肋梁樓蓋結構抗震研究現狀★

華俊杰 張道明

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001； 2.齊齊哈爾大學土木與建筑工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

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肋梁樓蓋結構抗震研究現狀★

華俊杰1張道明2

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001； 2.齊齊哈爾大學土木與建筑工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

介紹了肋梁樓蓋的基本作用和類型，分別總結了肋梁樓蓋的靜動力計算方法及其在國內外的研究現狀，并提出了一些預應力肋梁樓蓋在應用中有待解決的問題，為大跨度預應力肋梁樓蓋的抗震性能研究奠定了基礎。

肋梁樓蓋，結構抗震，擬板法，擬梁法

樓蓋是建筑物的基本組成部分，在結構中主要承擔設施及樓面面荷載，因此樓蓋體系的穩定，關系整個建筑物的安全使用。本文對肋梁樓蓋的計算方法及研究現狀做了介紹。

1 樓蓋的作用及類型[1]

樓蓋是由梁和板組成，是建筑物中的水平承重體系。它與豎向承重體系現澆連接成整體共同組成建筑物的基本框架，承擔建筑物所受的各種荷載，保證其正常使用。隨著建筑技術的不斷發展，樓蓋的形式也日益多樣化，通常可以分為有梁樓蓋和無梁樓蓋兩大類。無梁樓蓋指不設肋梁，樓板底面平整無坑洼，較為美觀，然而樓板較厚，自重大，造價相對高。主次梁樓蓋、井字梁樓蓋、密肋樓蓋均為有梁樓蓋，除此之外還有空心樓蓋、組合梁樓蓋等多種形式。可以根據不同使用條件擇優選擇。自從預應力被使用以來，不僅廣泛應用在橋梁中，也在房屋結構建筑中大放異彩。

2 樓蓋結構靜力分析方法

樓蓋體系是建筑結構的基本組成部分，樓蓋結構性能的保證是建筑物能正常工作的有力保障。因此關于樓蓋的靜力分析和設計顯得非常重要，現有的分析方法有：線彈性理論、塑性理論、有限元法等。

1)線彈性理論。線彈性理論假定材料是具有彈性的，可采用結構力學的方法來計算其內力和變形；像常規尺寸和荷載的結構，可以利用現成的表格。因為混凝土抗拉強度低，使得混凝土在較低的荷載作用下就有可能開裂。結構開裂后，剛度降低，變形變大，內力出現重分布，實際內力與按彈性方法設計的內力相比誤差較大，并且，隨著荷載的不斷增加，裂縫會不斷加大，混凝土與鋼筋之間粘結產生破壞，受拉鋼筋屈服，造成誤差越來越大。因而，彈性理論設計方法不適用于設計樓蓋開裂后的情況。

2)塑性理論。塑性內力重分布法和塑性極限分析法是塑性理論的兩種計算方法。塑性內力重分布法指的是在考慮塑性內力重分布設計時，能較為真實的體現出混凝土結構開裂后的內力情況，如果能把內力重分布的大小控制好，不僅可以較好地發揮結構的承載力，而且還能控制好結構在正常使用情況下的變形和裂縫發展。當然，塑性內力重分布的應用是以結構開裂和塑性變形得到一定的發展為先決條件的，因此，對于那些在使用過程中對抗裂等級要求較高的結構、防滲等級要求高的結構、對于直接承受動力荷載和疲勞荷載的結構，不應考慮使用塑性內力重分布法設計。結構塑性極限分析法是研究結構在塑性極限狀態下的特性，又稱結構破損分析。當建筑結構受外載荷達到或超過某一極限值時，會產生幾何變形，形成可變體系，隨著變形的不斷增長，最終失去承載能力，這種狀態稱為結構的塑性極限狀態。

3)有限元法。有限元法是采用有限元分析軟件，根據實體建筑物選擇適當有限元單元類型、邊界條件及施加荷載類型，對樓蓋結構進行數值計算，通過利用有限元軟件計算得到的結果具有較高精確度，可以真實的反映建筑物實際受力情況。

3 樓蓋結構動力分析方法

樓蓋結構既要滿足設計使用的剛度及承載力需求，還應符合動力荷載下的舒適度要求。特別是大跨度樓蓋，由于其跨度大，剛度小，自振頻率較低，甚至人行荷載下，都會引起過大的振動響應。因此，關于樓蓋動力響應的計算顯得非常重要，它直接反映樓蓋使用的舒適程度。國內外學者對于樓蓋結構動力分析方法進行了研究，主要方法有擬梁法、擬板法和有限元分析法。

3.1 擬梁法

在各國規范中，通常采用擬梁法簡化計算樓蓋在動力荷載作用下的振動響應[2]。擬梁法是一種離散化的方法，它將樓蓋的兩個方向等效為均質的簡支梁，由剛度差異的雙向梁體現樓蓋的各向異性，以此來分析計算樓蓋的動力響應。擬梁法可以較好的計算輕型樓蓋的動力響應,但在計算鋼筋混凝土肋梁樓蓋時往往精確度達不到要求。由于擬梁法適用范圍小，因此對它的研究也較少。

3.2 擬板法

擬板法是一種連續化的方法，將樓蓋連續化等效為宏觀的同性或正交各向異性的均質實心平板進行計算。一般建筑結構中樓蓋的肋梁間距相對較小，通常仍為板的受力特點。等效剛度的確定決定著樓蓋能否等效成實心平板。等效成各向同性板要求樓蓋的兩個方向構造特征相同，且雙向剛度相同或相差較小時，要確定抗彎剛度D的值；等效成正交各向異性板要求樓蓋的兩個方向構造特征不同時，需確定兩個方向抗彎剛度Dx，Dy和綜合抗扭剛度H的值。張道明等[3]在考慮肋梁樓蓋中板和梁的耦合作用時，提出了動力擬板法計算分析密肋樓蓋的動力響應。基于梁板耦合振動函數，通過二者分離建立正交肋梁振動控制方程，確定樓蓋的等效平板厚度和樓蓋振動頻率；通過算例研究了肋梁樓蓋的等效平板厚度和樓蓋的動力特性；結果表明肋梁的間距、高度和板的跨度對樓蓋結構振動頻率影響較大。

4 肋梁樓蓋抗震性能研究現狀

樓蓋結構是建筑物的基本組成部分,其結構的性能不但對保證建筑物的承載力、剛度、耐久性以及提高抗震、抗風性能有著重要作用,而且對建筑物的隔聲、隔熱和美觀等建筑效果也有直接影響。關于對結構動力性能的研究,一直是結構工程專業領域研究的熱點和重點之一,其中對于結構的抗震性能研究占據著重要的地位。

4.1 國外肋梁樓蓋研究現狀

美國在20世紀就對肋梁板進行了研究并應用在實際工程中[4]。美國混凝土結構設計規范部分內容就是基于歷年美國對雙向板結構和實驗試件研究以及Di Stasio和Van Buran的研究成果[5-7]。William[8]，Park等學者[9]對板及平板在極限狀態和使用狀態下的性能等方面做了大量研究。力學家鐵木辛柯最早提出把原本是為了一種理想的彈塑性材料而產生的正交異性板理論應用到密助樓蓋內力求解中[10]。這一理論成果引起了巨大的反響，直到現在，眾多學者大多以正交異性板理論為基礎對肋梁樓蓋做進一步研究[11]。由于墨西哥大地震中大量密助樓蓋的建筑物發生了倒塌破壞，造成了嚴重的損失，國內外專家學者開始把研究重點從密助樓蓋的豎向靜載轉向水平動力荷載的研究[12-14]。

4.2 國內肋梁樓蓋研究現狀

2014年，吳慶等[15]使用有限元軟件對二次預應力外包鋼組合梁疊合樓蓋進行了動力特性研究，針對預應力的大小、預應力筋的布置形態及柱端約束等參數做了詳細分析，并得到一些規律性結論，為實際工程提供參考。

2015年，李其成等[16]基于工程實例采用有限元軟件對帶有大跨度密肋樓蓋的結構進行了分析，利用MIDAS/GEN軟件創建有限元分析模型，并分析了地震作用下樓蓋的抗震性能，分析結果表明：密肋樓蓋對整體結構抗震有重要影響，層高變化是影響結構性能的重要因素。

5 結語

從搜集文獻上來看，關于肋梁樓蓋的抗震性能研究較少，無論是抗震理論還是有限元數值分析，大多理論研究都是基于靜力荷載作用下，對樓蓋內力的求解。關于大跨度預應力肋梁樓蓋的研究也不多見，文獻大多是研究預應力梁、板及節點等構件對結構抗震特性的影響，并沒有對整體進行分析研究。一般在結構設計中很少會單獨對樓蓋進行抗震性能分析，但我國規范規定對于樓蓋跨度超過24 m的要進行豎向抗震設計。

因此對于大跨度預應力肋梁樓蓋的抗震性能研究還有如下問題有待解決：

1)預應力肋梁結構是復雜多次超靜定空間梁結構，如何確定結構的綜合內力和次生內力，以及自重和疊合樓蓋自重作用下結構內力分布，建立其理論分析模型是該結構設計計算的理論基礎；

2)預應力梁結構抗彎、抗剪和剛度較小，如何在疊合樓蓋施工過程中，利用高效預應力，提高結構的承載性能，使交叉梁能夠滿足作為疊合樓蓋施工平臺承載要求；

3)由于預應力結構跨度大，自重小，樓蓋結構的動力響應敏感，特別是大跨度樓蓋自振頻率較低,甚至與人行走前三階步頻相重合,導致過大的振動響應；

4)如何利用有限元軟件，選擇合適的模型單元，是進行結構抗震性能模擬分析的基礎。

[1] 沈蒲生.樓蓋結構設計原理[M].北京：科學出版社,2003.

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[15] 吳 慶,李 俊,張道明.二次預應力外包鋼組合梁疊合樓蓋動力特性有限元分析[J].江蘇科技大學(自然科學版),2014,28(1):8-14.

[16] 李其成,儲曉路,沈小璞.大跨度密肋樓蓋結構的抗震性能分析[J].安徽建筑大學學報,2015,23(4):1-6.

A summary of anti-knock research on ribbed beam floor★

Hua Junjie1Zhang Daoming2

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001,China;2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China)

This paper introduces the basic functions and types of ribbed beam floor, summarizes existing computing methods and overseas and domestic research status from both sides of static and dynamic force calculation. At the same time, this paper also puts forward some unsolved problems on the application of ribbed beam floor, lay the foundation for the study on seismic performance of the large-span prestessed ribbed concrete floor.

ribbed beam floor, structural seismic, plate-analogy method, beam-analogy method

1009-6825(2016)30-0051-02

2016-08-17

華俊杰(1991- )，男，在讀碩士； 張道明(1965- )，男，博士后，副教授

TU311.3

A

★：住房和城鄉建設部2013年科學技術項目(項目編號：2013-K2-41)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(項目編號：12541884)