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1.2 单向板肋梁楼盖设计

1.2.1 结构布置

单向板肋梁楼盖一般由板、次梁、主梁组成。由主次梁分隔成的板,其长边与短边之比很大(长边与短边之比大于3),板上的均布荷载主要沿短边方向传递到支承构件上;沿长边方向传递的荷载很小,可以忽略不计。

单向板肋梁楼盖布置主要包括柱网布置、主梁布置和次梁布置。其柱网和梁格的布置应满足生产工艺和使用要求,并应使结构具有良好的经济指标。柱网的布置决定了主梁的跨度,通常主梁的经济跨度为5~8m,主梁截面估算时,截面高度可取主梁跨度的1/14~1/8,截面宽度可取主梁截面高度的1/3~1/2;主梁之间的间距即为次梁的跨度,次梁的经济跨度为4~6m,次梁截面估算时,截面高度可取次梁跨度的1/18~1/12,截面宽度可取次梁截面高度的1/3~1/2;次梁之间的间距决定了板的跨度,单向板的经济跨度为1.7~2.7m;为了满足结构安全及刚度要求,单向板的厚度与跨度之比不小于1/30;此外,对于屋面板和民用建筑的楼面板,其厚度不得小于60mm;对于工业建筑楼面板,其厚度不得小于70mm;行车道下的楼板,其厚度不得小于80mm。

梁格布置还应尽可能规整、统一,尽量减少梁、板跨度的变化,以简化设计,方便施工。

1.2.2 计算简图

单向板肋梁楼盖的荷载传递路径为:单向板→次梁→主梁→柱,其板、次梁、主梁分别为支承在次梁、主梁、柱上的连续梁。

1)计算模型及简化假定

①假定支座没有竖向位移,且可以自由转动。单向板以次梁为支座,通常板的厚度远远小于次梁的截面高度,因此板的线刚度远远小于次梁的线刚度,次梁因其竖向位移可以忽略而成为板的不动支座。同时,又假定支座可以自由转动,因此单向板可以简化为连续梁模型计算。上述连续梁模型,支座可以自由转动,忽略了次梁的抗扭刚度对板的转动约束能力,使得计算得到的转角大于实际支座转角,因而计算得到的跨中弯矩大于实际跨中弯矩,计算得到的支座弯矩小于实际支座弯矩。设计中将通过增大恒荷载和减小活荷载,保持总荷载不变的办法来考虑次梁的约束对板弯矩计算结果的影响。这是因为恒荷载是满布布置的,板在中间支座发生的转角很小,按实际情况和铰支算出的结果差异很小。而活荷载要考虑最不利布置,求跨中最大正弯矩时,活荷载需隔跨布置,此时按铰支座计算产生的转动角 θ 很大,而实际转角 θ′ 要小一些,这引起计算结果误差较大。因此,可采取适当增加恒载和相应减小活荷载的措施,使按计算模型得到的支座转角减小,内力值与实际情况相近,即用调整后的折算恒荷载设计值 g′ 和调整后的折算活荷载设计值 q′ 代替实际的恒荷载设计值 g 和活荷载设计值 q ,如图1.8所示。对于板,取:

图1.8 连续梁板的折算荷载

次梁与主梁形成交叉梁系,由前述关于主次梁的分析可知,当主次梁线刚度比大于8时,可以忽略主梁的竖向位移,次梁以主梁为不动支座。同时,又假定支座可以自由转动,因此次梁可以简化为连续梁模型计算。当主次梁线刚度比不满足要求时,主梁产生的竖向位移将会对次梁和主梁的内力产生影响,严格说应该按照交叉梁系进行内力分析,但这样做比较复杂。因此,当仍忽略主梁的竖向位移,把主梁作为次梁的不动支座,将次梁简化为连续梁计算时,得到的次梁的跨中弯矩将比实际受到的跨中弯矩小,偏于不安全;得到的主梁跨中弯矩将比实际受到的跨中弯矩大,偏于安全,设计过程中应该注意此处存在的误差。在次梁简化为连续梁的模型中,支座可以自由转动,同样忽略了主梁对次梁的转动约束能力,使得次梁在支承处的计算转角大于实际转角,由此带来的误差和次梁对板的约束是一样的。因此,仍然可采用折算荷载的方法进行修正。由于主梁抗扭刚度对次梁转动的约束程度与次梁抗扭刚度对板转动的约束程度不同,对于次梁,近似取:

通常主梁与混凝土柱刚接形成框架,柱对主梁弯曲转动的约束能力取决于主梁线刚度与柱线刚度之比。当梁柱线刚度比大于5时,主梁的转动受到柱端的约束可忽略,而柱的受压引起的竖向变形通常很小,此时柱可以作为主梁的不动铰支座,因此主梁可以简化为连续梁模型计算。当梁柱线刚度比不满足要求时,则应该按框架结构模型计算。

②不考虑拱效应对板内力的影响。在单向连续板中,支座截面由于负弯矩的作用,顶面开裂;而跨中截面由于正弯矩的作用,底面开裂,这就使得板的实际中性轴变成了拱形,如图1.9所示。当板的四周支承构件具有足够刚度时,则成为具有抵抗横向位移的拱支座,其提供的水平推力将减少板在竖向荷载下的截面弯矩。但是在边跨,作为端支座的边梁缺乏足够的刚度传递水平推力,板的拱效应减弱。在内力分析时,为了简化计算,一般不考虑板的上述薄膜效应。这一有利作用将在板截面设计的时候,根据不同的支座约束情况,对板的计算弯矩进行折减。通常对四周与梁整体连接的中间跨的跨中间截面及中间支座截面弯矩设计值折减0.8,对于边跨的跨中截面及支座截面不予折减,如图1.10所示。使用中,为了方便,也常进一步简化为对计算所得的钢筋面积乘以0.8的折减系数。

图1.9 板的内拱作用

图1.10 板的弯矩折减系数

③在确定板传给次梁的荷载以及次梁传给主梁的荷载时,分别忽略板、次梁的连续性,按简支构件计算支座竖向反力。这样做主要是为了简化计算,误差不大。

④跨数超过5跨的连续梁、板,当各跨截面尺寸相同及荷载相同,且跨度相差不超过10%时,可按5跨的等跨连续梁、板计算。

对于5跨和5跨以内的连续梁(板),跨数按实际取;对于5跨以上的连续梁(板),当跨差相差不超过10%时,且各跨截面尺寸及荷载相同时,可按5跨的等跨连续梁、板计算。因为对超过5跨的等跨连续梁,除两边第1跨和两边第2跨以外,中间各跨的内力和配筋都与5跨连续梁的中间跨(第3跨)相接近,因此中间各跨仅用一跨代替即可,如图1.11所示。把实际跨数超过5跨的连续梁简化成5跨连续梁,5跨连续梁内力算出后,实际连续梁的两边第1跨和两边第2跨内力同5跨连续梁的两边第1跨和两边第2跨内力;实际连续梁的中间各跨的内力均同5跨连续梁的中间跨内力。

图1.11 大于5跨的连续梁板的计算简图

2)计算单元及从属面积

为减小计算工作量,结构内力分析时常常不是对整个结构进行分析,而是从实际结构中选取有代表性的一部分作为计算的对象,称为计算单元,如图1.12所示。

对于单向板,取1m宽度的板带作为计算单元,在此范围内,楼面均布荷载就是该板带承受的荷载,这一负荷范围称为从属面积,即计算构件负荷的楼面面积。

图1.12 单向板肋梁楼盖的计算简图

楼盖中部主、次梁截面形状都是两侧带翼缘(板)的T形截面,次梁承受板传来的均布线荷载,每侧翼缘板的计算宽度取与相邻次梁中心距的一半。主梁承受次梁传来的集中荷载,荷载范围为纵横两个方向梁间距的一半。

3)计算跨度

梁、板的计算跨度 l 0 是指内力计算时所采用的跨间长度。由图1.12知,次梁的间距就是板的跨长,主梁的间距就是次梁的跨长,跨长不一定就等于计算跨度。从理论上讲,某一跨的计算跨度应该取为该跨两端支座处转动点之间的距离,所以中间各跨取支承中心线之间的距离,对于边跨,当梁板在边支座与支承构件整浇时,边跨也取支承中心线之间的距离,如图1.13所示。

1.2.3 荷载取值

楼屋盖上的竖向荷载有恒荷载和活荷载两类。恒荷载包括结构自重、构造层质量,对于工业建筑楼盖,还需要考虑永久性设备质量等。楼面活荷载包括使用时的人群、家具、办公设备,不上人屋面活荷载包括施工或者维修荷载,上人时可根据使用功能确定。对于屋面活荷载,还需要考虑雪荷载、积灰荷载等。恒荷载标准值可按选用的构件尺寸、材料和容重计算得出。活荷载标准值由《工程结构通用规范》和《建筑结构荷载规范》给出具体取值。

图1.13 连续梁、板的计算跨度

对于民用建筑的楼面均布活荷载,当楼面梁的负荷范围较大时,负荷范围内同时布满活荷载标准值的可能性相当小,故可以对活荷载标准值进行折减。折减系数根据《工程结构通用规范》和《建筑结构荷载规范》,按照房屋的类别和楼面梁的负荷范围确定。

对于板,通常取1m宽板带进行计算,这样单位面积(1m 2 )上的荷载也就是计算板带跨度方向单位长度(1m)上的荷载。次梁除自重及抹灰外,还承受板传来的均布荷载。主梁除自重及抹灰外,还承受次梁传来的集中力。为简化计算,可将主梁自重折算成集中荷载。

确定荷载效应组合的设计值时,恒荷载的分项系数取为:当恒荷载效应对结构不利时,不应小于1.3,当对结构有利时,不应大于1.0。活荷载的分项系数取值,对标准值大于4kN/m 2 的工业房屋楼面活荷载,当对结构不利时,不应小于1.4,当对结构有利时,应取为0。其他情况下的活荷载分项系数取值,当对结构不利时不应小于1.5,当对结构有利时,应取0。

1.2.4 活荷载最不利布置

活荷载在各跨的分布是随机的,要使构件在各种可能的荷载布置下都能满足功能要求,就需要确定在什么样的活荷载布置方式下,某截面内力达到最大。为方便设计,规定活荷载是以一个整跨为单位来变动的,因此在设计连续梁、板时,应分析活荷载如何布置才能使梁、板内某一截面的内力绝对值最大,这种布置称为活荷载的最不利布置。

由弯矩分配法知,某一跨单独布置活荷载时:①本跨跨中为正弯矩,相邻跨跨中为负弯矩,隔跨跨中又为正弯矩;②本跨两端支座为负弯矩,相邻跨另一端支座为正弯矩,隔跨远端支座又为负弯矩。图1.14是5跨连续梁(板)单跨布置活荷载时的弯矩 M 及剪力 V 的分布图。研究其弯矩和剪力分布规律以及不同组合后的效果,不难发现活荷载最不利布置的规律:

图1.14 5跨连续梁(板)单跨布置活荷载时的弯矩和剪力

①求某跨跨内最大正弯矩时,应在本跨布置活荷载,然后隔跨布置。

②求某跨跨内最大负弯矩时,本跨不布置活荷载,而在其左右邻跨布置,然后隔跨布置。

③求某支座绝对值最大的负弯矩或支座左、右截面最大剪力时,应在该支座左、右两跨布置活荷载,然后隔跨布置。

1.2.5 单向板肋梁楼盖内力计算——按弹性理论

在前述确定了结构的计算简图、荷载取值及布置的基础上,单向板肋梁楼盖中连续梁、板的内力计算方法有两种——弹性计算法和塑性计算法。本节讲述按弹性理论进行计算的方法。

1)内力计算

按弹性计算法计算连续梁板的内力,也就是假定结构为弹性均质材料,按结构力学原理进行计算,一般常用力矩分配法来求连续梁、板的内力。为方便计算,对于等截面等跨的连续梁、板在常用荷载作用下的内力系数已经制成表格。实际应用中,可以利用表格迅速求得连续梁板的内力,如附1.1所示。

对于等截面等跨的连续梁、板在常用荷载作用下,可由附表1.1至附表1.4查出相应的弯矩、剪力系数,利用下列公式计算跨内或支座截面的最大内力:

①均布及三角形荷载作用下:

②集中荷载作用下:

式中 g , q ——均布恒荷载、活荷载设计值;

G , Q ——集中恒荷载设计值、集中活荷载设计值;

l ——计算跨度;

k 1 , k 2 , k 5 , k 6 ——弯矩系数;

k 3 , k 4 , k 7 , k 8 ——剪力系数。

2)内力包络图

通过内力计算,求出支座截面和跨内截面的最大弯矩值、最大剪力值,就可进行截面配筋。但这只能确定支座截面和跨内最大弯矩截面的配筋,而钢筋在整个跨度内应该如何变化,例如上部纵向钢筋在什么位置可以截断,却无从知道。为此,就需要知道每一跨内其他截面弯矩和剪力的变化情况,以便合理地确定钢筋的截断位置,明确构件各截面强度是否足够,材料用量是否经济,也即需要绘制弯矩和剪力包络图。

内力包络图由内力叠合图形的外包线构成。下面以承受三分点集中荷载的三跨连续梁的弯矩、剪力包络图进行说明。

由活荷载的最不利布置规律可知,三跨连续梁活荷载最不利布置共有4种情况,对每一种活荷载布置情况分别与恒荷载组合起来,就有如图1.15所示的4种荷载作用方式。利用力学方法求出各种作用方式下连续梁的剪力值和弯矩值,绘出剪力图和弯矩图,然后把各种方式作用下的弯矩图均移动到同一基线上,形成弯矩叠合图。此弯矩叠合图形的外包线即为弯矩包络图,如图1.16弯矩包络图中粗线所示。其对应的弯矩值代表了各截面可能出现的弯矩上、下限。同理,把各种荷载作用方式下的剪力图均移动到同一基线上,形成剪力叠合图,此剪力叠合图形的外包线即为剪力包络图,如图1.16剪力包络图中粗线所示。其对应的剪力值代表了各截面可能出现的剪力上、下限。

可见,连续梁各跨的弯矩包络图,对于边跨,考虑跨内最大正弯矩,跨内最小正弯矩(或者跨内最大负弯矩),内支座截面的最大负弯矩3种情况;对中间跨来讲,考虑跨内最大正弯矩,跨内最小正弯矩(或者跨内最大负弯矩),左支座截面最大负弯矩和右支座截面的最大负弯矩4种情况。连续梁各跨的剪力包络图,对于每跨,只考虑左端支座截面和右端支座截面的最大剪力2种情况。

图1.15 3跨连续梁三分点集中荷载作用下的荷载最不利布置和最不利内力图

3)支座弯矩和剪力设计值

按弹性理论计算连续梁内力时,中间跨的计算跨度取支座中心线间的距离,故所求得的支座弯矩和支座剪力都是指支座中心线的。实际上,正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的危险截面在支座边缘,内力设计值应以支座边缘截面为准,故取

弯矩设计值:

剪力设计值:

在均布荷载下:

在集中荷载下:

图1.16 内力包络图

式中 M′ , V′ ——支座中心处的弯矩、剪力设计值;

V 0 ——为简化计算,取按简支梁计算的支座中心处剪力设计值;

b ——支座宽度。

1.2.6 单向板肋梁楼盖内力计算——考虑塑性内力重分布的概念

1)钢筋混凝土受弯构件的塑性铰

一单筋截面简支梁,跨中承受一个集中荷载,根据混凝土基本原理的知识可知,当梁开始加载到构件破坏,跨中附近截面将经历如图1.17(a)所示的3个受力阶段。第一阶段为弹性阶段 OA ,第二阶段为开裂后的带裂缝阶段至钢筋受拉屈服前的阶段 AB ,第三阶段为钢筋屈服后至截面破坏的阶段 BC 。现着重分析从受拉钢筋屈服到截面受压区混凝土压溃这一过程。

当加载至受拉钢筋屈服,跨中截面弯矩为 M y ,相应的曲率为 φ y 。随着荷载的少许增加,裂缝继续向上开展,混凝土受压区高度减小,中和轴上升,内力臂略有增加,使得跨中的抵抗弯矩增加到极限抵抗弯矩 M u ,相应的曲率为 φ u 。在上述过程中,弯矩的增量( M u - M y )不大,而截面的曲率增值( φ u - φ y )却很大,在 M-φ 图上接近一条水平线。这样,在弯矩基本维持不变的情况下,截面曲率激增,形成一个能转动的铰,这种铰称为塑性铰。当跨中截面弯矩从 M y 发展到 M u 的过程中,与它相邻的一些截面也进入屈服并产生塑性转动。在图1.17(b)中, M M y 的部分是塑性铰的区域 l y (由于钢筋与混凝土之间的粘结力的破坏,实际的塑性铰区域更大)。通常把这一塑性变形集中产生的区域理想化为集中于一个截面上的塑性铰,所产生的转角称为塑性铰转角 θ p 。塑性铰的长度主要与荷载作用形式、纵筋直径和截面的有效高度等有关。可见,塑性铰在破坏阶段开始时形成,它是有一定长度的,能承受一定弯矩,并在弯矩作用方向转动,直至截面破坏。

图1.17 钢筋混凝土简支梁塑性铰

如图1.17(b)所示,跨中集中荷载作用下的简支梁,塑性铰的转动能力可根据跨中截面达到极限曲率时,跨中附近超过屈服弯矩区域的各截面的曲率( φ - φ y )积分(即图中阴影部分的面积)得到:

式中 l y ——跨中附近超过屈服弯矩区域的长度。

为近似计算,取一等效塑性铰长度 l p ,认为在该范围内均达到极限曲率 φ u ,因此式(1.12)可以表示为:

根据试验研究,塑性铰长度 l p 在1.0~1.5倍截面高度范围内,即 l p =(1.0~1.5) h

塑性铰与理想铰主要有3个区别:①理想铰不能承担任何弯矩,而塑性铰能承担基本不变的弯矩;②理想铰集中于一点,塑性铰则有一定的长度;③理想铰在两个方向都可以产生无限的转动,而塑性铰则是有限转动的单向铰,只在弯矩作用方向具备有限的转动能力。

塑性铰有钢筋铰和混凝土铰两种。对于配置具有明显屈服点钢筋的适筋梁,塑性铰形成的起因是受拉钢筋先屈服,故称为钢筋铰。当截面配筋率大于界限配筋率,此时钢筋不会屈服,转动主要由受压区混凝土的非弹性变形引起,故称为混凝土铰,它的转动量很小,截面破坏突然。混凝土铰大都出现在受弯构件的超筋截面或小偏压构件中,钢筋铰则出现在受弯构件的适筋截面或大偏心构件中。

2)塑性内力重分布和应力重分布

静定弹性结构中,各截面内力(如弯矩、剪力、轴向力等)是与荷载成正比的,各截面内力之间的关系不变,静定结构的内力与截面刚度无关。超静定结构的内力除了静力平衡条件外,还需要按照变形协调条件才能确定,因此超静定结构的内力与刚度相对值有关。

按弹性方法计算结构的内力时,结构的刚度是不变的,超静定结构和静定结构的内力与荷载呈线性关系。但是混凝土是一种非线性弹塑性材料,如前所述,各个截面的受力全过程一般有3个工作阶段:第一阶段为弹性阶段,第二阶段、第三阶段为非线性程度越来越明显的弹塑性受力阶段。

在弹性阶段,刚度不变,内力与荷载成正比。进入带裂缝工作阶段后,裂缝截面的刚度小于未开裂截面的刚度,各截面间的刚度比值发生改变。对超静定结构,随着荷载增长,未开裂截面内力增长较快而开裂截面内力增长减缓,直至多个截面开裂,也即超静定结构发生了内力重分布。当某个薄弱截面钢筋首先进入屈服后,内力增长很小,而应变增长很大,形成塑性铰。如果是静定结构,出现塑性铰后则形成机构,不可能继续承载;如果是超静定结构,由于存在多余约束,出现塑性铰后,计算模型得到改变,结构可以按照新的计算模型继续承载,截面内力间的关系改变得更大,再次发生内力重分布。由此可见,对于超静定结构而言,内力重分布贯穿于裂缝产生到结构破坏的整个过程,包括开裂到第一个塑性铰出现和第一个塑性铰到破坏两个阶段。前一阶段内力重分布的起因主要是各部分刚度的变化,后一阶段则主要是结构计算模型的改变。

要注意内力重分布与应力重分布的区别。应力重分布是针对同一截面上各纤维间的应力而言的,在弹性阶段,应力沿截面高度近似为直线,到了裂缝阶段和破坏阶段,由于混凝土的非弹性性质,应力沿截面高度的分布规律发生变化,不再服从线弹性分布规律了。应力重分布不论对静定结构还是超静定结构都是存在的。内力重分布在超静定结构中发生,是针对不同截面间内力关系而言的,在弹性阶段,刚度与荷载大小无关,其内力与荷载呈线性关系,由于混凝土的非弹性性质,到了裂缝阶段以后,各截面之间内力关系发生变化,不再遵循线弹性关系,也即出现了塑性内力重分布现象。

静定结构中出现塑性铰意味着几何可变体系形成,结构承载能力的丧失;但在超静定结构中,每形成一个塑性铰,只是相当于减少一次超静定次数,内力发生一次较大的重分布。内力重分布的发展程度主要取决于塑性铰的转动能力。如果首先出现的塑性铰都具有足够的转动能力,即能保证最后一个使结构变为机动体系的塑性铰的形成,就称为完全的内力重分布;如果在塑性铰转动过程中混凝土被压碎,而这时另一塑性铰尚未形成,则称为不完全的内力重分布。为了保证结构具有足够的变形能力,塑性铰应设计成转动能力大、延性好的钢筋铰。

3)塑性内力重分布过程

现以跨中承受集中荷载的两跨连续梁(图1.18)为例,假定支座截面和跨内截面的截面尺寸和配筋相同,研究从开始加载直到梁破坏的全过程。

(1)弹性内力阶段

在加载初期,混凝土开裂之前,整个梁接近于弹性体,故弯矩的真实值与按弹性梁的计算值非常接近。

(2)截面间弯曲刚度比值改变阶段

由于支座截面的弯矩最大,随着荷载增大,中间支座受拉区混凝土先开裂,截面弯曲刚度降低,但跨内截面尚未开裂。由于支座与跨内截面弯曲刚度比值的降低,致使支座截面弯矩 M B 的增长率低于跨内弯矩 M 1 的增长率。继续加载,当跨内截面也出现裂缝时,截面抗弯刚度的比值有所回升, M B 的增长率又有所加快。两者的弯矩比值不断发生变化,发生第一阶段内力重分布。

(3)塑性铰阶段

当荷载增加到 F 1 ,如图1.18(a)所示,由于支座截面弯矩比跨中截面弯矩大,支座截面B上部受拉钢筋首先屈服,达到受弯极限承载能力 M u (为便于讨论,忽略 M u 与截面屈服弯矩 M y 的差别),此时跨中截面弯矩为 M 11 ,如图1.18(b)所示。此时,跨中截面尚未达到屈服,而支座截面屈服塑性铰形成,梁从一次超静定的连续梁变成了两根简支梁,如图1.18(c)所示。由于跨内截面尚未屈服,承载力尚未耗尽,因此还可以继续增加荷载,增加的荷载相当于作用在两根简支梁上面,因而不再使支座截面弯矩增加,而跨中截面弯矩则继续增加。当增加的荷载达到 F 2 时,跨内截面增加的弯矩达到 M 12 ,如图1.18(d)所示。在前两步荷载叠加作用下,支座截面弯矩维持 M u 不变,而跨中截面总弯矩达到 M 11 + M 12 ,并等于跨中截面的极限弯矩 M u ,如图1.18(f)所示,跨中截面也出现塑性铰,梁成为几何可变体系而破坏,梁承受的总荷载为 F = F 1 + F 2 。在 F 2 的作用下,按简支梁计算跨内弯矩,此时支座弯矩不增加,维持在 M u ,这是发生的第二阶段内力重分布。

在上述过程中,第一阶段内力重分布的幅度较小,而后一阶段的内力重分布比前一阶段明显剧烈。通常所说的塑性内力重分布主要是考虑后一阶段。

图1.18 两跨连续梁塑性铰机构的形成

4)影响塑性内力重分布的因素

影响塑性内力重分布的因素包括塑性铰的转动能力、斜截面承载能力以及正常使用条件要求。

5)考虑塑性内力重分布方法的优点及应用范围

(1)优点

从上面的讨论中可以看到,钢筋混凝土连续梁和单向连续板在承受荷载的过程中,由于混凝土的非弹性变形、裂缝的出现和开展、钢筋的锚固滑移以及塑性铰的形成和转动等因素,结构将出现内力重分布。在设计钢筋混凝土连续梁和单向连续板时,考虑结构的塑性内力重分布,不仅可以使结构的内力分析与截面计算相协调,而且具有如下优点:

①能正确地估计结构的极限承载能力和使用阶段的变形、裂缝。

②可以使结构在破坏时有较多的截面达到极限承载力,从而充分发挥结构的潜力,更有效地节约材料。

③利用结构内力重分布的特性,合理调整钢筋布置,可以克服支座钢筋拥挤现象,简化配筋构造,方便混凝土浇捣,从而提高施工效率和施工质量。

④根据结构的内力重分布规律,在一定条件下和范围内可以控制结构中的弯矩分布,从而使设计得以简化。

(2)不宜采用塑性计算法的情况

①直接承受动力和重复荷载作用的构件。在设计中考虑塑性内力重分布的方法,利用了承载力储备,比弹性设计方法省材料,但构件应力较高,不利于承受动荷载和重复荷载。

②裂缝控制等级为一级或二级的构件或者处于三a、三b类环境下的结构。由于塑性铰的出现,该部位裂缝宽度均较大,在使用阶段不允许出现裂缝或对裂缝开展有严格限制的结构(如水池池壁、自防水屋面及处于侵蚀环境中的结构),不应采用考虑塑性内力重分布的方法。

③要求有较高承载储备的结构。楼盖中的连续板和次梁,无特殊要求,一般常采用塑性内力重分布的方法计算,但主梁是楼盖中的重要构件,为了使其具有较大的承载力储备,一般可不考虑塑性内力重分布,仍按弹性方法计算。

1.2.7 考虑塑性内力重分布的计算方法——弯矩调幅法

连续梁各截面的最大内力按照考虑荷载最不利布置的弹性理论方法计算,且各截面均按最大内力进行配筋就不能充分发挥材料的性能,而存在着某种程度的浪费。塑性计算法则是从实际受力情况出发,考虑塑性内力重分布特征计算连续梁的内力。考虑塑性内力重分布计算钢筋混凝土超静定结构,能更合理估计结构的承载能力和使用阶段性能,充分发挥结构潜力,达到节约材料、简化设计、方便施工的效果。

在广泛的试验研究基础上,国内外学者曾先后提出过多种超静定结构考虑塑性内力重分布的计算方法,如极限平衡法、塑性铰法、变刚度法、强迫转动法、弯矩调幅法以及非线性全过程分析方法等。但是上述方法大多计算烦冗,离工程设计应用尚有距离,目前只有弯矩调幅法为多数国家的设计规范所采用。我国的《钢筋混凝土连续梁和框架梁考虑内力重分布设计规程》也推荐采用弯矩调幅法来计算钢筋混凝土连续梁、板和框架的内力。该方法概念明确、计算方便,在我国积累有较多的工程实践经验,为设计人员所熟悉,有利于保证设计质量。

1)弯矩调幅法的概念

所谓弯矩调幅法,就是对结构按前述弹性理论所计算得到的弯矩值和剪力值进行适当的调整。通常是对那些绝对值较大的截面弯矩进行调整,然后按照调整后的内力进行截面设计和配筋构造,是一种实用设计方法。截面弯矩调整的幅度用弯矩调幅系数 β 表示。即

式中 M e ——按弹性理论计算得到的弯矩值;

M a ——调幅后的弯矩值。

2)弯矩调幅法的原则

①受力钢筋宜采用HPB300,HRB335,HRB400级钢筋等,混凝土强度等级宜在C20~C45范围内选用。为了充分发挥材料的塑性性能,满足内力重分布的需要,在按塑性内力重分布计算结构构件承载力时,宜采用塑性性能较好的材料。对于强度等级高于C45的混凝土和没有明显屈服点的钢筋,目前缺乏足够的试验资料。

②截面的弯矩调幅系数不宜超过0.25,不等跨连续梁板不宜超过0.2。钢筋混凝土结构的截面塑性转动能力是有限的,因此弯矩调幅系数应与截面的塑性转动能力相适应。如果最初出现的塑性铰转动幅度过大,塑性铰附近截面的裂缝开展过宽,结构的挠度过大,可能无法满足正常使用阶段对裂缝宽度和变形的要求,这是工程实用中应避免的。因此,在考虑塑性内力重分布时,应对塑性铰的允许转动量予以控制,也就是要控制内力重分布的幅度。一般要求在正常使用阶段不应出现塑性铰。

③弯矩调整后的截面相对受压区高度系数 ξ 不应超过0.35,也不宜小于0.1;如果截面按配有受压钢筋计算,在计算 ξ 时,可以考虑受压钢筋的作用。

如前所述,考虑塑性内力重分布时,为保证塑性内力重分布得以充分进行,要求塑性铰具有较大的转动能力。为此,在截面配筋计算时,就应控制塑性铰截面的受力钢筋配筋率不能太大。塑性铰截面受拉钢筋配筋率越低,截面受压区高度越小,塑性铰转动能力越强,因此提出了塑性铰截面受压区高度应满足不大于0.35 h 0 的要求。这个要求实质上对塑性铰截面的最大配筋率提出了比普通截面的最大配筋率更为严格的要求。如果调整后的支座截面弯矩仍然较大,不能满足受压区高度小于等于0.35 h 0 的要求,此时可将截面加大,或者将该支座截面设计成双筋截面。当采用双筋截面时,可利用直伸支座的跨中纵向受力钢筋作为受压钢筋使用,不过要保证该钢筋伸入支座的锚固长度不应小于0.7 l a

要求截面受压区高度不宜小于0.1 h 0 ,也即控制了截面受拉钢筋配筋率不宜太小,使得结构在正常使用阶段能满足裂缝宽度要求。

④连续梁各跨中截面的弯矩不宜调幅。其弯矩设计值 M 可取考虑活荷载最不利布置并按弹性方法算得的弯矩设计值和按下列公式计算的弯矩设计值的较大者。

式中 M 0 ——按简支梁计算的跨中弯矩设计值;

M l , M r ——连续梁或连续单向板的左、右支座截面弯矩调幅后的弯矩设计值。

连续梁板弯矩经过调幅后,仍应满足静力平衡条件。由于钢筋混凝土梁、板的正截面从纵向钢筋开始屈服到承载力极限状态尚有一段距离,因此当梁板的任意一跨出现3个塑性铰而开始形成机构时,3个塑性铰截面并不一定同时达到极限强度。因此,为了保证结构在形成机构前达到设计要求的承载能力,应使梁、板的任意一跨两支座弯矩平均值的绝对值与调幅后跨中弯矩设计值之和略微大于该跨按简支梁计算的弯矩值。

⑤各控制截面的弯矩不宜小于简支弯矩的1/3。

⑥连续梁各控制截面的剪力设计值,可按荷载最不利布置,根据调整后的支座弯矩用静力平衡条件计算,也可取用考虑最不利布置按弹性方法算得的剪力值。

⑦考虑调幅后,在对连续梁可能产生塑性铰的区段,应对计算箍筋面积增大20%:对集中荷载,箍筋面积增大的范围取支座边至最近一个集中荷载之间的区段;对均布荷载,取支座边至距支座边为1.05 h 0 的区段。

出现塑性铰后,截面的抗剪承载能力降低,在可能出现塑性铰的区段,应适当增加计算所得的钢筋面积。

⑧箍筋的最小配箍率规定更为严格,要求 ρ sv ≥0.3 f t /f yv 。这是为减少发生斜拉破坏的可能性,对最小配箍率提出了更高的要求。

3)用调幅法计算等跨连续梁、板

(1)等跨连续梁

在相等均布荷载和间距相同、大小相等的集中荷载作用下,等跨连续梁各跨跨中和支座截面的弯矩设计值 M 可分别按下列公式计算:

承受均布荷载时:

承受集中荷载时:

式中 g ——沿梁单位长度上的恒荷载设计值;

q ——沿梁单位长度上的活荷载设计值;

G ——一个集中恒荷载设计值;

Q ——一个集中活荷载设计值;

α m ——连续梁考虑塑性内力重分布的弯矩计算系数;

η ——集中荷载修正系数;

l 0 ——梁的计算跨度,注意这里的计算跨度是调幅法采用的计算跨度,对两端与梁整体连接的梁,取净跨。

在均布荷载和间距相同、大小相等的集中荷载作用下,等跨连续梁支座边缘的剪力设计值 V 可分别按下列公式计算:

均布荷载:

集中荷载:

式中 α v ——考虑塑性内力重分布梁的剪力计算系数;

l n ——净跨度;

n ——跨内集中荷载的个数。

(2)等跨连续板

承受均布荷载的等跨连续单向板,各跨跨中及支座截面的弯矩设计值 M 可按下式计算:

式中 g , q ——沿板跨单位长度上的恒荷载设计值、活荷载设计值;

α m ——连续单向板考虑塑性内力重分布的弯矩计算系数;

l 0 ——板的计算跨度,注意这里的计算跨度是调幅法采用的计算跨度,对两端与梁整体连接的板,取净跨。

4)用调幅法计算不等跨连续梁、板或各跨荷载值相差较大的等跨连续梁、板

相邻两跨的长跨与短跨之比值小于1.10的不等跨连续梁、板,在均布荷载或间距相同、大小相等的集中荷载作用下,梁、板各跨跨中及支座截面的弯矩和梁剪力设计值仍可按上述等跨梁的规定确定,但在计算跨中弯矩和支座剪力时,应取本跨的跨度值;计算支座弯矩时,应取相邻两跨中的较大跨度值。

对不满足上述要求的不等跨连续梁、板或各跨荷载值相差较大的等跨连续梁、板,按弯矩调幅法原则进行计算。

1.2.8 单向板肋梁楼盖的截面设计与构造要求

1)单向板的截面设计与配筋构造

(1)单向板的配筋计算

求得内力后,即可进行截面承载力计算。考虑拱效应,对于周边与梁整体连接的中间跨单向板,其支座截面和跨中截面弯矩设计值可减少20%。取1m板宽度,按单筋矩形截面设计,对各跨中截面和各支座截面分别进行计算,所求得的钢筋面积要满足最小配筋率和受压区高度要求。注意:按考虑塑性内力重分布方法设计时,对其受压区高度要求与按弹性方法设计要求不同。当连续板的跨数超过5跨时,中间各跨均按5跨连续板的第3跨配筋。

与梁不同的是,板的跨厚比大,均布荷载作用下剪力较小,一般仅靠混凝土部分就能够提供足够的抗剪承载力,不需要进行斜截面抗剪承载力计算,也不需要配置抗剪钢筋。

(2)构造要求

①受力钢筋:连续单向板的受力钢筋包括沿受力方向的置于板下部的承受正弯矩的板底正钢筋和置于板面的承受负弯矩的板面负钢筋。板底正钢筋根据跨中截面弯矩设计值计算确定,板面负钢筋根据支座截面弯矩设计值计算确定。分离式配筋由于施工方便,已经成为我国混凝土板的主要配筋形式。

a.板底正钢筋宜全部伸入支座可靠锚固,一般锚固长度为5 d 且不少于梁中心线。

b.板面负钢筋贯穿支座向跨内延伸,延伸的长度从理论上说应根据弯矩包络图确定。为了方便,通常采用构造方式处理。

c.板中受力钢筋的最大间距不能超过规范规定。

②构造钢筋:

a.板面构造钢筋:包括沿受力方向和非受力方向的端支座上部构造钢筋;沿非受力方向的中间支座上部构造钢筋;角部附加构造钢筋。

b.分布钢筋:需在板底的非受力方向布置分布钢筋,与受力钢筋形成骨架,使得传荷更均匀,同时也承担可能产生的一定数量的弯矩。

c.防裂钢筋:混凝土收缩和温度变化容易在现浇板内产生约束拉应力而导致楼板开裂,因此需要设置温度收缩钢筋以减少这类裂缝。

2)次梁和主梁的截面设计与配筋构造

(1)次梁、主梁的配筋计算

在现浇肋梁楼盖中,楼板与梁浇筑在一起,形成矩形截面梁的翼缘。对于次梁和主梁的跨中截面,翼缘位于受压区,应按T形截面梁进行承载力计算,其T形截面梁的翼缘宽度 按规范取值;对于次梁和主梁支座截面,翼缘位于受拉区,仍按矩形截面梁进行计算。

在计算主梁支座截面配筋时,由于板、次梁与主梁负弯矩钢筋相互重叠(如图1.19所示),一般情况下主梁钢筋置于次梁钢筋和板钢筋之下,因此计算主梁支座负钢筋时,截面有效高度 h 0 有所减小,应取主梁截面高度-板的保护层厚度-板的受力钢筋直径-次梁的受力钢筋直径-主梁受力钢筋直径的一半;如果是配双排筋,还应该再减去25mm。

一般情况下,梁可简化为按单筋截面进行承载力配筋计算。当支座截面需要按双筋截面考虑时,可以利用跨中伸入支座的下部钢筋作为受压钢筋。

同连续板一样,所求得的受拉纵向钢筋面积应满足最小配筋率和受压区高度要求,注意按考虑塑性内力重分布方法设计时,对其受压区高度要求与按弹性方法设计的要求不一样。当连续梁的跨数超过5跨时,中间各跨均按5跨连续梁的第3跨配筋。

对主梁和次梁,均需进行斜截面受剪承载力计算。钢筋混凝土连续梁斜截面受剪承载力的计算方法与普通受弯构件相同,计算所得的箍筋面积要满足最小配箍率要求。注意:按考虑塑性内力重分布的方法设计时,如前调幅法原则中所述,其最小配箍率的要求比按弹性方法设计应有所提高,并且对其可能出现塑性铰区域,计算所得的箍筋面积应有所增加。

(2)次梁、主梁的配筋构造

①受力钢筋:为方便施工,连续梁配筋一般采用分离式配筋。梁下部纵向钢筋应全部伸入支座并按要求锚固。

支座截面负弯矩钢筋应贯穿支座向跨内延伸,由于纵向受拉钢筋不宜在受拉区截断,当需要截断时,应根据弯矩包络图确定断点位置。

对于按塑性方法计算内力的次梁,当相邻跨差不超过20%,活荷载和恒荷载的比值 q / g ≤3时,其中间支座负弯矩钢筋的截断位置可按相关规定确定。工程中连续梁配筋常按照G101图集采用。

②箍筋:梁一般采用封闭式箍筋,箍筋除满足计算需要外,还应满足最大间距、最小直径等构造要求。

③纵向构造钢筋:工程中也称为腰筋。在一些大截面尺寸的梁中,常发现梁腹板范围内的侧面产生垂直于梁轴线的收缩裂缝,为此应在尺寸较大的梁两侧沿梁轴线方向布置纵向构造钢筋,以控制裂缝开展。纵向构造钢筋按要求设置。

④主次梁相交处的横向钢筋:一般荷载作用于梁的顶部,引起的效应由梁抗弯承载力和抗剪承载力计算来抵抗。但在主次梁相交处,次梁承受支座负弯矩,次梁顶面将出现垂直裂缝,因此次梁传给主梁的集中力主要通过剪压区传递到主梁的梁腹,使其下部产生斜裂缝(如图1.20所示),使得主梁下部可能产生局部拉脱破坏。因此,在次梁两侧的一定范围的主梁内应配置附加横向钢筋,将次梁传递给主梁的荷载悬吊到主梁的顶部。附加横向钢筋包括附加箍筋和吊筋两种类型,其具体计算按要求配置。注意:原抗剪钢筋需要照常设置,抗剪钢筋和附加横向钢筋不能互相替代。

图1.19 主梁支座处的截面有效高度

图1.20 主次梁相交处裂缝 dUD7ML1/iZEsZjfaoCC3jLsQL4z/dQ3D6v4E6vCx+8m+c8DjCfOIgh8fazinYZiz

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