加气混凝土结构的刚度计算.pdf

全国中文核心期刊 钎 巍 加号混凝土结构的刚度计算 赵成文 ， 杨晓艳 t ， 刘吉朋 z ， 高连玉 ， ， 祁建奎 【 1 ． 沈阳建筑 大学 土木工程学院， 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 6 8 2 ． 大连花 园口经济区规划建设局 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 0 2 3 冻 北建筑设计研究院， 辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 3 ； 4 ． 丰海建筑工程设计 沈 阳 有 限公司 ， 辽宁 沈阳1 1 0 o o 2 1 摘要 借助大型通用有限元软件 A N S Y S ， 对加气混凝土屋面板进行数值模拟计算， 主要分析了屋盖的水平位移、 墙片远端的应 变值 。并通过经验公式计算 出屋盖水平位移 与空间作用分配系数 m 和屋盖的综合剪切刚度 G A 之 间的关系。最后， 通过模拟 值 与计算值相 比较， 加深了对配筋屋面板刚度性能的认识 。 关键词 加气混凝土结构； A N S Y S 软件； 分配系数； 剪切刚度 中图分类号 T U 5 2 8 ． 7 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 O 0 8 0 0 4 4 0 4 S t i ffn e s s c a l c u l a t i 0 n o f a e r a t e d c o n c r e t e s t r u c t u r e Z H A0 C h e n g w e n ’ ， Y A N G Xia o y a n ， L I U Y i e e ， G A0 L i a n y u ， Q I J i a n k u i 1 ．S c h o o l o f C i v i l En g i n e e rin g， S h e n y a n g J i a n z h u Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 01 68 ， Li a o n i n g ， C h i n a； 2．Da l i a n Hu a y u a n k o u Ec o n o mi c Zo n e P l a n n i n g Co n s t r u c t i o n Bu r e a u， S h e n y a n g 1 1 6 00 2， L i a o n i n g， Ch i n a 3 ． S h e n y a n g I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t ur a l De s ig n a n d Re s e a r c h， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 3， Li a o n i n g ， C h i n a 4．Fe n g h a i Bu i l d i n g En g i n e e rin g Co ．L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 2， L i a o n i n g ， C h i n a Abs t r a c t T h i s pa p e r a n a l y z e s t h e n u me ric a l s i mu l a t io n c alc u l a t i o n o f a e r a t e d c o n c r e t e s t ruc t u r e b y t h e l a r g e - s c ale fi n i t e e l e ． me n t s o f t wa r e ANS YS， s u c h a s ， t h e h o ri z o n t al d i s p l a c e me n t o f r o o f a n d t h e s t r a i n v a l u e o f di s t al s e g me n t o f wall ； an d c a l c u l a t e s t h e r e l a t i o n s h i p be t we e n h o riz o n t a l d i s p l a c e me n t o f r o o f an d s p a c e e f f e c t d i s t rib u t i o n c o e f fic i e n t m a n d s h e ar s t i ff n e s s o f r o o f GA． F i n all y ， t h i s p a p e r d e e p e n s t h e r e c o g ni t i o n f o r t h e s t i f f n e s s p e rfo r ma n c e of r e i n f o r c e d r o o f t h rou g h c o mp a rin g t h e s i mu l a t e d V alu e s wi t h c alc u l a t e d v a l u e s ． Ke y wor d s a e r a t e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ANS YS s o f t wa r e ； di s t rib u t i o n c o e f fi c i e n t ； s h e a r s t i f f n e s s 1 空问作用分配系数m的计算 本文引入空间作用分配系数m 【 1 ]作为衡量屋盖处水平荷 载分配情况的指标。 屋盖的计算简图见图1 ， 对于刚性屋盖可 以取为弹性支座上的连续梁， 即整个屋盖看作为“ 纵向连续 梁” ， 各墙片是“ 弹性支座” 。对于柔性屋盖则看作为弹性支座 上的简支梁， 各开间的屋盖作为一根简支粱。 基金项 目 j 啬体材料应用 统一技术规范 建设部建标字 2 0 0 6 7 7号 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 - 0 5 作者简介 赵成文 ， 男， 1 9 5 2年 生， 辽宁沈 阳人， 教授 ， 硕 士， 主要从事 砌体结构及混凝土方面 的研 究。地址 沈 阳市浑南 新区浑 南东路 9 号 ， 电话 1 3 9 9 8 8 8 4 8 7 7 。 4 4 新型建筑材料 2 0 1 0 ． 8 空间作用分配系数m的原来定义是单位水平荷载作用 于某排架柱顶时， 该排架所分配到的实际荷载值。 对于本模型 来说， 是2 个集中力分别作用在墙片3 和墙片4 上， 则 m 掣 1 ∑ l 因为本模型的受力情况是对称的，所以对于受集中力的 墙 片 3和 墙 片 4中 的任 何 一 个 而 言 ， 则 分 配 到 ml L L 2 ∑ ∑ 。 对于刚性屋盖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵成文， 等 加气混凝土结构的刚度计算 F F 2 2 、 ， 、 ， 1 2 3 4 5 j [[工]卫 a 上上 2 2 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ， 、 } 3 4 1]一 图 1 刚性屋盖和柔性屋盖的计算简图 3 3 3 3 a m， 0 ． 1 6 7 3 b 对于柔性屋盖 1 4 a ml 0 ． 5 4 b 对于中等刚度的屋盖，参照抗震规范采取以上2 种屋盖 的平均值 m2 挈 _ L 0 ．6 6 7 5 a 鱼 0 ．3 3 4 5 b 以上的m 。 值均为m 的1 ／ 2 ，它们仅有的区别在于m 。 是 对有 1 个集中力的墙片而言， m 是对有2 个集中力的墙片而 言。无论是用m 。 对结构进行分析计算，还是用m 2 来分析计 算， 其结果是完全一致的。 2 综合剪切刚度 的计算 刚度值是由建筑材料的特性常数 如弹性模量 E b 及横 截面积 如面积 、 惯性矩 扭矩 组成。 本文把屋盖看成为 支撑在一系列弹性支座 相当于房屋中的横墙 上的具有剪切 变形的连续梁， 用这种方法计算屋盖的剪切刚度[2 1 。 当为均质材料时， 抗剪刚度用剪切模量G 研2 1 ] 表 示。混凝土的泊松比 随标号和荷载等级不同取值为0 ． 1 5 0 ． 2 5 。取 平均值为O ． 2 ， 则混凝土剪切模量G 0 ． 4 2 巴。于是 抗剪刚度 为 K s G 4 0 ． 4 2 E A 6 式 6 中的横截面积 取决于梁的横截面形状或梁受剪 切力作用的部分以及剪应力的分布。 当出现剪切裂缝后，就不能再用弯曲分析的方法对均质 的横截面进行剪切变形计算。混凝土的泊松数对第二应力方 向已经失去作用，代替了主应力并横向作用到剪切裂缝上的 力完全由抗剪配筋来承受[3 1 。 3 实例 3 ． 1 问题描述及建立模型 本文模型引自 甘肃省建筑科学研究所 力 口 气混凝土板及 普通混凝土圆孔板屋盖横向水平刚度的试验研究 ， 即选取 多层民用住宅的 1 个单元 5 开间 ， 按 1 4比例缩小计算， 平 面尺寸为4 ．0 5 m x 2 ． 0 0 m 。因为研究对象是屋盖， 所以只取房 屋的顶层即将模型制作成单层进行模拟。又因为是研究横向 水平力作用下的刚度问题， 所以屋盖以下只设置横墙。 屋盖模型的制作考虑了以下几点 1 屋面板分为配筋加气混凝土板和普通钢筋混凝土圆 孔板； 2 圈梁截面分为高低2 种， 高圈梁的顶面与屋面板的上 面平齐， 低圈梁的顶面与屋面板的下面平齐， 见图2 。 4 4 m ill 厚加气混 凝土板或3 1 in to 厚普通钢筋混 4 4 in to 厚加气 凝土圆孔板t 目 凝士板 a 低 豳 梁 b 商 圈粱 图2 低圈梁和高圈梁示意 3 拼装加气板屋盖由1 0 块拼板组成。 根据上述几点建立模型， 本模型组合成3 种屋盖 高圈梁 加气混凝土板屋盖 见图3 ； 低圈梁普通钢筋混凝土圆孔板 屋盖 见图4 ； 高圈梁拼装加气混凝土板屋盖 见图5 。 N E W BUI I_ Dl NG M ATE R l AL S 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵成文， 等 加气混凝土结构 的刚度计算 图 3 高圈梁加气混凝土板屋盖 图 4 低 圈梁普通钢筋混凝土 圆孔板屋盖 图 5 高圈梁拼装加气混凝土板屋盖 3 ． 2 位移云图及计算结果 本文通过A N S Y S t 进行有限元分析旧 计算， 得出3 种屋盖 模型的 位移云图以 及v o n M is e s 变形云图， 如图6 图8 所示。 图 6 高圈梁加气混凝土板屋盖水平位移及 Y o n M i s e s 变形云图 4 6 新型建筑材料 2 0 1 0 ． 8 N 图 7 低圈梁普通钢筋混凝土圆孔板屋盖水平位移及 y o n M i s e s 变形云图 N 图 8 高 圈梁拼装加气 混凝土板屋盖水平位移及 y o n Mi s e s 变形云图 通过后处理显示列表计算得出屋盖的位移值 近端与远 端的平均值 ， 由于本文模型为对称结构， 所以只列出l ／ 2 结 构的数据并与试验数据进行对比， 如表 1 表3 所示。 表 1 高圈梁加气板屋盖位移计算值与试验值的比较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵成文， 等 加 气混凝土结构的刚度计算 表 2 低圈梁圆孔板屋盖位移计算值与试验值 的比较 表 3 高圈梁拼装加气板屋盖位移计算值 与试验值 的比较 3 ． 3 结果 分析 通过计算并结合试验得出在上述荷载作用下3 种结构的 位移曲线图， 其中实线表示计算数据、 虚线表示试验数据 见 图9 ～ 图 1 1 。通过计算得出在横向水平荷载作用下3 种结构 的m F 、 G A F曲线图 见图 1 2 、 图l 3 ， 并结合上述空间作用 分配系数m ， 进行刚度比较分析。 2． 5 2． O 雷 1 5 ＼ 1 ． o 0 ． 5 O 4 6 l F- 4 1 0 4 N 2 - F- 81 0 N 3- 1 2 1 0 4 N 4 -F-1 6 1 04 N 5- 1 8 1 0 N 6～ 4 1 0 4 N 7 -F 8 1 0 4 N 8 - F I 2 1 0 4 N 9 -F-1 6X 1 0 4 N 1 0一 F1 8 1 0 4 N 排架数 图 9 高圈梁加气混凝土板屋盖位 移曲线 图 1 6 1 4 1 2 1 ． 0 0 ． 8 0． 6 0． 4 0 2 0 3 4 5 6 排架数 0 4 N 0 4 N 1 0 4 N 1 0 4 N 1 0 4 N 0 4 N 04 N 1 0 4 N 1 0 4 N 1 0 N 图 l 0 低圈梁普通钢筋 混凝土圆孑 L 板屋盖位移曲线图 1 2 1 0 O -8 、 曼0 ． 6 0 4 0 ．2 0 2 4 l F - 4 l o 4 N 2 - F - 8l 0 4 N 3 F-1 2 10 4 N 4 F-1 6 1 0 4 N 5 F-l 8 1 0 4 N 6 -F4 1 0 4 N 7 一F8 l 0 4 N 8 F-1 2 1 04 N 9 一 F 1 61 0 4 N 1 0 F-1 8 1 0 4 N 排架数 图 1 1 高圈梁拼装加 气混凝土板屋盖位移曲线图 1 ．0 O ． 8 0 ． 6 莛 0． 4 0 ．2 0 8 7 0 。 4 2 l 0 4 8 l 2 l 4 1 6 l 8 F ／ x 1 0 4 N 图 1 2 m F曲线图 4 8 1 2 l 4 1 F ／ X 1 0 N 图 1 3 一 F曲线图 由图9 图l 3 可知 1 对A N S Y S 计算值与试验值进行比较， 误差均小于2 5 ％。 2 3 种屋盖模型m值的范围为0 ． 5 1 1 - 0 ． 8 9 8 ， 在中等刚 性 m值0 ． 5 6 7 附近的一定范围内波动， 并处于刚性 m值 0 ． 3 3 3 和柔性 m值 1 ． 0 0 0 之间的一系列中间状态。 下转第 6 4页 N E W BUI L Dl NG MAT E RI At 5 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯小平， 等 在非采暧地区应用热箱一 热流计法检测建筑围护结构热阻的探讨 外空气平均温度分别为2 5 ． 5 、 2 6 ． 9 ℃ 时间段进行过测试， 其 外墙的传热系数分别为1 ． 7 1 、 1 ． 6 2 w／ m z K ， 与设计计算值相 差 3 ． 0 ％和 2 -4 ％。 从结果可以看出， 测试结果与设计计算值误差较小。说 明采用热箱法检测围护结构的传热系数受气候条件的影响较 小， 可以在不同季节进行测试工作。 5 - 3 热箱内空气温度和室内空气温度差别对 K值 的影 响 一 维传热理论， 是建立在热箱内和室内空气的温度一致， 相互之间无热量交换基础上的， 因此， 热箱扣住部分围护结构 和相邻未扣住部分表面温度也一致，相互之间无热量交换。 而检测实践中， 热箱内和室内空气温度总是有一定差别。当 热箱内空气温度大于室内空气温度时， 热箱将向室内 传热， 且 热箱扣住部分围护结构将向相邻未扣住部分传热， 此时所测 值相对增大， 反之， 所测 值相对减小l 1 l 。 6 检测过程应注意的问题 1 温度传感器要紧紧地贴在被测结构的内、 外表面上 中心和四周 ， 且都要做好防辐射处理。 2 设置热箱控制温度时， 应注意天气预报， 一般情况下， 设置热箱控制温度应高于当天 或未来几天内 室外最高温度 l 2 ℃以上；这样就可保证即使室外温度有一定范围内的波 动， 也不会导致室内外空气温差达不到要求而致使数据无效。 3 测试结果处理时， 应选择传热过程基本达到热稳定条 件后的数据进行处理。在试验过程中，需对检测数据进行分 析， 以 判断能否结束试验。 参考文献 川田斌 守， 杨永恒 ， 盂 渊， 等． 应 用热流计现场 检测建筑 物传热系数 新型建筑材料， 2 0 0 4 8 5 9 6 1 ． [ 2 ] 田斌 守． 控温箱一 热流计法现 场检测围护结构传热 系数研 究【J J ． 建 筑节能， 2 0 0 8 1 2 5 1 5 3 ． 【 3 ] 田斌守． 建筑节能现场检测方法【 J 】 ．工程质量 ， 2 0 0 6 1 2 5 2 5 6 ． [ 4 ] DG J 3 2 ／ J 2 3 --2 0 0 6 ， 民用 建筑节 能工程现 场热工 性能检测标 准 [ S 】 上 接 第 4 7页 3 以规范的中等刚度为标准， 拼装板的屋盖刚度在加荷 中始终高于中等刚度； 普通钢筋混凝土圆孔板在荷载小于4 1 0 4 N时略高于中等刚度， 荷载在 4 6 x l N时接近中等刚 度， 荷载大于6 X 1 0 4 N时则开始小于中等刚度， 而且刚度衰减 得较快； 高圈梁在荷载低于 l 0 5 N时略大于中等刚度， 荷载大 于1 0 s N后开始逐渐地小于中等刚度。 4 是屋盖综合剪切刚度， 通过 一 ，曲线图的分析 过程与m F曲 线图的分析大体上相同。 5 3 种屋盖模型 值的范围为 1 1 3 6 ～ 6 9 5 2 x l O 4 N ， 具 有不同的刚度。 6 3 种屋盖结构空间工作的好坏、 屋盖刚度大小的比较 情况在不同荷载阶段是不同的。其中拼装板屋盖结构始终较 好，而其它屋盖结构，在荷载小于4 x l lY N时相互的差别不 大，从荷载4 x 1 0 4 N开始高圈梁加气混凝土板屋盖结构比普 通钢筋混凝土圆孔板屋盖结构稍好一些。 4 结语 通过有限元分析软件A N S Y S 对加气混凝土板及普通钢 6 4 新型建筑材料 2 0 1 0 ．8 筋混凝土圆孔板屋盖在横向水平力作用下的位移及变形进行 了数值模拟计算，从而得到屋面板的分配系数m，最后通过 比较， 并根据J G J ／ T 1 7 2 0 0 8 蒸压加气混凝土建筑应用技术 规程 得出对配筋屋面板刚度性能更有意义的结论。 参考文献 [ 1 ] 罗福午． 单层工业厂房结构 设计[ M1 ． 北京 清华大学 出版社， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 孙 训方， 胡增强． 材料 力学『 M】 ． 北京 高 等教育 出版社 ， 2 0 1 0 5 1 5 4． [ 3 ] J G J 3 2 0 o 2 ， 高层建筑混凝土结构技术规程【 s 】 ． 【 4 ] 甘 肃省建筑科学研 究所 ． 加气混凝 土板与普通 混凝土 圆孔板横 向水平刚度 的研究【 R 1 ． 1 9 8 4 ． [ 5 ] N i l s s o n ， A h u r H． N o n l i n e a r a n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b y t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d [ J I ． A C I J o u rna l ， 1 9 6 8 ， 6 5 ． 【 6 】 懂 哲仁． 钢筋混凝 土结构非线性有 限元 原理与应用【 M】 ． 北京 中 国水利水电出版社 ， 2 0 0 2 ． A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m