问题描述:
通过表格分别查看某楼板的板带内力(图 1)和设计内力(图 2),依次对比弯矩和轴力。例如,在板跨中(station=4000mm)位置,分析弯矩为 278.1021kN·m,而设计弯矩为 282.9734
kN·m;在板边缘(station=0)位置,分析轴力为 3.1718kN,而设计轴力为 14.0774kN。请问,为什么板带内力与设计内力不相同?
图 1 板带的分析内力
图 2 板带的设计内力
解答:
SAFE 采用 Wood-Armer 方法计算板带设计内力,然后用于配筋计算。该方法在计算设计弯矩时考虑了扭矩的贡献,计算设计轴力时考虑了面内剪力的贡献,因此与板带内力中的弯矩和轴力不同。
利用 Wood-Armer 方法计算设计内力虽然可能无法完全满足力的平衡条件,但它能够精确捕捉板的整体行为,从而提供更加合理的设计结果。例如,当板的开裂发生在设计板带的对角方向时,该方法可以有效地计算设计弯矩。SAFE 基于有限元计算的单元分析内力,利用上述方法计算板带的设计内力。具体原理如下:

1. 设计弯矩
计算设计弯矩时考虑扭矩 m12 的贡献,如下所示。

2. 设计轴力
计算设计轴力时考虑面内剪力 f12 的贡献,程序通过以下公式计算得到两个轴力值,并在表格中输出抗弯控制组合下的设计轴力。

接下来,我们通过一个简单的模型验证上述计算方法。注意,该模型中仅定义了一个设计组合,而在真实的结构中,同一测站顶部弯矩和底部弯矩的控制组合可能不同。
如图 4 所示的板,长 2m,宽 1m,仅添加沿 X 方向的设计板带,板带宽度为 0.5m,覆盖整个板。通过表格查看跨中(station=1000mm)左侧两个面单元(1-3&1-4)以及右侧两个面单元(1-5&1-6)的内力,如图 5 所示。

图 4 验证模型

图 5 面单元内力
按照 Wood-Armer 方法分别计算设计弯矩和设计轴力,如图 6 和图 7 所示。注意,每个有限元节点从属的板带范围是整个板带宽度的 1/4,即 0.25m。因此,每个有限元节点每延米的内力转换为设计轴力时需乘以 0.25m。

图 6 设计弯矩的计算

图 7 设计轴力的计算
程序输出的设计内力如图 8 所示,具体如下:
1)考虑扭矩 M12 的贡献,计算得到的顶部弯矩较大值是测站左侧面单元(1-3&1-4)的合力,即 1.1025kN·m,与程序输出的设计结果(1.0982kN·m)几乎一致;同样,底部弯矩较大值是测站右侧面单元(1-5&1-6)的合力,即 1.499kN·m,与程序输出的设计结果(1.4929kN·m)几乎一致。
2)考虑面内剪力 F12 的贡献,计算得到的设计轴力取控制弯矩对应的轴力。控制弯矩是底部弯矩,对应轴力为 55.637kN,与程序输出的设计结果(55.6429kN)几乎一致。

图 8 板带的设计内力