1 绪 论
1.1 空心楼盖的使用及结构形式
在经济，科技，文化飞速发展的现代 21 世纪，人们的生活品质得到了不断提高，但也越来越多的暴露出由于高速的社会发展所带来的一系列不可忽视的问题与矛盾。其中在人口密集的大城市，主要的的问题表现为扩大城市空间容量的需求与城市土地资源紧缺的矛盾，这种现象称之为生存空间危机[3]。为了有效的解决这个和我们生活息息相关的切实问题，城市学专家强烈呼吁开发城市的地下的空间，并提出了“向地下要空间”的口号[4]。 伴随着我国经济和国民生活水平的不断提高，各种路上交通工具的数量呈快速增长的趋势，尤其是私家车的数量在近几年有了非常大的提高，预计到 2020 年，中国汽车保有量将超过 2 亿[5]。而机动车数量的迅猛增长带来的必定是交通拥堵和停车困难等问题，针对日趋增长的对停车位的需求以及地上空间的短缺，现代住宅小区或者商业建筑一般都配套设置有地下停车场、地下室等建筑设施，为了提高建筑面积的利用率，通常增大柱距以形成较大空间。此外，为提高建筑绿化率，地下室顶板上通常都会设计一定厚度的覆土，同时考虑到建筑消防设计的要求，屋面会设置消防车道、消防回车场等建筑构件，故地下室顶板结构除需满足建筑大空间的要求外，还需要设计具有足够的刚度和承载力以承受较大的覆土和消防车荷载。传统的大跨度肋梁楼盖由于框架梁承受了楼板传来的大部分荷载，故梁截面高度较大，如果再考虑各种管线或者吊顶等设施所占的建筑空间，该地下建筑净高较难满足建筑规范对地下车库净高不低于 2.2m 的要求，如果通过增大层高的方式来满足建筑净高的要求则会导致建筑总高较大，增大地下室土方开挖量等问题。在这种情况下，空心楼盖是该类建筑可以利用的较好结构形式，它具有板厚较小、空间刚度大、板底平整等优势。同时与普通大跨度肋梁楼盖相比，空心楼盖经济成本相对较低，华南理工大学的张雨田在其论文[6]中指出，当柱距在 6m到 10m 范围内时，采用空心楼盖的综合造价比采用普通梁式楼盖的综合造价最少可以节约 13%，而当柱距大于 12m 时，这一比例最多可以达到 20%。因此可以看出，在地下结构中使用空心楼盖自有其优势，而且现行的规范[2]为空心楼盖的设计提供了一些指导性的建议，为空心楼盖结构的广泛采用提供了初步的设计依据。
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1.2 问题的提出
空心楼盖在地下大跨度结构的使用中具有其他结构形式无法比拟的独特优势，但是目前对空心楼盖的受力性能的研究和认识并不充分也不全面，缺少较为科学系统的国家层面的规范来指导空心楼盖的设计，现在设计者能够参考的空心楼盖设计依据仅为行业标准《现浇混凝土空心楼盖设计规程》[2]，而该规程仅提供了一些指导性的设计建议，由于缺少充分的试验和理论研究成果，其设计方法具有较大的局限性，空心楼盖的优势在于它具有较大的双向空间整体刚度，而该规程提供的几种简化的设计方法均将楼盖简化为单向受力构件，导致其计算结果与空心楼盖的实际受力性能相差较远。利用有限元程序计算是目前空心楼盖设计的常用方法，但现行规程[2]中并没有相关有限元方法的设计建议。此外，规程提供的对空心楼盖板、肋、暗梁等构件的尺寸的取值建议较为局限，并不能适用于板顶作用有覆土及消防车荷载等较大荷载的情况，设计者往往在初估空心楼盖各类构件尺寸取值时由于缺乏有效的指导建议而困惑，本论文将针对较大荷载作用下下空心楼盖的受力性能及构件尺寸合理取值展开研究。
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2 有限单元法基本理论及软件简介
2.1 有限单元法基本理论简介
在工程和科技领域内[41]，对于很多力学问题和物理问题，人们可以给出它们的数学模型，即应遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单且几何形状相当规则的情况。但实际上很多问题是比较复杂的，这种复杂一般表现为求解域的几何形状复杂且不规则，对于这样的问题，一般就只能采取数值方法来进行求解。再加上科技的飞速发展，特别是计算机技术的不断提高，使得数值分析方法在现代科学中得到了越来越全面的发挥和越来越广泛的应用，是一种非常强大的解决科学问题的工具。 而对于现在的数值分析方法，又可以将其分为两类。一类叫做有限差分法，它的特点是能够求解基本方程和相应定解条件的近似解，主要步骤是：首先将要分析的区域化成一定数量的网络，在各网络的节点上用差分方程来近似微分方程。随着网格划分越来越小，其求解精度便可以得到提高，有限差分法适合用来求解建立于固结在空间的坐标系（欧拉坐标系）的流体力学问题。但是对于材料是固体的问题，则一般会采用有限元法。接下来的部分将对有限单元法的相关内容进行介绍。
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2.2 ABAQUS 软件介绍
随着现代科技的发展，使得有限单元法在各种软件程序中得以充分应用，其中大型有限元软件 ABAQUS 就是其中应用最为广泛的软件。ABAQUS 具有强大的模拟性能[42]，它强大的求解功能以及非线性力学分析能力均在世界上名列前茅，它拥有种类众多的单元模型，材料模型以及分析过程，无论是处理线性问题还是非线性问题，它都能给出令人满意的准确的计算结果，现在 ABAQUS 软件已经被广泛应用于土木，机械，热工等工学领域。ABAQUS/Standard 为隐式分析求解器，可以有效的对各种工程问题进行模拟，能精确可靠的求解从简单的线弹性分析到复杂的多步骤非线性分析。模块中包含着多种类型的单元以及材料种类，能够十分方便灵活的进行各种配合使用.ABAQUS/Standard 模块适于模拟静力问题以及低频的动力学问题。ABAQUS/Explicit 为显示分析求解器，对于瞬态动力学问题有着强大的求解能力，尤其适合求解冲击和其他高度不连续的问题，对于接触问题的求解能力也十分强大，ABAQUS/Explicit 同样包含了多种类型的单元以及材料种类，方便了使用者的配合使用。
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3 空心楼盖受力性能及合理尺寸取值研究 ........... 19
3.1 混凝土空心楼盖的受力特性 ....... 19
3.2 空心楼盖几何尺寸合理取值的探讨 .....29
3.3 本章小结 ....46
4 消防车等效均布荷载研究分析 ......49
4.1 概述 ............49
4.2 消防车型号选取 ..........49
4.3 影响线理论 .........52
4.4 空心楼盖模型的主要变量选取 ....53
4.5 消防车的最不利布置 ...........58
4.6 空心楼盖整体等效消防车荷载研究分析 ......68
4.7 空心楼盖局部等效消防车荷载研究分析 ......83
4.8 本章小结 ............ 90
5 空心楼盖在消防车荷载作用下的弹塑性分析 ......... 91
5.1 概述 ........... 91
5.2 钢筋模型的选择 ......... 91
5.3 混凝土模型的选择 ..... 92
5.4 考虑弹塑性后的消防车等效荷载分析 ......... 96
5.5 弹塑性结果与弹性结果对比及建议 ............ 103
5.6 本章小结 .......... 103
5 空心楼盖在消防车荷载作用下的弹塑性分析
5.1 概述
在第 4 章的内容中，我们对消防车等效荷载的分析和研究都是在弹性基础上的，模型中并未配置相应的受力钢筋，混凝土也没有考虑其塑性的性质，这样的模拟结果主要是为了得到一个相对具有工程设计指导意义的等效消防车荷载值，但在实际问题中，在荷载较大的情况下，结构往往不会完全处于弹性的状态，在受力较大的部分，钢筋或者混凝土都可能会进入塑性，因此，对空心楼盖在消防车荷载作用下进行弹塑性分析是更接近与实际情况的。本章中所用的钢筋无论部位均统一采用 HRB400 级钢筋，它属于热轧型钢筋，其性质为软钢，软钢的应力-应变模型一般都具有明显的屈服点和流幅，在其受拉断裂时会有“颈缩”现象，伸长率较大，为了良好模拟钢筋的性质同时使模型在一定程度上得以简化，本文中采用的钢筋本构模型为双直线模型，其本构关系如下图所示（见图 5.1）：与钢筋模型相比，混凝土模型相对来说更为复杂，需要确定的因素更多，ABAQUS 程序中主要有两种混凝土的本构模型，即：混凝土弥散开裂模型（CSC）和混凝土塑性损伤模型（CDP），这两种模型基于的理论基础不同，因而各自有各自的适用范围，从理论上来说，本文可以采用上述两种模型的任意一种，在考虑计算时间以及收敛性后，选择的是适用性相对更加广泛，收敛性更好的混凝土塑性损伤模型。
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结论
本文主要对空心楼盖受力性能以及空心楼盖在消防车作用下的等效均布荷载进行了有限元建模计算分析，主要取得了以下研究成果：
① 通过有限元软件建模，对空心楼盖的受力性能进行分析，对比空心楼盖、板式楼盖、和普通梁式楼盖在相同均布荷载作用下的受力性能异同，得出了空心楼盖受力性能和板式楼盖相近，应力比较集中于柱端，有明显的受力岛受力特性，和梁式楼盖相差比较大，并没有明显的板传递到梁的传力路径特点，而是暗梁与板共同受力，是一种空间整体受力的状态的结论。
② 通过对比空心楼盖与等折算刚度实心楼盖以及等混凝土用量实心楼盖在相同工况下的受力性能，得出了空心楼盖和折算刚度相同的实心楼盖相比，受力特点较为接近，在受力性能方面虽然不具有太大优势，但却大大节省了混凝土用量；而空心楼盖和与自己等混凝土用量的实心楼盖相比，却具有较大的挠度优势，因此综合工程造价和结构受力性能来看，空心楼盖是一种受力性能较为优越并值得大力推广的先进楼盖形式的结论。
③ 通过对空心楼盖各主要构件的合理尺寸研究，得出了空心楼盖的跨度板厚比，暗梁宽度，上下板厚度，肋梁宽度，以及肋梁间距在考虑了覆土以及消防车荷载后的较大荷载作用下的适宜取值建议。
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参考文献(略)