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                最全方位無梁樓蓋設計解析!保證不出事故!

                2020-07-09 最全方位無梁樓蓋設計解析!保證不出事故! 2186

                無梁樓蓋出了事故,在設計圈傳的風生水起,所謂好事不出門,壞事傳千里。其實大家不必這么恐慌,接下來結合我的工作實踐,我給大家介紹一下在 “板柱結構”的設計中普遍存在的一些問題,精心設計,保證不出問題!

                一、常見形式


                二、存在問題

                1、板面荷載的分配(傳遞)方式

                工作中大家一般認為板面荷載的傳遞方式有四種方式:

                       第一種:懸挑板方式——只向一邊傳遞

                       第二種:單向板方式——沿短向傳遞(兩邊傳遞)

                       第三種:雙向板方式——塑性鉸線傳遞(四邊傳遞)

                       第四種:彈性梁、板協同方式——有限元方式

                其實這也正是目前我們所常用結構分析軟件能夠提供給大家的四種板面荷載的傳遞方式。

                正是由于以上的觀念,在大家頭腦中根深蒂固,在建立結構分析模型時,往往習慣于在柱間布置完梁(含等代梁、虛梁、暗梁)后,由程序來進行整體分析,殊不知,由于無梁樓板的傳遞方式有其特殊性,往往導致采用軟件的結果存在安全隱患。

                林同炎教授早在1981年其所著書《結構概念與體系》(典型教材或資料,第一本)中已做過明確推導說明,現將結論摘錄如下:無梁板必須首先在一個方向(單向板)傳遞全部荷載,然后在另一個方向再完全一樣地傳遞一次全部荷載。盡管有些設計人員往往不能認識到這一點,但這是明確的。

                林大師的這個結論,在《建筑結構專業技術措施》 (典型教材或資料,第二本)中已有細致、準確的運用,這也是我能找到的唯一一本!

                可以想象,荷載傳遞分配有問題的軟件(以SATWE為例)分析結果,能不能拿來就用?

                前三種方式通常稱作——平面導荷方式,就是傳統的處理方式,即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,因此也得不出彈性樓板本身的配筋計算結果。

                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。這樣的工作方式與平面導荷方式相比有兩個主要變化:

                一是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;

                二是彈性板既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。

                有限元方式可以佐證上述林同炎大師的結論!

                2、等代梁與虛梁的建模

                等代梁的概念來源于鋼筋《混凝土升板結構技術規范》,是為了模擬無梁板剛度以及便于荷載在柱上板帶與跨中板帶而提出的用于結構分析時的概念,要想利用結構分析軟件的結果,那么在建模中要注意的一些準備工作,在《建筑結構專業技術措施》 (典型教材或資料,第二本)中已有細致、明確的提醒??春罂梢缘贸鼋Y論,要想直接利用軟件(以SATWE為例)的結果,要做大量而細致的手工補充計算,稍不留神,就會犯錯 !而且效率大大降低!

                如果只需要設計無梁樓板,且不考慮水平荷載作用時,還可以采用虛梁建模。用虛梁建模的注意事項,各個分析軟件都有相關說明。


                采用虛梁建模時,房間(大板)內需增加布置虛梁,以便得到準確受力!

                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。

                3、板的力學模型選取

                樓板作為一種空間薄殼結構,可以用殼單元來模擬其剛度。

                樓板剛度(殼單元)由面內剛度和面外剛度兩部分組成:

                面內剛度——膜剪切單元。

                面外剛度——板彎曲單元。

                樓板分析可以有以下幾種分析模型:

                剛性樓板:平面內剛度無限大;平面外剛度為0。

                彈性板6:平面內、平面外都按實際剛度計算 。

                彈性板3:平面內剛度無限大;平面外按實際剛度計算 。

                彈性膜:平面內按實際剛度計算;平面外剛度為0 。

                各種樓板特性的應用條件:

                “剛性樓板”的適用范圍:絕大多數結構只要樓板沒有特別的削弱、不連續,均可采用這個假定。

                相關注意:由于“剛性樓板假定”沒有考慮板面外的剛度,所以可以通過“梁剛度放大系數”來提高梁面外彎曲剛度,以彌補面外剛度的不足。同樣原因,也可通過“梁扭矩折減系數”來適當折減梁的設計扭矩。

                “彈性板6 ”的適用范圍:所有的工程均可采用。

                相關注意:由于已經考慮樓板的面內、面外剛度,則梁剛度不宜放大、梁扭矩不宜折減。板的面外剛度將承擔一部分梁柱的面外彎矩,而使梁柱配筋減少。此時結構分析時間大大增加。

                “彈性板3 ”的適用范圍:需要保證樓板平面內剛度非常大,如厚板轉換層中的厚板,板厚達到1m以上。而面外剛度則需要按實際考慮。

                相關注意:一般在厚板轉換層不設梁,或用等代梁,并注意上下部軸線差異產生的傳力問題。

                “彈性膜”的適用范圍:僅適用于梁柱結構,設計時不使樓板面外剛度承擔荷載,不使梁柱配筋減少,以保證梁柱設計的安全度。

                相關注意:不能用于“板柱結構”。設計時可以進行梁的剛度放大和扭矩折減。

                在上部結構分析中,怎樣考慮樓板的作用,應根據工程的特點來選擇。不假區分與選擇地采用板力學模型,是不可能得到結構的真實受力的!板柱結構只能采用 “彈性板6”的力學模型。不能選擇彈性膜模型,因為彈性膜僅有面內剛度!

                4、扁梁和暗梁的計算

                兩塔92m高層結構的大跨度板全部采用箱體空心板,全樓采用無梁樓蓋。    

                本工程高度大于《高規》3.3.1條7度70米的限制,為何不屬于超限工程,不需超高超限審查?

                6、7度大量高層在100米左右,8度高層在80米左右,8.5度高層在60米左右。如何在這些高層中應用空心板,而又不屬于超限工程?



                本工程屬于框剪結構,不屬于板柱墻結構,因為內板采用空心板,而內梁采用扁梁(梁高為400mm),而不是暗梁,扁梁兩端有柱連接。

                結構設計中的梁分3種:普通梁、扁梁和暗梁,扁梁要滿足《抗規》6.3.2的要求:


                工程中梁高=400≥16*25,柱的鋼筋不能大于25mm,第一道防線剪力墻,第二道防線框架,所以結構類型主要屬于框剪結構。

                總結:

                采用扁梁的框剪結構超過板柱墻結構層高限制的50%還是要超高超限審查,如6度120米,7度105米,8度82.5米,8.5度60米,9度或抗震等級一級不應采用。采用普通梁的的框剪結構不受此限制。

                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,那么梁對豎向構件約束程度會失真,難以保證整體分析的準確性!

                5、扁梁和暗梁的計算不需超高超限審查?


                扁梁和暗梁有兩種計算方法:按梁單元算和按板單元算 

                1)按梁單元算:按扁梁輸入,按實心截面輸入,直接計算得到梁的配筋面積。

                2)按板單元算:輸入虛梁,按板計算,根據板的節點配筋得到梁的配筋面積。

                建議采用第1種方法,可避免梁柱交接處的應力集中問題。


                6、現澆空心板的計算模型

                現澆空心板特點概覽一:

                現澆空心板是在現澆的樓板內嵌入預制的空心筒芯、箱體或塊體。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。


                現澆空心板特點概覽二:


                現澆空心板的計算有兩種模型:

                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。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。

                2)按照樓板的有限元計算

                按照彈性樓板6的有限單元法計算,考慮空心板的因素計算時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。需輸入的“板元細分最大控制長度”對樓板自動劃分單元,對樓面梁按照考慮梁剛度的彈性支座計算。

                力學單元不同,計算結果可能會有較大不同。設計師應有能力,根據工程的具體情況,選用不同的計算方式。

                7、設計中如何做?

                1) 由于SATWE軟件,總是將板面荷載直接倒算到梁(無論是暗梁還是虛梁)上進行整體分析,即使采用了彈性樓板,也沒有按上述所提到的“有限元方式”導荷方式,梁板協同必然不夠準確。當然也就無法輸出彈性板經整體分析后的內力(水平荷載與豎向荷載下)。而采用等代梁分析,正如前述,結構建模的工作量會大大增加,因此對于板柱結構,不建議用SATWE軟件進行分析!

                另外如上所述,梁板協同存在問題,那么梁對豎向構件(柱、墻)的約束必然也不夠準確,可見考慮彈性板后的SATWE軟件整體分析結果,也存在問題!

                2) 目前PKPM系列中的PMSAP軟件,可以比較完整、準確地解決這個問題!但依然需要細致、準確把握軟件的技術條件及關鍵計算參數的設置。


                3) YJK軟件、GSSAP軟件(廣廈建筑結構通用有限元)、 佳構STRAT軟件,解決此問題的準確度也取決于使用者對軟件技術條件的把握。


                7、工程實例



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