加腋大板關鍵問題的研究

一、 摘要

研究：

1、加腋大板應用於地下室頂板的適用條件；2、加腋大板的計算方法；3、加腋大板的配筋及構造。4、加腋大板與傳統主次梁板結構型式的經濟性對比分析。

關鍵詞：加腋大板

樓板有限元分析

梁板變形協調

二、

研究背景及意義

隨著對建築功能、美觀性、經濟性的要求越來越高，在地下室結構設計時，為保證地下室淨高、並且美觀經濟，出現了也來越多樣化的結構型式，比如無樑樓蓋、加腋大板等。而加腋大板的優點在於：

1、構件受力合理；2、可用於地下室頂板作為上部結構嵌固端；3、加腋大板板厚較厚，有利與防水抗滲；4、室內樓板平整度較好，可以有效利用空間，減小層高，有利於室內管線的排布；5、施工便捷，減少次梁支模工作。

隨著結構設計的理念和計算分析手段的不斷提高，結合我院設計的具體專案，對加腋大板的使用條件、計算方法、受力特點、特殊構造及經濟性進行研究，

對今後

的

工程起到指導、參考性意見。

三、

研究計劃要點及執行情況概述

本專案於

2019年1月1日立項，計劃於2019年12月31日完成。共4人參與研究，其中2名正高階工程師，2名工程師。

主要研究方式為結合實際工程專案，多種方式計算、對比分析，給出加腋大板的合理使用區間、分析其受力特點、作出經濟性評價，並針對專案中遇到的實際情況給出通用節點大樣。

針對地下室常見柱網跨度：

6。3M、7。2M、8。1M、8。4M，在覆土厚度取1。2M（21。6KN/M

2

）、

1。5M（27。0KN/M

2

）、

2M（36。0KN/M

2

）

，活荷載取值3。5 KN/M

2

，不考慮消防車荷載、人防荷載和地震作用的情況下，利用北京盈建科軟體有限責任公司編制的

YJK1。9。3

和中國建築科學研究院

PKPM2010-V4。3版

對加腋大板分別進行計算分析對比。對兩個不同計算軟體在分析時的引數設定、計算結果進行對比，給出合理化意見。給出加腋大板的受力形態，對加腋尺寸給出最佳化方案。並對比加腋大板與傳統井字梁板結構體系的含鋼量，確定加腋大板的經濟性水平。

四、

主要進展和所取得的成果

（

1）對兩個軟體的計算結果進行對比分析

設定計算模型：構件採用單層鋼筋混凝土框架結構，樓板為加腋大板的三維實體模型，為了計算的準確性，模型考慮縱橫向各

5跨，軸網取8。1mx8。1m。混凝土容重取26KN/M3，泊松比0。2，考慮正常使用階段板均為彈性工作狀態。恆載自動考慮結構自重，樓板附加恆載：按2m覆土厚考慮，恆載為36

k

N/m2，活荷載按3。5

k

N/m2計算，不考慮消防車荷載、人防荷載和地震作用。混凝土強度等級取C35，鋼筋採用HRB400。

計算分析時，在計算引數設定時，分為兩種情況，主要針對

梁板頂面

是否

對齊

。分別為模型

1和模型2。具體引數如下：

兩個計算軟體模型一的計算結果如下：

a、豎向設計荷載作用下中間跨板的豎向位移圖：

b、中間跨樓板板頂配筋圖如下：

PKPM

計算結果

YJK

計算結果

c、中間跨樓板板底配筋圖如下：

PKPM

計算結果

YJK

計算結果

d、中間跨梁配筋圖如下：

PKPM

計算結果

YJK

計算結果

e、PKPM與YJK的計算結果對比：

經對比分析

：模型一中YJK梁配筋結果遠遠大於PKPM的計算結果。

模型二的計算結果板的變形及配筋比模型一偏大，但相差不大，這裡不再贅述。但梁

的配筋面積

YJK與PKPM的計算結果已基本一致。原因是在不考慮梁板頂面平齊的情況下，梁斷面不考慮樓板翼緣的作用，僅按純梁板體系的板支座進行計算，所以二者結果相差不

大，而且都比模型一的計算結果大了

30%~50%。如下圖

PKPM

計算結果

YJK

計算結果

可以看出：

1、YJK計算結果靠近柱端位置初始變形相對PKPM要大，而後變形率基本一致，在板剛度基本一致的情況下， YJK板支座筋較PKPM大，板底配筋與PKPM基本一致。

2、由於梁板變形協調，在梁跨中部位，平行於梁方向板底依然受拉，需配置底部筋，根據YJK結果，綜合彎矩與加腋板後，配筋最大部位在斜腋角的中部。

3、對比模型一和模型二可以看出，樓板計算結果接近，梁配筋差別較大，模型一考慮了

考慮梁板頂面對齊後

，

梁計算考慮了彈性板加腋

的翼緣剛度，

梁配筋計算值大幅減小

，所以在大板加腋計算中，計算引數推薦採用模型一

，考慮梁板頂面平齊，計入板翼緣的作用。

4、結合計算結果，

在考慮梁板協調變形和

考慮梁板頂面對齊

情

況下

YJK梁配筋結果比PKPM大得多，主要原因是PKPM梁剛度考慮不足，在相同變形下內力偏小所致。

5、為進一步驗證計算的準確性，採用ABAQUS進行復核計算，在以上相同工況下，其計算結果如下：

樓板未加腋時，恆載下樓板跨中豎向位移為

2。3mm

樓板未加腋時，活載下樓板跨中豎向位移為

7。0

mm

樓板加腋後，恆載下樓板跨中豎向位移為

1。6mm

樓板加腋後，活載下樓板跨中豎向位移為

2。0mm

可以看出樓板加腋後，樓板變形得到大大改善。

ABAQUS

樓板頂面

X方向應力雲圖（中間樓板支座區域應力最大值1

。2MPa

）

YJK樓板頂面X方向應力雲圖（中間樓板支座區域應力最大值

2。2MPa

）

ABAQUS

樓板底面

X方向應力雲圖（中間樓板跨中區域應力最大值1。4

MP

a）

YJK樓板底面X方向應力雲圖（中間樓板跨中區域應力最大值

1。65MP

a）

經對比後，

YJK的計算結果均比ABAQUS的偏大，採用YJK的計算結果是偏於安全的。

結合

PKPM、YJK、ABAQUS三個軟體計算結果的對比分析，

建議以YJK計算結果作為設計依據。

（

2）對於加腋大板板厚取值、加腋高寬取值的對比分析。

為便於對比，選擇柱網

8。4

mx8。

4

m

，覆土厚度仍按

2m（36

k

N/ m

2

），活荷載按

3。5

k

N/m

2

計算主樑截面

350x800mm，柱截面取600x600mm。其餘引數不變。各板厚及加腋寬高取值的鋼筋含量表如下：

表一

。樓板厚度取210mm（L/40），大板加腋含鋼量（kg/m2）分析

注：

L為柱跨

表二

。樓板厚度取240mm（L/35），各加掖尺寸含鋼量（kg/m2）分析

注：

L為柱跨

表三

。樓板厚度取280mm（L/30），各加掖尺寸含鋼量（kg/m2）分析

注：

L為柱跨

經過對比分析可以看出樓板厚度取

L/40、加腋高度取L/20、加腋寬度取L/4最為經濟（L為柱跨）。原因是加腋寬度對構件的彎矩分佈有顯著影響，加腋寬度越大，板跨中彎矩越小，支座彎矩也相應減小，說明拱效應越顯著，對改善板受力，增大板的承載能力有積極作用

；

隨著加腋寬度的增大，反彎點往跨中方向移動，加腋寬度係數取

4

時，其值最小。偏於安全，建議板頂負筋往跨中延伸的長度取板跨度

（

柱距

）

的

1 /3

。

（

3）、不同柱網在不同荷載下加腋大板和井字梁板、單向梁板的含鋼量對比

三種結構佈置的模型幾何尺寸如下（

混凝土強度等級

C35，鋼筋等級HRB400），考慮到地下室頂板常作為上部結構的嵌固端，最小板厚不小於180mm：

a、加腋大板樓蓋樓板厚度取L/40且不小於180mm、加腋高度取L/20、加腋寬度取L/4（L為柱跨）。大板加腋主樑尺寸詳下表：

b、井字梁樓蓋體系板厚取值180mm，框架及次梁截面尺寸詳下表：

c、單向梁樓蓋體系板厚取值180mm，框架及次梁截面尺寸詳下表

覆土厚度

1。2m（21。6kN/m

2

）含鋼量對比結果：

覆土厚度

1。5m（27kN/m2）含鋼量對比結果：

覆土厚度

2。0m（36kN/m2）含鋼量對比結果：

可以看出，加腋大板含鋼量要比傳統的井字梁小

20%~30%，比單向梁板含鋼量也要小15%以上。由於地下室頂板最小厚度要求不小於180mm厚，所以柱網跨度越小，加腋大板經濟性越好。

（

4）值得注意的問題：

對於加腋大板在設計過程中有一個需要特別注意的問題，由於加腋大板通常用於地下室頂板，邊界條件通常是與地下室外牆相連。地下室外牆設計時通常與地板相連部位按固端，與頂板相連部位按鉸接的單向板計算。但現在由於加腋大板邊跨也加腋，加腋部位樓板剛度較大，與地下室外牆連線部位按鉸接計算已不符合實際受力特點。地下室外牆上節點除滿足在牆外側填土水平壓力作用下按上下固端計算的應力、配筋外，還應滿足平衡加腋厚板支座彎矩的作用，這時需按牆板一體化進行計算。

例：軸網

8。4

mx8。

4

m

，覆土厚度

2m（36

k

N/m2），活荷載3。5

k

N/m2。樓板厚度210mm，梁高350x800，加腋長寬度2100mm，加腋高度420mm。地下室外牆厚度按通常的300mm取值。

有限元計算分析結果顯示，在基本組合

1。3恆載+1。5活載作用下，邊跨樓板在支座邊彎矩較大，彎矩最大值為203kN·m。計算結果詳下圖：

YJK樓板頂面彎矩圖

根據彎矩平衡，地下室外牆外側豎向配筋最大值應為

2654mm

2

/M。配筋率為0。88%，遠大於規範規定的外牆構造配筋率。

（

5）取得的成果

經過對比分析後，可得出以下結論：

1、加腋大板結構可用於地下室頂板，並可作為上部結構的嵌固端。由於加腋大板可利用樓板內的拱效應，使板內產生有利的壓應力，對板內受力明顯改善，可取的良好的經濟性，柱網大於6米的，含鋼量可比常規井字梁樓板體系減少20%~30%，比單向梁板體系減少15%以上。

2、目前常用的結構分析軟體，PKPM系列和YJK系列均可用於計算加腋大板，經對比分析，並採用ABAQUS複核後，

YJK的計算結果相對合理，能更好的應用於實際結構設計工作中。建議採用YJK作為加腋大板的主分析軟體。

3、加腋大板在計算時應採用有限元分析方法，此時樓板應定義為彈性板6，引數設定可考慮梁與彈性板變形協調，並考慮梁板頂面平齊，注意此時梁剛度放大係數應取1。0，由程式自動計算樓板的翼緣作用。

4、透過經濟性分析，在加腋大板設計時，建議樓板厚度取L/40、加腋高度取L/20、加腋寬度取L/4最為經濟（L為柱跨）。

5、地下室外牆與加腋大板相交部位應按固端計算，在外牆計算時應採用牆板一體化有限元計算，考慮牆板連線部位的彎矩平衡。

5、大樣圖詳附圖一、附圖二。

五、

存在問題及未來工作展望

加腋大板由於支座剛度較大，，下一步將針對加腋板支座、框架柱節點受力特性做進一步分析。

加腋大板施工完成後對地下室室內空間、觀感較好。但根據現場施工情況反饋加腋支座處板筋較密，特別是地下室頂板有高差處，或當柱網為非正交柱網時，柱節點處，多個方向加腋板相交處鋼筋層級較多，綁紮還是有一定難度，今後對節點做進一步的最佳化。

由於在含鋼量計算時未能充分考慮構造筋的用鋼量，在經濟性分析時還存在誤差，下一步結合實際工程，與建設方、施工方緊密配合，根據現場預結算結果，對加腋大板的實際用鋼量做準確的統計。