基于ANSYS 的混凝土叠合箱网梁楼盖力学性能分析

王崇革，王雅坤

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266510）

0 引 言

现代建筑对大跨度、大空间、自重、承载力等提出了更高的要求。为了满足这些需求，人们研究更加实用且经济性能更好的楼盖体系。混凝土叠合箱网梁楼盖是作为一种新型楼盖,是由预制的叠合箱与现浇肋梁连接形成梁板合一的整体构造,房间的净空面积，工艺先进，板、梁受力合理、安全可靠[1]。

结合工程实例,通过ANSYS软件，对淄博广垠新材料有限公司综合楼工程三层会议厅混凝土叠合箱网梁楼盖的力学性能进行了分析，研究了叠合箱与肋梁形成的梁板合一的整体构造在荷载的作用下，楼板的受力特点，根据分析结果对楼盖进行了优化，有效提高了楼盖的承载能力及抗变形能力。

1 工程概况

本项目研究对象为淄博广垠新材料有限公司综合楼工程三层会议厅。工程建设地点：淄博市高新区，框架结构，地上6层，建筑高度：26.8m，标准层层高：3.6m，总建筑面积：6848m2，总工期：599d。三层会议厅层高5.3m，跨度为19.6m×33m。

2 计算模型

本文以8.4m×8.4m的混凝土网梁楼盖（见图1）为例，叠合箱采用1000mm×1000mm，高度为500mm的叠合箱,肋梁净间距是1400mm。

在ANSYS中，混凝土与钢筋的组合模型大致分为3种，即分离式模型、整体式模型和组合式模型。考虑到混凝土叠合箱网梁楼盖的特点，楼盖内有大量钢筋，且钢筋分布较均匀，故选择整体式模型进行分析[2]。

2.1 基本参数

混凝土强度等级为C30，弹性模量为3×104MPa，使用多线性等向强化模型。泊松比为0.2，裂缝张开剪力传递系数取0.5，裂缝闭合剪力传递系数取0.9，为了计算收敛，将混凝土的单轴抗压强度值设为-1[2]。

假定钢筋各向同性，弹性模量取2×105MPa，泊松比取0.3，采用Von-Mises等向强化准则[3]，钢筋本构关系取双线性等向强化模型，屈服应力为360MPa，硬化斜率为20000。

2.2 单元类型的选取

对混凝土叠合箱网梁楼盖进行非线性有限元分析,其关键在于选择合理的单元类型。建立在合理的单元类型基础上的有限元模型能较准确反映结构自开始受荷到破坏的全过程,能得到关于结构在各阶段的受力性能、钢筋的屈服与强化以及混凝土压碎破坏等大量信息,从而了解结构的破坏特性，为设计提供可靠信息。混凝土单元采用单元库中的SOLID65单元，添加2种钢筋材料[4]。在一般情况下，可将混凝土单轴受压强度值设为-1，否则计算不易收敛。

2.3 边界条件

为了使所建模型尽量接近工程实际，边界采用的是四边简支加载，通过添加位移荷载来实现。

2.4 网格划分

六面体的SOLID 65单元一般比四面体的单元计算要稳定且收敛性好，通过ANSYS软件所提供的网格划分工具直接进行网格划分,这时仅需输入网格的尺寸、形式即可。在本文中钢筋混凝土的单元为棱长是200mm的正方体[5]。

3 计算结果及分析

3.1 挠度云图分析

3.1.1 Y向挠度云图

由变形前后模型图及Y向挠度云图可以看出，混凝土叠合箱网梁楼盖的最大变形发生在楼盖的中央部位。挠度云图通过不同颜色来反映不同的变形。Y向的挠度变化见图3。力学性能与一般的双向受力楼板的受力性能相似,表现出明显的双向受力特点。楼盖的四边挠度最小，中心挠度最大。因此，为了提高楼板的承载力，可通过在楼盖的中央部位采取有效措施，如加大钢筋的配筋率或选用高强度钢筋等。

3.1.2 X与Z向挠度云图

X向挠度云图与Z向挠度云图大致呈现对称状。从大体的挠曲状态来看,均可以反映出楼板X与Z方向的近似变形规律。由云图可得，变形最大区域与变形最小区域是对称的,都发生在楼板两侧的边缘附近。其挠度变形相对于Y向变形较小,所以主要考虑Y方向的变形。从X向变形云图,我们可以得出楼盖两侧边缘附近为较薄弱的区域,当楼盖跨度较大或刚度薄弱、不均匀时,为保证抗变形能力,应在该位置采取加强保护措施。

3.2 应力云图分析

由X向应力图可以看出，在两侧边缘的应力较小，楼盖中央的应力最大，说明楼盖的破坏最初发生在中央。由X向顶面及底面应力图可以看出，底面的中央应力较大，且为拉应力，相对于顶面混凝土更容易破坏，因此，一般可通过加大底面混凝土厚度及增加钢筋等，以提高楼板的抗变形能力。

由Von-Mises应力图可以看出，楼板的四周为应力最小的位置，而在靠近四边的肋梁为应力最大的位置。在这一区域附近，存在剪力较大的区域，叠合箱的位置相对周围肋梁的应力大，因此这一位置的叠合箱最先破坏。且叠合箱所处位置的应力均比周围的肋梁应力大，但因为这些应力均不混凝土的极限拉应力，因此混凝土没有开裂。

4 结 语

①混凝土叠合箱与肋梁共同工作，整体性良好。由各向挠度云图可知，混凝土叠合箱网梁楼盖的力学性能与一般的双向受力楼板的受力性能相似,表现出明显的双向受力特点。楼盖的最大挠曲变形发生在中央部位，楼盖的四边挠度较小。

②通过对由X向应力顶面和底面图反映出，底面的中央应力较大，且为拉应力，相对于顶面混凝土更容易破坏。因此，一般可通过加大底面混凝土厚度及增加钢筋等，以提高楼板的抗变形能力。

③Von-Mises云图可知，混凝土叠合箱网梁楼盖在荷载作用下，叠合箱所处的位置相对周围肋梁的应力大，如果楼盖发生破坏，裂缝应首先出现在箱体与肋梁的交界面处。一般可通过加大底面混凝土厚度及增加钢筋等，以提高楼板的抗变形能力。

通过对混凝土叠合箱网梁楼盖的有限元分析，可以了解楼盖在应力作用下的挠曲变形，及应力的发展等等。通过分析采取相应措施，可以有效提高楼盖的承载能力及抗变形能力。

[1]刘建平.混凝土叠合箱网梁楼盖的结构分析及施工要点[J].混凝土与水泥制品，2010(2).

[2]刘世忠.基于ANSYS的钢筋混凝土结构非线性有限元分析[J].四川建筑，2006(4).

[3]司炳君,孙治国,艾庆华.Solid65单元在混凝土结构有限元分析中的应用[J].工业建筑，2007（1）.

[4]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[5]赵志平,常建立,杨晓光.利用ANSYS对碳纤维布加固RC梁的非线性有限元分析[J].四川建筑科学研究，2006(2).

[6]赵考重,李自然,王莉,孙双军,房晓朋,王超.装配箱混凝土空心楼盖结构受力性能试验研究[J].工程力学,2011(6).