空腹夹层板静动力特性理论计算与试验研究

胡朝英

(云南农业大学 水利学院 云南 昆明 650201)

0 引言

钢-混凝土组合空腹夹层板结构解决了大跨度结构施工难的问题，因而更广泛地被应用于建筑桥梁设计中.国内外学者对此进行了大量的研究[1-2]，研究的焦点之一就是关于钢-混凝土空腹夹层板结构模型的建模问题[3-5].目前大量文献采用简化的计算模型来分析静动态力学性能，但存在准确性较差的问题[6].为此，本文基于有限元法，建立更为精确的钢-混凝土空腹夹层板结构的精细化数值模型，同时对比文献中的简化模型和试验测试结果，验证本文建立的精细化数值模型的准确性和有效性.

1 建模分析

1.1 钢-混凝土组合空腹夹层板的结构模型

图1 钢-混凝土组合空腹夹层板构造示意图Fig.1 The actual structure of the steel concrete composite plate

本文给出了钢-混凝土组合空腹夹层板的构造示意图，如图1所示，其平面布局为15 m×15 m的正方形结构，单个网格尺寸为3 m，上下肋板中心距为1.8 m，其中剪力键连接上下肋板，形成整体结构的组合板.

1.2 钢-混凝土组合空腹夹层板结构的建模方法

图2 精细化有限元模型网格划分Fig.2 Finite element mesh division for structure basic element

1.2.1有限元精细化数值模型 鉴于空间壳单元模型与目前的空腹夹层板结构具有相似性，本文以空间壳单元模型建立空腹夹层板的精细化数值模型.空腹夹层板的上下肋及剪力键采用适合线性分析的Shell 181单元来模拟，大应变、大转动的表层混凝土板则采用非线性分析的Solid 65单元来模拟.图2为采用有限元ANSYS软件建立的空腹夹层板数值网格模型，考虑到钢材和混凝土材料的非线性性质，同时保证剪力键区域的局部分析精度，选择与钢-混组合空腹夹层板实际相似的布局结构设计模型，尽可能保证数据的一致性.

1.2.2工程计算模型 工程计算模型来自于贵州大学马克俭院士提出的工程实用分析方法，该方法将组合空腹夹层板等效为实心板或交叉梁系，大大简化了计算分析过程，在工程中得到了广泛应用，这里不再赘述.

2 试验测试

2.1 静力特性测试

空腹夹层板的静力特性测试主要考察模型构件荷载下挠度变化情况.测试过程中，在结构模型试样中间4个节点上分组施加定值载荷，并在每个节点上放上圆形垫块，圆形垫块上，再放一个钢板，从而保证在加载过程中，4个节点均匀受力.节点的测点布置设计在结构1/2范围内，并保证4个节点对称分布.模型构件挠度数据通过北京光电所BJQN-4光电挠度检测仪进行数据采集记录.

2.2 动力特性测试

空腹夹层板模型的动力特性测试主要包含固有频率和振型测试，试验采用脉冲激振法测量，选用张力控制系统，按照3.5 kN/m2作用力每间隔1小时，分4级(4.95 T、8.55 T、9.99 T、11.78 T)均匀施加，每次施加张力后迅速去除外力，使结构试样进行自由振动，振动信号采用701型水平拾振器量测系统进行采集，GZ-2测振仪将信号放大后，以配光线识破器对数据进行记录.

3 仿真结果讨论

3.1 竖向挠度分析

本文采用固定因素分析法，即一个参数变化的同时，其他参数保持不变，依次分析剪力键矩管的高度和宽度以及表层混凝土板的厚度对空腹夹层板的竖向挠度影响.

空腹夹层板在不同剪力键厚度下的竖向挠度值如表1所示，工程计算模型由于进行了迈似等效为，竖向挠度值小于精细化数值模型和试验实测结果，而精细化数值模型由于模型相对精确，因此计算值与试验测试值较为接近. 另外从表1中可以看到，剪力键厚度对竖向挠度的影响很小，平均变化率小于5%.

剪力键高度的变化对空腹夹层板竖向挠度的影响如表2所示.从表中可以发现，剪力键高度对空腹夹层板的竖向挠度有显著影响，剪力键高度从200～325 mm时，竖向挠度的平均变化率大于25%，剪力键高度值越大，竖向挠度越小.同样的，精细化数值模型和静动力性能试验实测值小于工程计算模型值，精细化数值模型值与静动力性能试验实测值较一致.

表1 剪力键厚度对空腹夹层板竖向挠度的影响

表2 剪力键高度对空腹夹层板竖向挠度的影响

表3给出了混凝土板的厚度对空腹夹层板竖向挠度的影响.从表中可以明显看到，混凝土板的厚度对空腹夹层板的竖向挠度影响很大，混凝土板厚度从30～80 mm时，竖向挠度的平均变化率超过了40%，混凝土板的厚度越大，竖向挠度越小.另外从表中可以发现，工程计算模型与精细化数值模型和静动力性能试验实测值差别较小，该点与上述两个因素不同，原因在于，混凝土板的实腹梁或交叉梁的简化模型与其真实模型差别不大，因此竖向挠度的计算值较为接近.

表3 混凝土板厚度对空腹夹层板竖向挠度的影响

3.2 固有频率分析

表4为剪力键厚度变化对空腹夹层板固有频率的影响.可以看到，试验结果与精细化数值模型的固有频率值较为一致，而简化模型与试验测试结果差别较大，同时剪力厚度对于前四阶的固有频率影响较小，变化幅度不小于3%.

剪力键高度对空腹夹层板固有频率的影响见表5. 可以发现，剪力键高度对空腹夹层板的固有频率影响显著，剪力键高度值越大，空腹夹层板的固有频率越高.同样的，精细化数值模型和试验实测结果较为一致，而工程简化模型与试验测试值差距较大.

表4 剪力键厚度对空腹夹层板固有频率的影响

注：表中工程代表工程计算模型，精细代表精细化数值模型，试验代表试验实测结果.

表5 剪力键高度对空腹夹层板固有频率的影响

注：表中工程代表工程计算模型，精细代表精细化数值模型，试验代表试验实测结果.

混凝土板的厚度对空腹夹层板固有频率的影响如表6所示.从表中可以看到，混凝土板厚度变化对空固有频率几乎无影响，可以考虑可以排除该因素对空腹夹板层动力结构性能的影响.

表6 混凝土板厚度对空腹夹层板固有频率的影响

注：表中工程代表工程计算模型，精细代表精细化数值模型，试验代表试验实测结果.

4 结论

本文基于有限元法，建立钢-混凝土空腹夹层板结构的精细化数值模型，并进行静、动力特性分析，同时对比工程计算模型、精细数值模型和试验实际测试结果.可以发现，基于精细化数值模型得到的空腹夹层板静、动力特性计算值均与试验实测值较为接近，验证了精细化数值模型的合理性和准确性.

[1] 董石麟,罗尧治,赵阳. 大跨度空间结构的工程实践与学科发展[J]. 空间结构, 2015,23(4):12-21.

[2] 戴国亮,蒋永生,傅传国. 高层型钢混凝土底部大空间转换层结构性能研究[J]. 预应力技术, 2012,32(1):32-37.

[3] 黄勇. 组合空腹梁静力特性的理论研究[J]. 贵州工业大学学报(自然科学版), 2014, 62(1):83-86

[4] 曹常虎,何淅淅. 空腹桁架转换结构在多高层建筑中的研究与应用[J]. 北京建筑工程学院学报, 2015,41(3):72-76.

[5] 陈丽华. 高层建筑中叠层混合空腹桁架转换层内力分析和设计建议[J]. 建筑技术, 2015, 27(2):31-37

[6] 肖南,董石麟. 考虑楼板不同刚度时跳层空腹网架结构的受力性能分析[J]. 空间结构, 2014, 27(1):33-39