地铁车辆段钢筋混凝土双向分隔楼板耐火优化设计方法
【专利摘要】本发明提供一种地铁车辆段与上盖建筑物业之间钢筋混凝土双向分隔楼板的耐火优化设计方法，包含以下步骤：首先通过有限元方法按照四边固支条件建立楼板数值模型，划分有限单元网格，计算并绘出过火后挠度—时间曲线，找出曲线上曲率的拐点；采用剖分节点搜索法确定出拐点处塑性铰线的分布及出铰截面的节点转动量；根据相应温度下混凝土与钢筋的材料性能，通过塑性铰转动量计算出塑性铰线处的薄膜力与截面抗力，确定过火板相应的剩余承载力；据此计算过火钢筋混凝土双向板的耐火时间与剩余承载力，并进行优化设计。本发明方法可精细预测钢筋混凝土双向分隔楼板的实际耐火时间与过火后的剩余承载力，可降低为了达到3小时耐火极限时间所需要增加的建设成本，达到节约造价的目的。
【专利说明】地铁车辆段钢筋混凝土双向分隔楼板耐火优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及消防领域，尤其是建筑消防设计，具体而言涉及一种地铁车辆段上盖建筑物业钢筋混凝土双向分隔楼板耐火性能的优化设计方法。
【背景技术】
[0002]近年来国内地铁建设已进入快速发展阶段，为了充分利用城市土体资源，地铁建设单位通常会进行地铁车辆段上盖建筑物业的开发。具体而言，就是在集中停放地铁列车的管理中心建筑上部建造大型的钢筋混凝土分隔楼板进行结构型式转换，并在转换层顶部建造民用建筑作为商品住宅销售。
[0003]为了确保上盖物业建筑在火灾发生时具有足够的安全性，钢筋混凝土分隔楼板必须满足3小时以上耐火极限时间的要求。然而，目前我国的建筑耐火设计标准大多仅仅针对普通住宅钢筋混凝土双向楼板，并没有对上盖建筑物业这种特殊情况做出专门的设计规定，因此目前能从规范上查到的最长的钢筋混凝土楼板耐火时间仅为2.5小时。通常需要采用额外的工程措施进行防火处理，具体包括:分隔楼板下表面全面涂抹防火漆、增大混凝土保护层厚度以及在保护层内设置钢筋混凝土网片等。这些工程措施所增加的建设成本往往高达上千万元。而实际上，对于钢筋混凝土双向分隔楼板，其四周固结约束对有效延长板的耐火时间会产生显著的有利影响，同时在钢筋屈服出铰后板面的薄膜效应也可以有效地延长板的耐火时间，而在目前钢筋混凝土双向楼板的耐火性能实际设计中，通常会保守地忽略这两种有利作用，而缩短了这种分隔楼板的设计耐火时间。目前亟待发展一种优化设计方法，可以精细化地考虑这种钢筋混凝土双向分隔楼板的实际耐火性能，以达到科学设计、节约造价的目的。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种地铁车辆段钢筋混凝土双向分隔楼板的耐火优化设计方法，通过有限元计算，充分考虑钢筋混凝土双向板四周固支约束与薄膜效应的有利作用，精细预测钢筋混凝土双向分隔楼板的实际耐火时间与过火后的剩余承载力，且降低为了达到3小时以上耐火极限时间所需要增加的建设成本，节约造价。
[0005]为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0006]一种钢筋混凝土双向分隔楼板的优化设计方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:采用有限元方法，建立楼板的有限元数值模型，并将模型划分网格，设置材料属性、约束属性和荷载属性；
[0008]步骤2:对划分好网格的模型按照标准温度荷载曲线施加火荷载，并进行结构计算，获得楼板在过火时间段内的不同阶段的挠度值，并据此绘制过火楼板的挠度一时间关系曲线，数据均采集自楼板的有限元数值模型；
[0009]步骤3:标明前述过火时间——挠度关系曲线中曲率的拐点；
[0010]步骤4:利用剖分节点搜索法，获取前述拐点所对应的塑性铰线位置，即:塑性铰线的区域与楼板边缘的距离；
[0011]步骤5:根据已得的拐点所对应的塑性铰节点位置，绘制塑性铰线图，并从计算结果中提取出现塑性铰相应时间的节点转角量；提取的方法是通过模型生成的结果数据文件中提取；
[0012]步骤6:根据塑性铰线位置的截面抗力与薄膜力，确定楼板的的剩余承载力。
[0013]前述方法中，对楼板采用一定数量的网格划分有限元模型，约束情况采用四边固支。
[0014]前述方法中，在采用剖分节点搜索法确定拐点所对应的塑性铰线位置时:首先将楼板楼板模型沿某一方向(如X向)均分为若干个区域，依次编号，然后先对第I区域进行网格加密，其余区域网格不变，对楼板模型进行有限元数值计算；具体步骤为:对划分好网格的模型加载标准温度荷载曲线，在预定过火时间内进行温度场与挠度计算；此后对各区域进行相同操作，即通过建立多个模型进行加密区的平行移动；通过若干次运算将整个楼板的加密后的挠度变化综合对比，若钢筋屈服后截面曲率激增，则表明截面已经出现塑性铰，塑性变形集中发展；此步骤也就是在板内找出x、Y方向上曲率开始变化且短时间内激增的节点，据此分析得到出现塑性铰的区域与楼板边缘的距离，实现塑性铰线平面定位。
[0015]前述方法中，采用如下方式确定楼板的剩余承载力:
[0016]I)出铰截面考虑薄膜效应的抗力qr:
[0017]qr=eqf
【权利要求】
1.一种地铁车辆段钢筋混凝土双向分隔楼板耐火优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:采用有限元方法，按照四边固支建立钢筋混凝土双向分隔楼板的数值模型，并将模型划分网格，设置材料属性、约束属性和荷载属性； 步骤2:对划分好网格的模型按照标准温度荷载曲线施加火荷载，在预定过火时间内进行温度计算，获得楼板的有限元数值模型在预定过火时间内的不同时间段的竖向挠度值，并据此绘制过火楼板的挠度一时间关系曲线，数据均采集自楼板的有限元数值模型；步骤3:标明前述时间一挠度关系曲线中曲率的拐点； 步骤4:利用剖分节点搜索法，获取前述拐点所对应的塑性铰线位置，即:各塑性铰节点与楼板两侧边缘的距离； 步骤5:根据已得的拐点所对各塑性铰节点绘制塑性铰线图，并从计算结果中提取塑性铰线位置所在节点相应时间的转角量；提取的方法是，在数值模型计算生成的结果数据文件中找到对应的数据； 步骤6:根据塑性铰线位置截面抗力与薄膜力，确定楼板的剩余承载力。
2.根据权利要求1所述的地铁车辆段钢筋混凝土双向分隔楼板耐火优化设计方法，其特征在于，前述方法中，对楼板采用一定数量的网格划分有限元模型，约束情况采用四边固支。
3.根据权利要求1所述的地铁车辆段钢筋混凝土双向分隔楼板耐火优化设计方法，其特征在于，前述方法中，在采用剖分节点搜索法确定拐点所对应的塑性铰线位置时:首先将楼板模型沿X向均分为若干个区域，依次编号，然后先对第I区域进行网格加密，其余区域网格不变，对楼板数值模型进行有限元数值计算；具体步骤为:对划分好网格的数值模型加载标准温度荷载曲线，在预定过火时间内进行温度场与挠度计算；此后对各区域进行相同操作，即通过建立多个数值模型进行加密区的平行移动；通过若干次运算将整个楼板模型的加密后的挠度变化综合对比，若钢筋屈服后截面曲率激增，则表明截面已经出现塑性铰，塑性变形集中发展；此步骤也就是在板内找出X、Y方向上曲率开始变化且短时间内激增的节点，据此分析得出出现塑性铰的区域与楼板边缘的距离。
4.根据权利要求1所述的地铁段上建筑钢筋混凝土双向分隔楼板耐火性能设计方法，其特征在于，前述方法中，采用如下方式确定楼板的剩余承载力: I)出铰截面考虑薄膜效应的截面抗力qr: qr=eqf
_ _ 24k{l+0%)mL
,_一 Tfl1 Jc ——..................................................................................一 -
OT1 ,~ mz 其中:e为高温下考虑薄膜效应后楼板承载力的增大系数；qf为楼板在常温下按屈服线理论确定的极限承载力为楼板短边尺寸；m1、m2分别为楼板内两个方向上屈服线即塑性铰线处单位宽度极限弯矩;mn为板边界上屈服线处单位宽度极限弯矩；ξ为确定屈服线位置的参数；2)楼板屈服线上的单位宽度极限承载弯矩mu:
5.根据权利要求1所述的地铁段上建筑钢筋混凝土双向分隔楼板耐火性能设计方法，其特征在于，前述方法中3)楼板的剩余承载力Mct::
【文档编号】G06F17/50GK103469918SQ201310428808
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】施毅, 张巍, 周明保, 陆卫, 王浩, 李惠鑫, 张云聪, 朱守兵 申请人:南京大学