新型混凝土空心楼板力学性能研究

摘要：新型混凝土空心楼板是在混凝土厚板中埋入永久性的内部空腔的球状物体的新型结构体系，具有良好的双向承载性能。本文通过对该新型混凝土空心楼板应力场的计算分析，探讨了该结构体系的力学性能。

关键词：空心楼板，有限元，力学性能

Research on the Mechanical Properties of New Concrete Hollow Slab

Abstract: The new concrete hollow slab with well biaxial load-carrying properties is filled some spherical light material in the center of steel reinforcement cages. In this paper, the stress of this new concrete hollow slab was calculated by finite element method. Besides, the mechanical properties of this slab were discussed.

Keyword: Hollow Slab; Finite element; Mechanical properties 楼盖作为建筑物的水平结构体系，是整个结构体系中的重要组成部分。楼盖不仅是竖向荷载的直接承担者，楼盖将竖向荷载传递给柱、墙以及基础，还可以强化结构侧向刚度[1]。在各类楼盖结构中，现浇混凝土楼盖是应用最为广泛的楼盖结构。随着人们对结构跨度、性能、空间要求的提高，空心楼板应势而生。

所谓现浇混凝土空心楼板是指在混凝土厚板中埋入永久性管状空腔或球状内部空腔的楼板体系，具有自重轻、跨度大、适应性强等优点[2][3]。钢筋混凝土空心管楼板已被广泛应用于各类工程中，如广州市盘福东路泰丰大厦、湖南金融大厦、山东中西医结合大学教学楼等等。新型混凝土空心球楼板是2011年金陵科技学院宣卫红教授团队提出的一种新型楼板形式，对于该新型混凝土空心楼板的性能、施工技术的综合研究资料仍较少。本文基于该新型混凝土空心楼板，采用有限元仿真方法对其力学性能进行探讨分析[4][5]，对比其在力学性能上与混凝土实心板的差别，以利于更好地广泛应用工程实际。

1无梁楼板力学性能分析 1.1 计算模型

混凝土空心楼板，尺寸 ，板的厚度为350mm，上、下表层的厚度均为35mm，填充球直径280mm（如图1所示）。假设空心楼板上部荷载为50kN/m2，取1/4尺寸楼板，分别构建新型空心楼板、实心楼板两个有限元计算模型。其中空心楼板应力场有限元分析考虑填充球和混凝土粘结成整体而起作用，模型划分单元66 262个，实心楼板划分单元6 772个。混凝土材料参数为：弹性模量3E10N/m2，泊松比0.2，密度24kN/m2。

1.2 计算结果分析

新型混凝土空心楼板和实心楼板位移场分析结果如图2所示，四分之一尺寸空心板在均布荷载作用下竖向位移与实心板位移分布十分接近，并没有因为空腔而出现局部位移突变。空心板和实心板的最大位移均出现在板中对角线位置，其中实心板最大位移为0.668mm，空心板的最大位移为0.751mm，仅较实心板大12%。以上结果表明：空心板的受弯刚度虽较实心板有所减小，但楼板双向抗弯性能接近，克服了传统空心楼板双向承载性能较差的缺点。

图3为混凝土空心楼板和实心楼板应力场分析结果，虽然空心板由于存在一系列球状内腔，有应力集中现象出现，应力场分布在空腔

附近局部位置分布不够均匀，但其整体应力分布规律与实心板基本一致，楼板上部受压，下部受拉，最大拉应力出现在板底中对角线位置。空心板沿长边方向的最大拉应力为1.69MPa，较实心板高16%；沿短边方向的最大拉应力为1.82MPa，较实心板高9%，应力增长幅度较低。同时空心板沿双向的应力场分布接近，不存在空心管楼板中顺管方向上抗拉性能较横管方向薄弱的缺点，更好的保证了混凝土空心楼板的整体承载性能。此外，若计入填充球的支撑填充作用，还将改善空心板的应力集中现象。

2有梁楼板力学性能分析

2.1 计算模型

同一混凝土空心楼板，四边支承在尺寸为 的梁（如图4所示）上。假设空心楼板上部荷载为50kN/m2，取1/4尺寸楼板，分别构建新型空心楼板、实心楼板两个有限元计算模型。有梁空心楼板应力场有限元分析同样考虑填充球和混凝土粘结成整体而起作用，模型划分单元66350个，实心楼板划分单元7880个，混凝土材料参数同无梁空心楼板。

2.2 计算结果分析

新型混凝土空心楼板和实心楼板位移场分析结果如图5所示，空

心板竖向位移均匀变化，与实心板位移分布规律十分接近。空心板和实心板的最大位移均出现在板中对角线位置，

其中实心板的最大位移为0.371mm，空心板最大位移为0.405mm，仅较实心板大9.2%。以上结果表明：空心板的受弯刚度虽较实心板有所减小，但削弱程度较低，加上该新型混凝土空心板双向抗弯性能接近，其受力性能优于传统单向承载空心楼板。

图6为混凝土空心楼板和实心楼板应力场分析结果，虽然空心板由于存在一系列球状内腔，有应力集中现象出现，应力场分布在空腔附近的局部位置不均匀，但其整体应力分布规律与实心板基本一致。在梁的支承作用下，梁板交界处因截面尺寸突变出现较大的拉应力，但最大拉应力仍出现在板底中对角线位置。空心板沿长边方向的最大拉应力为1.52MPa，较实心板高30%；沿短边方向的最大拉应力为1.77MPa，较实心板高28%，应力增长幅度较低。同时空心板沿双向的应力场分布接近，更好的保证了混凝土楼板的整体承载性能。

3小结

新型混凝土空心楼板采用填充球代替部分混凝土，具有良好的整体性能、双向承载性能。本文通过对新型混凝土空心楼板应力场的计

算分析，验证了该新型空心楼板整体承载力、刚度和实心楼板接近，优越的双向承载性能较传统空心楼板突出。因此，作为一种新型的空心楼板形式必将拥有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 高巍. 现浇钢筋混凝土有梁双向空心板的试验研究[D]. 学位论文. 南京:东南大学. 2004.

[2] 黄文兵,袁用军. 浅谈现浇混凝土空心楼板的应用[J]. 西南师范大学学报(自然科学版).2008,33(4):123-129.

[3] 李定乾,张元坤. 方形蜂巢芯盒空心楼板的设计与应用[J]. 广东土木与建筑. 2008(12):7-8.

[4] 张志伟,赵欣,孔丹丹. 新型钢筋混凝土空心楼板有限元分析[J]. 低温建筑技术. 2011,(10):48-50.

[5] 郭志兵,罗兆辉,刘森森. 现浇空心双向楼板和实心双向楼板应力的对比分析[J]. 天津城市建设学院学报. 2008,14(3):184,188.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范,GB50010-2010[S].北京:中国建筑工业出版社. 2011,7.