本節(jié),我們討論相對(duì)于無(wú)梁樓蓋,現(xiàn)行梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模式賦予梁板體系額外正截面抗彎安全度問(wèn)題。
梁板結(jié)構(gòu)(大梁大板)
無(wú)梁樓蓋
梁板共同工作是結(jié)構(gòu)工作性態(tài)的一種表述方式,在現(xiàn)行通用結(jié)構(gòu)計(jì)算中,通常假定了荷載的傳遞路線,由板以三角形、梯形荷載的模式傳給梁,梁再通過(guò)彎剪受力傳給柱子的受力模式,一般情況下,樓板比較薄、梁尺度比較大,二者剛度差異較大時(shí),這種計(jì)算模式是近似成立的。
但是在板比較厚,如地下車庫(kù)的頂板,板的剛度不能忽略時(shí),計(jì)算方式會(huì)帶來(lái)很大的誤差,此時(shí)就需要不僅僅是將板作為傳力構(gòu)件來(lái)考慮,板本身將與梁一起承擔(dān)荷載引起的內(nèi)力(彎矩、剪力),將較大程度降低梁的內(nèi)力,參見:土木吧“梁配筋可減少1/3,你怎么看”中,對(duì)此有所描述。
實(shí)際力學(xué)上講,梁板始終是共同工作的,計(jì)算模式應(yīng)該是板元(或殼元)同時(shí)進(jìn)入總剛度矩陣進(jìn)行計(jì)算,才是正確的計(jì)算方式,且梁與板同時(shí)按照有限元的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行內(nèi)力配筋分析,就能貼近真實(shí)的計(jì)算結(jié)果,不存在共同作用計(jì)算不安全的問(wèn)題。顯然,梁按照共同工作計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì),那么板也應(yīng)該參照該內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)及板帶配筋(參照無(wú)梁樓蓋),若板按照區(qū)格內(nèi)力(四邊支承)來(lái)配筋是有缺陷的,造成梁承載力及安全度缺失。
下面,我們以跨度為l的正方形區(qū)格多跨框架大梁大板為例,選擇中間跨按照常規(guī)方法來(lái)分析,看看常規(guī)分析方法形成的抗彎富余度及總彎矩在梁板中的分配,僅考慮樓板上均布荷載q,不考慮梁板自重。正方形區(qū)格樓板傳力給了梁形成如圖所示的三角形荷載,荷載大小是ql。
1、單方向總彎矩與抵抗彎矩分析
1、單方向的總彎矩:
按照結(jié)構(gòu)力學(xué)靜力平衡,容易知道單方向的總彎矩是:
2、按照常規(guī)分析方法的總彎矩(抵抗矩)
即現(xiàn)行計(jì)算方法,該總彎矩也可以說(shuō)是抵抗矩或配筋抵抗彎矩,板沒有按照板帶進(jìn)行配筋,而是按照板跨中正彎矩、邊支座中點(diǎn)板負(fù)彎矩通長(zhǎng)配筋得到的總彎矩抵抗矩。
1) 梁的負(fù)彎矩和正彎矩絕對(duì)值相加就是梁承擔(dān)的總彎矩部分:
查三角形荷載的單跨梁公式,則梁承擔(dān)的總彎矩是:
2)板承擔(dān)的總彎矩抵抗矩部分
按照均布荷載四邊固端板(a/b=1)查跨中正彎矩、邊支座中點(diǎn)板負(fù)彎矩絕對(duì)值并疊加即為板承擔(dān)的總彎矩抵抗矩:
m = (0.0176ql2 + 0.0513ql2)l=0.0689ql3
以上疊加1+2為梁+板總彎矩(抵抗矩):
二、結(jié)論
1、板也承擔(dān)了部分總彎矩,約33.3%;
實(shí)際板承擔(dān)的總彎矩應(yīng)該是靜力平衡總彎矩減去梁承擔(dān)的總彎矩,剩下由板承擔(dān):
可見雖然板看起來(lái)只是傳力構(gòu)件,其實(shí)也承擔(dān)了總彎矩,按照靜力平衡條件比例約為33.3%;
2、梁板結(jié)構(gòu)按照常規(guī)計(jì)算有附加21.6%的抗彎安全度;
而現(xiàn)行梁板分開計(jì)算理論得到的單向總彎矩抵抗矩為:m=0.152ql3,所以梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算理論由于計(jì)算模式賦予抗彎安全度為m = 0.152ql3 / 0.125ql3= 1.216,額外增加了21.6%的安全度,而這是由現(xiàn)行梁板分開計(jì)算理論帶來(lái)的,無(wú)梁樓蓋因?yàn)橛?jì)算理論與實(shí)際受力吻合,而沒有這21.6%的附加抗彎安全度;
下一節(jié),我們將討論相對(duì)于無(wú)梁樓蓋,現(xiàn)行梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模式賦予梁板體系斜截面額外抗剪安全度問(wèn)題。
備注:板元理論分為薄板、厚板,差別是有沒有考慮剪切變形(變形后法線是否垂直于板中線),板元均可以考慮平面外剛度,而膜元?jiǎng)t只有平面內(nèi)剛度,板元疊加膜元即成為殼元,同時(shí)具有平面內(nèi)和平面外剛度。
繼上節(jié)我們討論了現(xiàn)行梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模式賦予梁板體系額外正截面抗彎安全度問(wèn)題。本節(jié),我們討論相對(duì)于無(wú)梁樓蓋,現(xiàn)行梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模式賦予梁板體系額外斜截面抗剪安全度的問(wèn)題。
在現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)構(gòu)計(jì)算中,通常假定了荷載的傳遞路線,即由板以三角形、梯形荷載的模式將樓面荷載傳遞給梁,再由梁將由相應(yīng)荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力、扭矩等傳遞給柱的受力模式。在抗剪計(jì)算中,荷載由板傳給梁,再由梁承擔(dān)100%的抗剪設(shè)計(jì),沒有考慮樓板的作用。在樓板較薄、梁截面較大時(shí),板提供的抗剪承載力有限,這種計(jì)算模式是近似成立的。
但在板比較厚(如地下車庫(kù)頂板)的情況下,板可以與梁一起承擔(dān)樓面荷載引起的剪力。
下面我們以地下車庫(kù)頂板常見的大梁大板體系為算例,按照典型截面根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算,分析現(xiàn)行梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算模式賦予梁板體系額外斜截面抗剪安全度。
我們采用的通用算例中,混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為c30,鋼筋及箍筋等級(jí)均為hrb400級(jí),框架柱尺寸為500×500mm,框架梁尺寸為400×800mm,樓板厚度為300mm。梁箍筋為hrb400級(jí)鋼筋10@100(4),不考慮彎起鋼筋。
現(xiàn)行規(guī)范中無(wú)論是矩形、t型或者誰(shuí)更安全?梁板pk無(wú)梁樓蓋_11型構(gòu)件的混凝土構(gòu)件在重力荷載作用下的抗剪承載力計(jì)算均參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(gb 50010-2010)》(2015版,以下簡(jiǎn)稱砼規(guī))中6.3.1~6.3.7條相應(yīng)內(nèi)容計(jì)算。梁的抗剪承載能力如下:
由上可知,單根梁的抗剪承載力為1072kn,四根梁總共的抗剪能力為4288kn。
考慮板對(duì)于梁的抗剪附加安全度時(shí),按照梁45°剪切破壞面,板按照受力路徑最小原理,梁破壞面之間最小的連線作為板的剪切破壞面,板提供的附加的抗剪承載力由四根梁的剪切破壞面之間的四個(gè)板抗剪面組成,板的有效高度h0=250mm,板的剪切破壞面板頂長(zhǎng)度為1131mm,板底長(zhǎng)度為631mm,截面中間高度的長(zhǎng)度為881mm,四個(gè)面的抗剪承載力為:
根據(jù)《砼規(guī)》6.5.1條:
則梁板總的抗剪承載能力為 1072×4+881=5169kn,5169/4204=1.205,可知梁板共同作用時(shí),通用算例中梁柱節(jié)點(diǎn)處有20.5%的額外抗剪安全度。
在現(xiàn)行規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(jtg 3362-2018)》5.2.9條中,矩形、t型、誰(shuí)更安全?梁板pk無(wú)梁樓蓋_17型截面受彎構(gòu)件斜截面抗剪承載力計(jì)算的公式存在受壓翼緣的影響系數(shù),對(duì)矩形截面取為1.0,對(duì)t型和誰(shuí)更安全?梁板pk無(wú)梁樓蓋_18型截面取為1.1,也是通過(guò)影響系數(shù)的方式近似考慮了梁翼緣部分對(duì)梁抗剪承載力的提高。
這兩節(jié)討論了相對(duì)于無(wú)梁樓蓋,現(xiàn)行梁板計(jì)算模式賦予結(jié)構(gòu)額外的安全度問(wèn)題,并不是讓大家違背現(xiàn)行的計(jì)算模式,把額外的安全度都用完,只是把額外的安全度提出來(lái),讓大家做到心中有數(shù),同時(shí),在無(wú)梁樓蓋的設(shè)計(jì)與施工中,更應(yīng)該做到心中有數(shù)。安全可靠,是結(jié)構(gòu)工程師的第一標(biāo)準(zhǔn)。