新型装配式钢筋桁架密肋楼盖的静力性能

(1. 济南大学土木建筑学院， 山东济南250022； 2. 山东建勘集团有限公司， 山东济南250000)

密肋楼盖是由薄板和间距较小的肋梁组成的结构形式，分为单向密肋楼盖和双向密肋楼盖2种。该楼盖体系适用于荷载较大、大跨度空间的多高层建筑，具有节省材料、造价低、结构性能好等特点，应用较广泛，也取得了较丰富的研究成果。赵考重等[1]对叠合箱网梁楼盖进行静力加载试验， 发现底板裂缝间距和宽度大，裂缝数量少，而肋梁裂缝间距和宽度小，裂缝较多。陈礼刚等[2]对恒载作用下混凝土简支板与三跨连续板足尺模型进行试验，得到了连续板的内力重分布和破坏特点。朱崇绩等[3]通过对足尺无梁楼盖的火灾试验发现，楼盖含水率对高温性能影响严重，含水率过高会导致混凝土发生爆裂现象，板顶裂缝呈对角双曲线形。王显都[4]提出了装配式密肋空心楼盖的实用计算方法。周绪红等[5]针对目前混凝土双向密肋装配整体式空心楼盖刚度和变形计算存在较大误差的问题， 提出更精确、 合理的刚度和变形计算方法。 李青宁等[6]提出一种由新型预应力空心板和后浇边缘构件组成的新型装配式楼盖。 宣卫红等[7]采用ANSYS软件研究新型混凝土空心楼盖板的保温隔热性能， 结果表明， 影响空心楼盖板等效导热系数的主要因素是体积空心率， 在体积空心率为8%～30%时两者呈线性关系。 Bailey等[8]提出了一种预测火灾条件和常温条件下无约束混凝土板承载力的计算理论，试验结果与计算结果具有良好的相关性。 舒兴平等[9]研究了全装配式桁架梁组合楼盖的平面内刚性性能， 结果表明， 楼盖在平行于拼装板缝方向受力时整体性较好。李俊峰等[10]通过用不同的计算软件， 对密肋楼盖在竖向荷载作用下的受力机理进行分析， 结果表明，密肋楼盖的柱帽对主梁及与柱帽相连的第一跨次梁弯矩影响较大， 而对其他跨的次梁影响较小。 Aguado等[11]研究了4块标准尺寸钢筋混凝土空心板中钢筋布置对抗弯高温性能的影响， 结果表明， 当钢丝和钢绞线从暴露表面移开时， 验证方法通常高估了耐火计算。 郑红华等[12]对现浇混凝土空心楼盖在工程应用中的关键问题进行分析， 并结合规范的规定提出了现阶段现浇空心楼盖的一些认识误区。 Shakya等[13]对6块预制预应力混凝土空心板进行了试验研究和数值模拟， 结果表明， 该模型能够在标准和设计火灾条件下模拟空心板的受力行为。

装配式建筑成为当前土木工程建造领域的热点和发展方向，传统密肋楼盖已不再适应行业发展需求，而常见的预应力叠合楼盖的自重较大，吊装运输均不方便，一定程度上限制了其推广，因此，研究一种新型装配式楼盖具有重大意义。本文中提出一种新型装配式钢筋桁架密肋楼盖，为了掌握该类楼盖的受力性能，采用有限元软件建模，分析单、双向板楼盖在各种荷载工况下的受力特点和变形能力。

1 楼盖模型

楼盖模型如图1所示。新型装配式钢筋桁架密肋楼盖由钢筋桁架、填充泡沫块、纵横向钢筋连接件等部分组成，混凝土部分为密肋结构，肋梁之间填充轻质发泡混凝土块， 肋梁上部设置钢丝网混凝土现浇层，纵横向钢筋桁架、连接件配合以条状拼装式铝合金模板，可以使得楼盖在施工过程中不再需要大体量的模板和脚手架。填充氮气发泡混凝土，自重减小，同时具备保温隔热性能。除现场浇筑的高强度免振捣灌浆料外，其他部件均由工厂标准化生产。

(a)楼盖三维图

(b)楼盖剖面图图1 楼盖模型示意图

2 静力性能模拟

混凝土采用C3D8R单元。钢筋桁架和钢丝网采用T3D2单元。混凝土网格、钢筋骨架网格、面层钢丝网的网格边长分别为4、 3、 5 cm。分别建立单向板楼盖和双向板楼盖2个足尺模型，如图2所示。

3 结果分析

为了研究该类楼盖在各种类型建筑物中的静力性能，考虑多种使用工况如下： 1)住宅、教室； 2)通风机房、电梯机房； 3)密集柜书库； 4)消防车用通道。对应的荷载分别为2.5、 7.0、 12、 20 kN/m2，均考虑活荷载满布。

3.1 楼盖挠度

有限元软件ABAQUS模拟结果表明，四边固定约束时各种工况下楼盖挠度呈现相似规律， 以活载为12 kN/m2工况下单向板和双向板挠度分布云图为代表进行分析，如图3所示。由图可知，跨中区格板中心位置挠度最大，距离中心区格板越远，变形越小。单向板楼盖沿短跨方向的各中间区格变形均较大，肋梁对区格板的约束作用明显，挠度应力云图在每个区格呈独立分布， 有明显的区格界限。 双向板楼盖的变形主要集中在楼盖的中心，其他区格挠度相对较小，说明荷载传递路径沿2个方向开展。

(a)单向板

(b)双向板A—楼盖中心；B—楼盖中心区格短跨跨中；C—楼盖中心区格长跨跨中。图2 单向板楼盖和双向板楼盖足尺模型

四边固定约束时4种工况下跨中最大挠度对比如图4所示。由图可以看出，无论单向板还是双向板，均在跨中楼盖位置出现较大的挠度而周边肋梁挠度较小。单向板在4种荷载工况下最大挠度为0.778 mm，同级荷载下跨中楼盖挠度明显大于相邻肋梁挠度。双向板模型因跨度较大而在4种荷载工况下挠度均大于单向板的，最大挠度为2.621 mm。与单向板不同的是，双向板跨中楼盖与周边肋梁的挠度差值明显比单向板的小，并且随着荷载的增大，最大挠度的发展基本呈平行趋势，体现了双向板在长、短跨2个方向均受力较大的特点。

(a)单向板

(b)双向板图3 四边固定约束时挠度分布云图

(a)单向板

(b)双向板A—楼盖中心；B—楼盖中心区格短跨跨中。图4 四边固定中心区格板跨中及肋梁最大挠度

图5所示为活荷载为12 kN/m2工况下单向板和双向板挠度分布云图。由图可知，2种楼盖的变形有较大不同，单向板楼盖挠度较大区域集中在楼盖中部几个区格板内，由于肋梁的刚度较大，因此，各区格板的变形呈现区域性，其他部位区格板的挠度很小。双向板楼盖的变形则集中在中部连接几个相邻区格板的区域，在该区域内板和肋梁的变形均较大，而且变形均呈明显的辐射状分布，展现出整体双向弯曲的特性。

(a)单向板

(b)双向板图5 四边简支约束时挠度分布云图

四边简支约束时跨中楼盖及周边肋梁最大挠度如图6所示。由图可知，单向板模型在4种荷载工况下最大挠度为3.297 mm。双向板在4种荷载工况下挠度变形较单向板大，与单向板不同的是，双向板核心区格板跨中与周边肋梁的挠度差值明显比单向板小，体现了双向板在长、 短跨2个方向均受力较大的特点。四边简支约束时单向板和双向板不同位置的挠度变化曲线较接近，原因是简支边界条件引起了楼盖整体变形而削弱了肋梁的约束作用。无论单向板还是双向板，均在核心区格板跨中位置出现较大的挠度而周边肋梁挠度较小。楼盖最大挠度小于国家标准GB 50010—2016《混凝土结构设计规范》中的限值l0/300(其中l0为板的计算跨度)，能够满足民用建筑使用需求。

(a)单向板

(b)双向板A—楼盖中心；B—楼盖中心区格短跨跨中。图6 简支边界核心区格板跨中及周边肋梁最大挠度

3.2 楼盖应力

图7所示为四边固定约束时各种工况下跨中钢筋应力。由图可知，单向板楼盖在工况4(20 kN/m2)下短跨跨中最大钢筋应力为18.4 N/mm2，长跨跨中最大钢筋应力为3.3 N/mm2。双向板中短跨跨中最大钢筋应力为88.2 N/mm2,长跨跨中最大钢筋应力为31.2 N/mm2。密肋结构形成的空间传力模式使得2类楼盖的钢筋应力均不大，短跨跨中钢筋应力均大于长跨跨中钢筋应力。单向板中2个方向跨中钢筋应力相差较大，而双向板中2个方向跨中钢筋应力较接近。

图8所示为四边简支约束时各工况下跨中钢筋应力。由图可知，四边简支时跨中弯矩最大，因此，钢筋应力较四边固定时增大幅度很大。相同荷载作用下，双向板跨中钢筋应力比单向板的大。

4 结论

本文中针对一种新型装配式钢筋桁架密肋楼盖，采用ABAQUS软件分析了楼盖静力性能，分别建立了单向板和双向板足尺模型， 通过研究不同工况下四边简支和四边固定的楼盖受力特点，得出如下结论：

(a)单向板

(b)双向板B—楼盖中心区格短跨跨中；C—楼盖中心区格长跨跨中。图7 四边固定边界楼盖跨中钢筋应力

(a)单向板

(b)双向板B—楼盖中心区格短跨跨中；C—楼盖中心区格长跨跨中。图8 四边简支边界楼盖跨中钢筋应力

1)当四边固定约束时，无论单向板楼盖还是双向板楼盖，最大挠度都发生在跨中区格板，并且肋梁变形小，对楼盖面层约束效果明显，挠度以区格局部变形为主。

2)在四边简支约束条件下，肋梁也有较大变形，楼盖中心区格的挠度整体偏大。在各类工况下，楼盖变形均小于规范要求的正常使用限值。四边简支时跨中钢筋应力显著增大，但是均未达到屈服，有较高的承载能力和安全储备。