷载力标志,则应停止并判断试件满足承载力要求。
试件的承载力检验系数实测值γu按照下式2.7计算,当采用集中荷载时:
γu=Qu/Fd (2.7)
其中Fd为以集中荷载表示的承载力状态设计值。
表2-9承载力标志及加载数
以单向板承载力的设计为例:
根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[119]按实际配筋对构件工字形截面进行正截面受弯承载力计算得到不同配筋、材料性能、剪力齿形式、底板混凝土抗拉强度等变参数分析下构件正截面受弯承载力模拟值与计算值的比值,即试件的承载力检验系数γu如表5-4至表5-7所示;
表5-4不同混凝土强度单向板受弯承载力
表5-5不同底板混凝土抗拉强度单向板受弯承载力
表5-6不同配筋单向板受弯承载力
表5-7不同剪力齿单向板受弯承载力
根据《混凝土结构试验方法标准》GB/T 50152-2012[117]的参数要求,本试验为抗弯承载力试验,安全系数最大限值为1.60。由模拟结果可知计算得到的承载力系数均大于该值,因此《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[119]按实际配筋对构件进行正截面受弯承载力计算可靠,且具有足够的安全储备。
为进一步完善新型装配整体式双向密肋叠合楼盖的设计方法,保证设计的经济性和合理性,现基于以上研究,在进行该新型楼盖单向板的承载力计算时,可将受弯承载力修正如下,其基本思路包括两个方面:(1)考虑预制带肋底板中构造钢筋的作用;(2)修正抗拉强度对其的影响。综上,提出的适用于新型楼盖的单向板简化设计方法如下:
M=α[fcbx(h0-x/2)+fy’As’(h0-as’)] (5.1)
fcbx=fy2As2+fyAs-fy’As’ (5.2)
α=0.225ft+1 (5.3)
其中,
fc——混凝土轴心抗压强度设计值
ft——混凝土抗拉强度设计值
As——肋梁或拼缝混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As2——预制混凝土带肋底板混凝土纵向普通受力钢筋的截面面积
As’——受压区混凝土普通钢筋的截面面积,
as’——受压区纵向钢筋合力点
fy——肋梁或拼缝普通钢筋抗拉强度设计值
fy2——预制混凝土带肋底板普通钢筋抗拉强度设计值
fy’——受压区域普通钢筋抗拉强度设计值
h0——截面有效高度
b——单向板试件宽度
x——单向板试件受压区高度
α——考虑预制混凝土带肋底板抗拉强的影响系数。
采用上述公式计算得到的计算结果与试验结果误差分析如下,可见该方法计算得到的误差小于15%,满足精度要求,进一步提高了新型装配整体式双向密肋叠合楼盖设计的经济性。
表5-8设计方法误差分析
以双向板承载力的设计为例:
原理与单向板承载力参数化分析相同,均通过扩充后的装配整体式密肋双向叠合楼盖数据库计算“试件承载力检验系数”,从而进一步判断《现浇混凝土空心楼盖技术规程》JGJ/T 268-2012[115]中的相关规定。结合工程实际需求,该新型装配整体式双向密肋叠合楼板还有可能涉及到荷载工况或结构形式如下:(1)承受更大的恒活荷载;(2)应用于两跨以上。
双向板设计和有限元扩充的工况表如表5-9所示。
表5-9双向板设计和有限元扩充的工况表
单跨楼盖:
本工况中,恒荷载为1.5kN/m2,活荷载为3.5kN/m2,通过SATWE V4.3.4版计算得到配筋结果如表5-10所示。
表5-10单跨楼版拟梁法和拟板法计算结果
通过ABAQUS分析的有限元计算结果见图1。
取有限元模型中板底纵向受力钢筋屈服(即达到400MPa)时的面荷载为其承载力。
上述有限元模型的极限荷载为50.98kN/m2,此时设计荷载为13.54kN/m2,由式2.7计算得到单跨新型装配整体式双向密肋叠合楼板的承载力系数为3.77,大于承载力检验系数的限值。
γu=Qu/Fd (2.7)
其中Fd为以集中荷载表示的承载力状态设计值。
单向两跨楼盖:
在PKPM中建立相应的模型分别如图2中所示,混凝土和钢筋与上相同,柱子尺寸仍为600mm×600mm,框架梁尺寸为400mm×800mm,拟梁尺寸和拟板的弹模折减与表3-1相同。
设计使用荷载为:楼盖自重4.49kN/m2,恒荷载取1.5kN/m2,活荷载2.0kN/m2,荷载组合系数分别取1.3和1.5,故楼盖设计极限承载力为:1.3×(4.49+1.5)+1.5×2.0=10.79kN/m2。通过SATWE V4.3.4版计算得到拟梁或拟板的配筋结果如表5-10所示。
由于在本模型中存在负弯矩,因此需考虑负弯矩处的配筋,其配筋结果见表5-11。
表5-11尘心楼板拟梁法和拟板法计算结果
负弯矩钢筋横截面积取“拟梁法”(“拟梁法”和“拟板法”计算结果的较小值)的计算结果,通过ABAQUS建立有限元模型对其受力进一步验证,模拟结果见图3。对图2中的模型施加均布面荷载,直至受力钢筋屈服(即达到400MPa,图2),此时得到的面荷载为44.02kN/m2,此时设计荷载为10.67kN/m2,计算得到单向两跨新型装配整体式双向密肋叠合楼板的承载力系数为4.12,大于承载力检验系数的限值。
双向两跨楼盖:
如图4所示,在PKPM中建立相应的模型,混凝土和钢筋与上相同,除中间柱子尺寸取800mm×800mm外,其它柱子尺寸仍为600mm×600mm,框架梁尺寸为400×800,拟梁尺寸和拟板的弹模折减与表3-1相同,荷载与6.2.2中相同。通过SATWE V4.3.4版计算得到拟梁或拟板的配筋结果如表5-11所示。
由于在本模型中存在负弯矩,因此负弯矩配筋仍需计算确定,其配筋结果见5-12。
表5-12空心楼板拟梁法和拟板法计算结果
同上负弯矩钢筋横截面积取“拟梁法”(“拟梁法”和“拟板法”计算结果的较小值)的计算结果,通过ABAQUS建立有限元方法对其受力进一步验证,模拟结果见图5。
对图4中的模型施加均布面荷载,直至受力钢筋屈服(即达到400MPa,图5),此时得到的面荷载为37.42kN/m2,此时设计荷载为10.67kN/m2,计算得到双向两跨新型装配整体式双向密肋叠合楼板的承载力系数为3.50,大于承载力检验系数的限值。
设计方法验证:
由以上设计扩充和有限元验证,可以发现虽然负弯矩钢筋配筋取“拟梁法”和拟板计算的较小值,但该新型装配整体式双向密肋叠合楼盖的钢筋均在设计强度之内,具有一定的设计冗余度,其承载力检验系数见表5-13。
表5-13双向板承载力检验系数汇总表
基于《混凝土结构试验方法标准》GB/T 50152-2012[117]的“试件承载力检验系数”计算得到该新型装配整体式双向密肋叠合楼盖的承载力系数均大于对应破坏状态的限值。因此新型装配整体式双向密肋叠合楼盖可按照《现浇混凝土空心楼盖技术规程》JGJ/T268-2012[115]中的“拟梁法”或“拟板法”计算,且计算方法可靠具有足够的安全系数。
由于上述拟梁法的弯矩计算原理与PKPM模型中计算相同,拟板法的计算与双向板的计算原理相同,因此计算结果可以参照表5-9的计算结果。采用拟梁法的计算面积为851mm2,拟梁宽度为985mm,拟板法的计算面积767mm2,且计算结果均满足最小配筋率的要求,此时若考虑构造钢筋的面积并采用上述计算方法则可配备
通过试验与单跨楼盖(恒荷载1.5kN/mm2,活荷载3.5kN/mm2)中计算结果的对比,可见该方法计算得到的钢筋面积减小了约25%,进一步提高了新型装配整体式双向密肋叠合楼盖设计的经济性,同时其承载力系数依旧大于规范中允许的限值,具备足有的安全冗余度。
通过新型装配整体式双向密肋叠合楼盖的双向板试验,结合有限元模拟分析,总结新型楼盖适用范围:
新型楼盖可适用于住宅、办公、酒店、医院、学校、厂房、商业等建筑的上部标准层及地下室非人防区域中间板、地下室非主楼嵌固区域顶板,不建议用作地下室底板、人防区域楼板、上部主楼嵌固区域范围的顶板,具体原因分析如下:
1、目前地下车库均为附建式地下车库(车库上部存在单体主楼),目前主流设计方式均采用地下室顶板需作为嵌固端(即使做基础嵌固的情况下,也需考虑顶板实际存在的嵌固作用,并采用两种计算模型的包络设计),(1)根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[126]中规定,作为上部嵌固部分的地下室顶板宜采用现浇结构,同时作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构,厚度不小于180mm,故考虑到主楼与地下室相关范围关系,实际存在的纯地库的范围较小,不建议将新型楼盖用作地下室顶板。(2)地下室顶板需覆土并进行景观工程施工,故地下室顶板的防水要求和耐久性要求相对正常楼板要高,无论是裂缝控制上,还是对整体防水作用上,预制楼板(空心区域叠合层50mm)无法达到现浇楼板的效果,且本身地库顶板渗漏的可能性较大,一旦出现渗漏后期维护成本较高。
2、建筑物的基础受力本身较为复杂,在主流的地下室底板结构设计中是采用筏板地基来承受建筑物的荷载,用以抵抗地基的不均匀沉降。在进行结构设计时,(1)地下室基础形式受基础土层类别及岩土层分布情况影响,基础采用现浇整体结构可以提高地库整体抗震性能,增加结构冗余度,由于本论文未进行新型楼盖作为地下室底板工况下的力学性能试验,目前并无可靠的试验数据和计算依据,故新型楼盖是否适用于复杂的地质条件的建筑基础,还有待未来通过试验进一步验证;(2)地下室底板的防水要求较顶板更高,采用预制构件的地下室底板会在沉降后,易在拼缝处产生裂缝,无法形成整体,后期渗漏隐患问题无法解决。
3、根据《结合民用建筑修建防空地下室审批工作指导意见》,一般的民用建筑的地下车库均应设置人防区域,按《人民防空地下室设计规范》50038-2005[127]要求,(1)甲类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的分别作用,乙类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载的作用,在结构顶板计算时要考虑上部建筑对常规武器地面爆炸空气冲击波超压作用影响,由于未进行爆炸冲击波试验,目前并无可靠的试验数据和计算依据,还有待未来通过试验进一步验证;(2)现行江苏地区一般住宅、公建人防设防为6级,按规范中表3.2.2-1要求,有上部建筑的顶板最小防护厚度不小于250mm,而新型楼盖厚度为300mm,除现浇肋梁外,板的空心区域折合厚度为100mm,不满足规范要求;(3)按规范中表4.11.3要求,顶板、中间楼板最小厚度不宜小于100mm,且其折合厚度均不应小于200mm,新型楼盖厚度为300mm,板的空心区域为200mm,折合厚度为100mm,不满足规范要求;(4)规范4.11.11规定,双面配筋的钢筋混凝土板应设置梅花形排列的拉结钢筋,确保振动荷载下钢筋和受压区混凝土共同受力,而带预制底板的叠合楼板无法设置梅花型拉结筋,同时在战时若受到爆炸动荷载,会产生人防顶板密闭问题隐患。
需要说明的是,以上内容仅仅说明了本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。