摘要:大空间住宅剪力墙-楼板结构体系由于开间和进深较大,楼板在竖向均布荷载下产生过大的板边端弯矩,且受板厚和剪力墙厚的限制,使得板墙节线成了板墙结构体系的薄弱环节,本文
应用正交各向同性弹性薄板理论,分析了钢筋混凝土板墙节线在传递楼板边端弯矩时的变形情况,
并分析了它的影响因素。推导出板墙节线出墙面位移及转角的解析表达式;并将理论解与ANSYS有限元解进行比较,结果吻合较好。
关键词:钢筋混凝土;剪力墙;板墙节线;弹性薄板理论;转角
1. 引言
随着人们对住宅空间灵活性、多样性、适应性和可改性的要求,出现了一种楼面无梁、墙面无柱、一户一板的住宅结构体系大空间住宅剪力墙-楼板结构体系。由于这种新型结构的体系的开间及进深都比较大,在竖向荷载作用下,楼板传递给剪力墙的弯矩增大,而使得剪力墙要承受平面外弯矩,通常普通剪力墙主要承受平面内弯矩和水平剪力,因此大空间住宅板墙体系中剪力墙的受力状态就有别与普通剪力墙。另外受楼板板厚及剪力墙厚度的限制,板墙节线区域很小,使得此节线成了这种新型板墙结构体系的薄弱环节,对于板墙节线的受力性能和设计方法,目前各国的研究很少,现行的结构设计规范中也没有对这类节线进行明确的规定。板墙节线在实际工程中屡见不鲜,其受力较为复杂,因此,板墙节线的受力性能和设计方法是我国当前工程设计迫切需要研究和解决的问题。
所谓的板墙节线,主要是指在板墙体系中剪力墙和楼板的相交核心区域与邻近核心区的板端和墙端。
本文由弹性薄板理论导出了板墙节线挠度及转角的级数解,其结果与ANSYS 有限元计算吻合较好,并分析了板墙节线挠度及转角的影响因素,对以后研究板墙节线的受力问题及工程设计有一定的参考价值。
2. 计算模型
钢筋混凝土板墙节线的力学计算模型[3]如图1 所示。在整个剪力墙体上下层间反弯点处取出一片墙体, 假定墙体平面外弯曲的反弯点在每层的中线位置,这样取出的计算分析模型中,剪力墙上下两端为简支,假设剪力墙的左右两端也为简支,墙体的高度等于层高。可假定剪力墙和楼板为刚接,那么楼板周边为固支。本文在分析时没有考虑上下楼层之间的相互作用。
由于剪力墙的厚度较高度和宽度方向的尺寸小许多,可采用薄板理论进行分析。
模型的主要参数如下:剪力墙高(层高)h,墙宽a,墙厚tq ;楼板长b,楼板宽a,楼板厚tb,混凝土弹性模量Eo ,泊松比μo;钢筋的弹性模量E1,泊松比μ1。
3. 楼板边端弯矩的简化
根据图1 的计算模型,楼板在竖向荷载下产生板边端弯矩,并传递给剪力墙。在分析时,假定将此平面外弯矩M 等效为在节线楼板厚b t 范围内沿墙高方向的一线性分布荷载,如图2 所示。
6. 分析和建议
(1)板墙节线出墙面位移和转角由于受两边翼缘墙体的影响,在相同标高处沿墙宽方向不均匀分布,中间出现峰值,然后向两端递减。
(2)从板墙节线出墙面位移和转角的公式(10)和(11)中可以看出随着板厚tb的增大,两者成减小趋势。而墙厚tq的越大越大,所以板墙节线出墙面位移和转角越小,由此
可见在工程设计中为减小节线的出墙面位移和转角在一定程度上可以增大板墙的厚度。
(3)由于本文主要进行的是板墙节线线弹性范围内的研究,所以没有讨论配筋率对板墙节线
出墙面位移和转角的影响,但从公式中可以看出,随着挠曲刚度的增加,位移和转
角越小,可见通过提高剪力墙混凝土等级和配筋率来增大剪力墙的等效弹性模量q E ,进而增大了
挠曲刚度,从而有效的减小板墙节线的出墙面位移和转角。
(4)由公式(5)可知,板墙节线所承受的板边端弯矩沿剪力墙宽度方向是两头小、中间大,
要承受一定量的扭矩,这必定使板墙节线发生扭转变形,因此工程设计中有必要配置一些抗扭钢筋。
(5)对于节线的抗变形能力,本文只进行了线弹性阶段的理论分析,而在塑性阶段的变化情况还需要进一步研究。
参考文献
[1] 杨耀乾.平板理论[M].北京:中国铁道出版社,1980.
[2] 董文堂.固支边矩形薄板的纳维叶解法[J].黄石高等专科学校学报,1993.
[3] 林宏伟等.钢筋混凝土框架梁-剪力墙平面外连接节线的力学分析[J].建筑科学与工程学报,2007.
[4] 杨华等.钢筋混凝土梁-墙平面外连接节线试验[J].建筑结构学报,2005.
[5] 王新敏.ANSYS 工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[6] 孔丹丹等.钢筋混凝土材料有限元分析中的等效模量方法[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2005.
[7] 中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范GB50010-2002 [S] .北京:中国建筑工业出版社,2002.