双向板按塑性理论计算的方法很多,塑性铰线法是最常用的方法之一。
塑性铰线与塑性铰的概念是相仿的。塑性铰出现在杆系结构中,板式结构则形成塑性铰线,两者都是因受拉钢筋屈服所致。
一般将裂缝出现在板底的塑性铰线称为正塑性铰线;裂缝出现在板面的称为负塑性铰线。图1中所示为四边固支矩形板中的塑性铰线。
图1
(一)沿塑性铰线单位长度上的弯矩为常数,其值等于相应板配筋的极限弯矩;
(二)形成破坏机构时,整块板由若干刚性节板和若干塑性铰线组成,忽略各刚性节板的弹性变形和塑性铰线上的剪切变形和扭转变形,即整块板仅考虑塑性铰线上的弯曲转动变形。
用塑性铰线法计算双向板分两个步骤:首先假定板的破坏机构,即由一些塑性铰线把板分割为若干刚性板所构成的破坏机构;然后利用虚功原理,建立外荷载与作用在塑性铰线上的弯矩之间的关系,从而求出各塑性铰线上的弯矩,以此作为各截面的弯矩设计值进行配筋设计。
从理论上讲,塑性铰线法得到的是一个上限解。实际上,由于穹隆作用等有利因素,试验得到的板破坏荷载都超过按塑性铰线算得的值。
(一)破坏机构的确定
图2
确定板的破坏机构(如图2所示),就是确定塑性铰线的位置。判别塑性铰线的位置可以依据以下原则进行:
1、对称结构的塑性铰线也对称。
2、正弯矩区出现正塑性铰线,负弯矩区出现负塑性铰线。
◆ 弹性理论得出的短跨跨中的最大正弯矩处,为正塑性铰线的起点;
◆ 沿固定边界出现负塑性铰线。
3、塑性铰线应满足板块转动的要求,即必须通过相邻板块转动轴的交点。
4、塑性铰线的数量应使整块板成为一个几何可变体系。
5、应选取承载力最小的破坏机构。
(二)利用虚功原理求塑性铰线上的弯矩
设任一条塑性铰线的长度为l,其单位长度塑性铰线承受的弯矩为m,塑性铰线的转角为θ。内功为:
(1-32)
其中:
Σ——表示对各条塑性铰线求和。
设板内各点的竖向位移为w,各点的荷载积度为p。外功为:
(1-33)
式中:
V——板发生位移后形成的倒角锥体的体积。
由虚功原理,外功应等于内功:
(1-34)
利用上述公式,并补充若干附加条件(如式1-35~式1-37)便可求得塑性铰线上的弯矩,进而确定配筋。
(1-35)
(1-36)
(1-37)
◆ 部分跨中钢筋弯起后,弯起处正弯矩承载力下降,可能形成向下的幂式破坏机构(如图3所示)。
图3
◆ 活荷载较大,支座负弯矩钢筋伸出长度不够的情况下,可能形成向上的幂式破坏机构(如图4所示)。
图4