钢筋混凝土网格蜂窝型盒式结构力学性能对比分析

王泽曦，马克俭，晁亚茹，才　琪，李绍朗，吴　帮

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳　550003)



钢筋混凝土网格蜂窝型盒式结构力学性能对比分析

王泽曦，马克俭*，晁亚茹，才琪，李绍朗，吴帮

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳550003)

介绍了蜂窝型盒式结构新体系的基本组成。采用SAP2000有限元软件建立数值分析模型，对比分析了蜂窝形盒式结构、正交斜放盒式结构、框架结构的力学性能差异，包括结构位移、自振周期、层间位移角等。分析结果表明，钢筋混凝土网格蜂窝型空腹夹层板平面适应性强，结构整体性好，经济效益更佳，结构刚度分布更均匀。

蜂窝型；空腹夹层板；盒式结构；力学性能；对比分析

钢筋混凝土空腹夹层板盒式结构是贵州大学马克俭教授课题组为响应国家循环经济三原则而提出的新型结构体系，该结构体系是由钢筋混凝土空腹夹层板楼盖与网格式墙架组成。与传统的普通框架或者门式刚架等结构相比，盒式结构具有跨度大、整体工作性能好、刚度大、内力分布均匀等特点[1]。盒式结构的钢筋混凝土空腹夹层板因结构布置的差异可分为正交正放与正交斜放，但是针对于蜂窝型盒式结构研究较少。因此本文将采用有限元软件建立数值分析模型对蜂窝形盒式结构、正交斜放盒式结构、框架结构的有限元分析模型，以此更好的掌握蜂窝形盒式结构的力学性能，为蜂窝形盒式结构的推广应用提供参考。

1　空腹夹层板楼盖盒式结构

钢筋混凝土空腹夹层板结构由上肋、下肋及剪力键构成，如图1所示。网格尺寸一般取1.5～2.5m，且每个柱网不少于五格，板厚一般取值1/25～1/30l(l为短跨)；剪力键的边长D与净高h0之比D/h0≥1。正交斜放型空腹夹层板在结构的长度L与跨度B的比值L/B≥1.5时采用[2]。在钢筋混凝土空腹夹层板楼盖的基础上，又衍生出装配整体式钢夹层板楼盖、U形钢-混凝土组合楼盖等新结构[3]。

图1　空腹夹层板构造

钢筋混凝土空腹夹层板盒式结构是由水平方向的空腹夹层板和竖直方向的网格式墙架组成，两个方向组合形成三维受力体系，使得结构内力分布比框架结构更加均匀，并且可以实现建筑结构的多功能划分房间[4]。

2　蜂窝型空腹夹层板楼盖盒式结构

钢筋混凝土网格蜂窝型空腹网格楼盖亦是在原混凝土空腹楼盖结构的基础上发展而来[5]，是由两层蜂窝型楼盖在交叉处利用剪力键连接而成，如图2所示。蜂窝型空腹夹层板剖面如图3(a)所示；蜂窝型空腹夹层板的剪力键为Y字型，如图3(b)所示。

图2　蜂窝型空腹夹层构造

图3　空腹夹层板剖面图与剪力键构造图

3　模型建立

3.1工程概况

拟建单跨三层钢筋混凝土网格蜂窝形盒式结构，标准层层高8m，总高度24 m。短跨方向20.8 m，长跨方向49.5 m。结构的安全等级二级，按丙类6度设防，设计地震分组为第一组，场地类别II级，地面粗糙度为B类，体形系数可统一取1.3。结构自重由软件自动计算，楼面恒载1.6 kN/m3，活载5.5 kN/m3；屋面恒载1.6 kN/m3，活载0.5 kN/m3，基本风压取0.3kN/m3。

蜂窝型楼盖平面由正三角形与正六边形网格几何关系确定，如图4所示。其平面长度方向Lx由n个正六边形的高(2h)组成，Lx=2·n·h；短跨方向Ly由m个正六边形的边(b)组成，Ly=m·h，长边两端柱网b/2。上肋间设置表层板密肋，下肋不予设置。此工程b取2.6 m，h为2.25m。

(a)蜂窝型上肋布置图

(b)蜂窝型下肋布置图图4　蜂窝网格布置图

为了对比分析结果的准确性。正交斜放盒式结构：由于结构尺寸长宽比大于1.5，应采用正交斜放型盒式结构[6]，柱网的柱距取3.5m，网格2.474m。框架结构：柱距取7m，网格取3.5m，平面布置图见图5。正交斜放盒式结构和蜂窝形盒式结构板厚均取80mm，框架结构板厚取120mm。混凝土均采用C35，钢筋采用HRB400。

(a)正交斜放型平面布置图　　　　(b)框架结构平面布置图图5　正交斜放型与框架结构平面布置图

3.2主要设计参数

蜂窝型盒式结构和正交斜放盒式结构每层布置三道层间梁；结构截面尺寸见表1。框架结构经过PKPM软件计算，梁的最大挠度为51mm，梁最大裂缝为0.21mm，符合《混凝土结构设计规范》[7]第3.4.3条挠度限制不应超过l0/400(21000/400=52.5mm)及3.4.5对最大裂缝宽度限制0.3mm的要求，所选截面尺寸合理。

表1　盒式结构与框架结构截面尺寸 单位：mm

4　力学性能对比分析

4.1结构位移

在空腹夹层板楼盖上施加竖向荷载，按正常使用极限状态的荷载组合得到楼盖的竖向位移，如图6所示。由图6可知，框架结构竖向位移51.2mm，为跨度的1/410；正交斜放型空腹夹层板竖向位移38.6mm，为跨度的1/544；蜂窝型空腹夹层板最大竖向位移32.1mm，为跨度的1/654，均满足《混凝土结构设计规范》[7]第3.4.3条挠度限制不应超过l0/400的要求；框架结构由于有主梁与次梁的共同作用，虽然满足规范要求，但是在柱节点附近应力及变形过大，对结构不利。

(a)蜂窝型盒式结构位移云图　　(b) 正交斜放盒式结构位移云图　　(c)框架结构位移云图图6　整体位移云图

4.2模态分析

表2为三种结构的自振周期，前三阶振型如图7所示。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[8]中第3.4.5条所规定：结构的第一扭转周期与平动为主的第一自振周期的比值不应小于0.9。由表2可知，蜂窝型盒式结构周期比为0.735，正交斜放型盒式结构周期比为0.741，常规混凝土框架结构为0.745，均符合规范要求。但是钢筋混凝土盒式结构周期均小于普通框架结构，而其中蜂窝型网格盒式结构的周期又低于采用正交斜放空腹夹层板楼盖的盒式结构，说明蜂窝型盒式结构抗侧刚度更好，优于正交斜放盒式结构与常规混凝土框架结构；三者周期比由小到大为蜂窝型盒式结构、正交斜放型盒式结构、常规混凝土框架结构，蜂窝型抗扭性能优于其余两者。盒式结构在X与Y向抗侧刚度比框架结构分布更加均匀。

表2　四种结构动力特性

(a)蜂窝型盒式结构第一振型　　(b)蜂窝型盒式结构第二振型　　(c)蜂窝型盒式结构第三振型

(d)正交斜放盒式结构第一振型　　(e)正交斜放盒式结构第二振型　　(f)正交斜放盒式结构第三振型

(g)混凝土框架结构第一振型　　(h)混凝土框架结构第二振型　　(i)混凝土框架结构第三振型图7　三种结构振型图

4.3楼层位移

结构层位移如图8所示。由图可知，蜂窝型盒式结构在X方向最大位移为13.46mm，在Y方向最大位移为14.24mm；正交斜放盒式结构在X方向最大位移为13.81mm，在Y方向最大位移为16.46mm；框架结构在X方向最大位移为23.96mm，在Y方向最大位移为17.62mm。正交斜放型盒式结构在X与Y方向的位移均已经优于常规框架结构，由于蜂窝型盒式结构立柱布置的特殊性，在X轴方向上单侧仅布置11根柱，而正交斜放型盒式结构有15根，两者在X方向位移情况几乎相同，说明蜂窝型盒式结构较传统盒式结构抗侧性能是相对提高的。

图8　三种结构的楼层位移对比

4.4层间位移角

结构在风荷载及地震荷载作用下的最大位移角如表3所示，从表3可以看出，蜂窝型盒式结构在X方向最大层间位移角为1/1406，与相近，优于正交斜放型盒式结构的1/1324及框架结构的1/856；在Y方向最大层间位移角为1/1484，优于正交斜放型盒式结构的1/1231，同样优于框架结构的1/1194，三种结构在X与Y两个方向的层间位移角均满足《建筑抗震设计规范》[9]第5.5.1条中所要求的1/550，说明蜂窝型盒式结构刚度及扭转性能较好，在多遇地震作用下层间变形在弹性范围内。

表3　风荷载与地震作用下的最大层间位移角

5　经济性对比分析

三种结构混凝土用量如表4所示。蜂窝型盒式结构混凝土用量比正交斜放型盒式结构下降了11.64%，按每立方米混凝土900元计算，节约造价12.7万元；比框架结构下降16.68%，节约造价23.6万元。钢筋用量：蜂窝型盒式结构为42.1kg/m2，正交斜放型盒式结构为43.7kg/m2，框架结构为45.7 kg/m2。蜂窝型盒式结构钢筋用量比正交斜放型盒式结构下降3.6%，比框架结构下降7.9%，若钢筋按每吨5000元计算，比正交斜放型盒式结构及框架结构分别节省工程造价5万元和11.8万元。盒式结构采用现浇磷石膏墙体，节能环保，能实现废物资源的再利用，经济效益明显。

表4　混凝土用量 单位m3

6　结论

(1)钢筋混凝土网格蜂窝型盒式结构在相同荷载、跨度的情况下，比常规盒式结构及框架结构挠度更小，自振周期与周期比更低，抗扭性能更好。

(2)钢筋混凝土网格蜂窝型盒式结构楼层位移在长跨方向上与正交斜放型盒式结构的楼层位移值基本相同，而在短跨方向上蜂窝型盒式结构则明显优于正交斜放型盒式结构；抗侧刚度更大，抗侧刚度及内力分布更加均匀。

(3)蜂窝型盒式结构同正交斜放型盒式结构相比，混凝土用量分别下降11.64%和16.68%，钢筋用量分别下降3.6%和7.9%，在节省造价方面具有明显优势。

[1]陈佳琪， 马克俭， 聂世杰， 等. 钢筋混凝土空间网格盒式 “成束筒” 结构静力弹塑性分析[J]. 贵州大学学报: 自然科学版， 2014， 31(5): 77-80.

[2]宋帅， 麻凤海， 陈志鹏， 等. 装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构在多层大跨度工业建筑中的设计与应用[J]. 建筑结构， 2014(13)：15-18.

[3]胡岚， 马克俭. U形钢板-混凝土高强螺栓连接组合空腹夹层板楼盖结构研究与应用[J]. 建筑结构学报， 2012， 33(7): 61-69.

[4]马克俭， 张华刚， 肖建春， 等. 中国钢筋混凝土空间网格结构新体系的开拓与发展(上)[J]. 中国工程科学， 2008， 10(7): 4-17.

[5]马克俭， 张华刚. 新型建筑空间网格结构理论与实践[M]. 北京：人民交通出版社， 2006.

[6]张震， 马克俭， 陈红鸟， 等. 钢筋混凝土空间网格盒式结构在多层厂房中的应用[J]. 贵州大学学报: 自然科学版， 2015， 32(4): 103-107.

[7]GB 50010—2010 混凝土结构设计规范 [S] .北京:中国建筑工业出版社，2010.

[8]JBJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程 [S] .北京:中国建筑工业出版社，2010.

[9]GB 50011—2010建筑设计抗震规范 [S] .北京:中国建筑工业出版社，2010.

(责任编辑：王先桃)

Mechanical Comparison Analysis of New RC Grid Honeycomb Cassette Structure

WANG Zexi, MA Kejian*, CHAO Yaru, CAI qi, LI Shaolang, WU Bang

(Space Structures Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

The structural compositions of new RC Grid honeycomb open-web sandwich plate and honeycomb cassette structure were introduced. The finite element models of RC grid honeycomb cassette structure were built by using SAP2000 software. The mechanical properties of RC grid honeycomb cassette structure such as structure displacement, natural vibration period and story drift angle were researched, then they were compared with those of orthogonal diagonal open-web sandwich plate and conventional frame structure. The results show that RC Grid honeycomb open-web sandwich plate got stronger plane adaptability, the integrity and economic benefit, rigidity of the structure were better uniformly distributed.

honeycomb; open-web sandwich plate; cassette structure; mechanical property; comparison analysis

1000-5269(2016)02-0097-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.02.22

2016-01-15

“十二五”国家科技支撑计划(2011BAJ09B01-01)；国家自然科学基金项目(50978064/E080502)；贵州大学研究生创新基金资助(研理工2016001)

王泽曦(1990-)，男，在读硕士，研究方向：大跨度空间结构，Email: wang_zexi@163.com

马克俭，Email: makejian2002@163.com

TU375.4

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