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摘要：运用有限元分析软件ANSYS对新型预应力井字梁进行分析，与普通混凝土井字梁和常规预应力井字梁进行对比，并提出了结构设计常用软件PKPM对新型预应力井字梁结构的设计实现方法。
关键词：ANSYS；预应力；井字梁；PKPM
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
混凝土井字梁楼盖空间整体性能良好，而且有较大的跨高比，施工比密肋楼盖也简单，井式天花典雅美观，有良好的装饰效果。预应力能延缓混凝土裂缝的出现，能够承受较大的荷载。井字梁和预应力相结合，融合两种结构体系长处，使大跨度，大空间建筑结构更加容易实现。本文研究的新型预应力井字梁楼盖是常规预应力井字梁结构的改进，在受力和施工方面有着很多理论上的优势。新型结构体系在国内外研究及应用甚少，本文展开该结构体系的部分研究，解决在理论和推广方面的问题。
１．新型预应力井字梁楼盖介绍
新型预应力混凝土井字梁结构是一种新型结构体系，它的柱网为方形、柱距为12～21m的柱支承预应力混凝土格梁楼盖，在每个开间内设置 4～5根井字梁，井字梁跨高比取22～28。框架柱之间不设框架梁，所有梁具有相同的截面高度，井字梁间形成跨度为 3～4m，厚度为 100～120mm常规小跨度板，紧邻框架柱两方向正交的四根梁格间的柱顶处用钢筋混凝土填实形成与梁同高的实心节点，如图1。
２．普通混凝土井字梁、预应力井字梁、新型混凝土井字梁和新型预应力井字梁的ANSYS分析
在计算中，对预应力井字梁计算中采用了相应的理论假设：预应力混凝井字梁结构在正常使用荷载作用下的内力采用弹性分析；预应力筋的作用采用等效荷载考虑。本文用ANSYS软件对普通混凝土井字梁、常规预应力井字梁、新型混凝土井字梁和新型预应力井字梁4种结构体系进行在荷载和等效荷载作用下的挠度、内力进行弹性对比分析，并做为PKPM的指导
图1新型预应力井字梁
结果。ANSYS中梁柱单元选用弹性单元BEAM4，板单元
选用shell181，均是弹性分析单元。与柱相连的主格梁采用300×600mm，其它格梁尺寸250×600mm，柱子尺寸为600×600mm，梁和柱单元均采用beam4单元。模型采用ANSYS中整体建模方法，对预应力井字梁施加等效荷载。梁等效荷载轴力Neq=Npe，井字梁中部等效均布荷载qeq1=8e0Npe/(0.8l)2, 格梁端部qeq2=8e0Npe/(0.2l)2。四种模型位移应力计算结果：普通混凝土井字梁：位移13.8mm、应力4.83N/mm2；普通预应力井字梁位移：3.12mm、应力1.37N/mm2；新型混凝土井字梁： 9.19mm、应力6.77N/mm2；新型预应力井字梁：2.17mm、应
图2 新型预应力井字梁应力图 力1.91N/mm2。
3ANSYS模型结果分析
从上面4种模型分析结果可以看出，不论是普通的井字梁结构还是新型井字梁结构，预应力能够明显减小结构在竖向荷载下位移，并能降低结构在荷载下的应力。分别比较两种结果形式，可以看出新型井字梁不论加预应力与否，都能减小结构在竖向荷载下位移，但是应力会相应的增加。应力增加是因为新型井字梁结构增加了梁的数目和节点处混凝土节点厚板，增加了结构的自重，相应的竖向荷载下应力会增加。图2可以看出，普通预应力井梁结构最大应力集中在中柱和梁的交接处，新型预应力井字梁虽然最大应力较普通预应力井字梁结构较大，但应力很分散，在中柱和四个边柱相对较大。从中排除柱采用beam4单元造成的应力在梁柱和梁板交接处的应力集中的影响，可以看出图2右图新型预应力井字梁中间厚板应力分布面积较左图普通预应力井字梁大，而且应力分布均匀，说明新型预应力井字梁柱板厚节点受力性能较好。
4 新型预应力井字梁在PKPM设计软件中的实现
图2可以看出，在中柱周围相邻的四个主格梁通过最短的路径将应力通过节点厚板传到柱中，所以在PKPM设计中可参考无梁楼板柱上集中布筋的方法，等效成一定宽度的梁和主格梁相连，其它部位按构造配筋，作为结构的安全储备。笔者通过PKPM中SATＷＥ和ANSYS对比分析，证明这种方法可行。对于其它部位井字梁可按普通预应力井字梁进行设计。
５结束语
通过以上分析，可以看出新型预应力井字梁较常规普通预应力混凝土井字梁有明显优势，具体体现在以下几点：
明显减小结构在竖向荷载下位移。通过比较，新型井字梁比普井字梁不论是否施加预应力都能比相应结构降低结构在竖向荷载作用下位移。
减小梁柱连接处的应力，避免应力集中。新型预应力井字梁应力在中间厚板节点处应力分布面积较大，而且比较均匀，避免了常规结构梁柱节点应力集中的现象。
施工容易实现。梁柱不直接相连，梁中预应力筋不通过柱，减小了节点中钢筋数量，施工容易振捣，而且避免了预应力等效应力对柱的影响，容易实现强梁弱柱。
设计容易实现。在常规设计软件ＰＫＰＭ中可以参照无梁楼盖中柱上集中布筋的方式，在柱上等效梁宽与预应力井字梁相连。
本文对此结构体系先做出初步弹性分析，至于新型预应力井字梁的塑性分析，在地震下的结构响应以及节点的耗能性质，有待进一步研究。
6 参考文献
[1] 刘之春，乔问钊，陈川．后张无粘结预应力混凝土平板抗冲切承载力的简化计算.山东土木建筑學会2008年学术年会论文集.
[2]王新敏. ansys工程结构数值分析.人民交通出版社..2007
[3]吕志涛，孟少平.现代预应力设计.中国建筑工业出版社.1998.12
[4] NokulchaiW K . A macrolement for waffle slab anslysis.Cimp Struct .1982,15(2):198-206
关键词：ANSYS；预应力；井字梁；PKPM
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
混凝土井字梁楼盖空间整体性能良好，而且有较大的跨高比，施工比密肋楼盖也简单，井式天花典雅美观，有良好的装饰效果。预应力能延缓混凝土裂缝的出现，能够承受较大的荷载。井字梁和预应力相结合，融合两种结构体系长处，使大跨度，大空间建筑结构更加容易实现。本文研究的新型预应力井字梁楼盖是常规预应力井字梁结构的改进，在受力和施工方面有着很多理论上的优势。新型结构体系在国内外研究及应用甚少，本文展开该结构体系的部分研究，解决在理论和推广方面的问题。
１．新型预应力井字梁楼盖介绍
新型预应力混凝土井字梁结构是一种新型结构体系，它的柱网为方形、柱距为12～21m的柱支承预应力混凝土格梁楼盖，在每个开间内设置 4～5根井字梁，井字梁跨高比取22～28。框架柱之间不设框架梁，所有梁具有相同的截面高度，井字梁间形成跨度为 3～4m，厚度为 100～120mm常规小跨度板，紧邻框架柱两方向正交的四根梁格间的柱顶处用钢筋混凝土填实形成与梁同高的实心节点，如图1。
２．普通混凝土井字梁、预应力井字梁、新型混凝土井字梁和新型预应力井字梁的ANSYS分析
在计算中，对预应力井字梁计算中采用了相应的理论假设：预应力混凝井字梁结构在正常使用荷载作用下的内力采用弹性分析；预应力筋的作用采用等效荷载考虑。本文用ANSYS软件对普通混凝土井字梁、常规预应力井字梁、新型混凝土井字梁和新型预应力井字梁4种结构体系进行在荷载和等效荷载作用下的挠度、内力进行弹性对比分析，并做为PKPM的指导
图1新型预应力井字梁
结果。ANSYS中梁柱单元选用弹性单元BEAM4，板单元
选用shell181，均是弹性分析单元。与柱相连的主格梁采用300×600mm，其它格梁尺寸250×600mm，柱子尺寸为600×600mm，梁和柱单元均采用beam4单元。模型采用ANSYS中整体建模方法，对预应力井字梁施加等效荷载。梁等效荷载轴力Neq=Npe，井字梁中部等效均布荷载qeq1=8e0Npe/(0.8l)2, 格梁端部qeq2=8e0Npe/(0.2l)2。四种模型位移应力计算结果：普通混凝土井字梁：位移13.8mm、应力4.83N/mm2；普通预应力井字梁位移：3.12mm、应力1.37N/mm2；新型混凝土井字梁： 9.19mm、应力6.77N/mm2；新型预应力井字梁：2.17mm、应
图2 新型预应力井字梁应力图 力1.91N/mm2。
3ANSYS模型结果分析
从上面4种模型分析结果可以看出，不论是普通的井字梁结构还是新型井字梁结构，预应力能够明显减小结构在竖向荷载下位移，并能降低结构在荷载下的应力。分别比较两种结果形式，可以看出新型井字梁不论加预应力与否，都能减小结构在竖向荷载下位移，但是应力会相应的增加。应力增加是因为新型井字梁结构增加了梁的数目和节点处混凝土节点厚板，增加了结构的自重，相应的竖向荷载下应力会增加。图2可以看出，普通预应力井梁结构最大应力集中在中柱和梁的交接处，新型预应力井字梁虽然最大应力较普通预应力井字梁结构较大，但应力很分散，在中柱和四个边柱相对较大。从中排除柱采用beam4单元造成的应力在梁柱和梁板交接处的应力集中的影响，可以看出图2右图新型预应力井字梁中间厚板应力分布面积较左图普通预应力井字梁大，而且应力分布均匀，说明新型预应力井字梁柱板厚节点受力性能较好。
4 新型预应力井字梁在PKPM设计软件中的实现
图2可以看出，在中柱周围相邻的四个主格梁通过最短的路径将应力通过节点厚板传到柱中，所以在PKPM设计中可参考无梁楼板柱上集中布筋的方法，等效成一定宽度的梁和主格梁相连，其它部位按构造配筋，作为结构的安全储备。笔者通过PKPM中SATＷＥ和ANSYS对比分析，证明这种方法可行。对于其它部位井字梁可按普通预应力井字梁进行设计。
５结束语
通过以上分析，可以看出新型预应力井字梁较常规普通预应力混凝土井字梁有明显优势，具体体现在以下几点：
明显减小结构在竖向荷载下位移。通过比较，新型井字梁比普井字梁不论是否施加预应力都能比相应结构降低结构在竖向荷载作用下位移。
减小梁柱连接处的应力，避免应力集中。新型预应力井字梁应力在中间厚板节点处应力分布面积较大，而且比较均匀，避免了常规结构梁柱节点应力集中的现象。
施工容易实现。梁柱不直接相连，梁中预应力筋不通过柱，减小了节点中钢筋数量，施工容易振捣，而且避免了预应力等效应力对柱的影响，容易实现强梁弱柱。
设计容易实现。在常规设计软件ＰＫＰＭ中可以参照无梁楼盖中柱上集中布筋的方式，在柱上等效梁宽与预应力井字梁相连。
本文对此结构体系先做出初步弹性分析，至于新型预应力井字梁的塑性分析，在地震下的结构响应以及节点的耗能性质，有待进一步研究。
6 参考文献
[1] 刘之春，乔问钊，陈川．后张无粘结预应力混凝土平板抗冲切承载力的简化计算.山东土木建筑學会2008年学术年会论文集.
[2]王新敏. ansys工程结构数值分析.人民交通出版社..2007
[3]吕志涛，孟少平.现代预应力设计.中国建筑工业出版社.1998.12
[4] NokulchaiW K . A macrolement for waffle slab anslysis.Cimp Struct .1982,15(2):198-206