唐 毅

（機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院建筑四所，重慶400039）

扁梁空心樓蓋體系在高層建筑中的應(yīng)用

唐 毅

（機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院建筑四所，重慶400039）

扁梁空心樓蓋體系在高層建筑中的應(yīng)用較少，相應(yīng)分析方法還不夠成熟。以重慶某高層建筑實(shí)際應(yīng)用為例，研究了空心樓蓋面外剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)分析的影響。通過(guò)對(duì)比不同分析方法的樓蓋內(nèi)力，指出扁梁空心樓蓋應(yīng)進(jìn)行梁板整體分析，并介紹了實(shí)用分析方法——擬梁法。

扁梁;空心樓蓋;整體計(jì)算;實(shí)用方法

0 引言

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常因?qū)痈呦拗苹蛟黾觾舾叩男枨蠖M量降低梁的截面高度，又因受到承載力的限制只能增加梁截面寬度從而形成梁寬大于梁高的扁梁，當(dāng)扁梁截面寬度大于垂直梁軸方向的柱寬度時(shí)為寬扁梁[1]。因高層建筑的柱截面尺寸比較大，扁梁截面寬度一般不會(huì)超過(guò)柱截面寬度，能保證梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能，與普通框架相比抗震性能更好[2-3]。當(dāng)框架梁采用扁梁時(shí)因截面高度較小，配合現(xiàn)澆空心板而不出現(xiàn)次梁就形成扁梁空心樓蓋體系。由于現(xiàn)澆空心樓蓋具有較多優(yōu)點(diǎn)和綜合造價(jià)優(yōu)勢(shì)，目前在地下車庫(kù)和多層商業(yè)建筑中的應(yīng)用較多，在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還比較少見(jiàn)。下面以重慶某高層辦公酒店建筑的實(shí)際應(yīng)用為例，研究空心樓蓋面外剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果的影響，研究樓蓋整體分析的必要性以及整體分析在程序中的實(shí)現(xiàn)方法。

1 工程實(shí)例概況

重慶南岸某大型綜合商業(yè)廣場(chǎng)，其中四星級(jí)酒店辦公樓為地上26層、地下4層的高層建筑，屋面高度97.85m。酒店地下車庫(kù)層高3.4m，裙房層高5.1m，辦公區(qū)層高3.45m（5～13層），酒店區(qū)層高3.4m（14～26層）。建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為6度0.05g。

由于建筑層高限制和內(nèi)部使用空間要求，方案從結(jié)構(gòu)和公用管道系統(tǒng)兩方面采取措施來(lái)提高使用空間凈高：結(jié)構(gòu)采用扁梁空心樓蓋體系（如圖1，其中一跨表示了筒芯布置）；公用管道采用垂直布置系統(tǒng)。經(jīng)采取此兩項(xiàng)措施后，辦公區(qū)有效凈高2.5m，酒店區(qū)房間內(nèi)3.05m，走道2.45m。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)布置方案

圖2 空心樓板截面大樣圖

3 空心樓板面外剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果的影響

在普通梁板結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，因樓板厚度較小一般僅考慮樓板面內(nèi)剛度，通過(guò)梁剛度放大系數(shù)考慮翼緣有效寬度范圍內(nèi)的樓板作用。而在扁梁空心樓蓋體系中，扁梁剛度與空心樓板面外剛度相差不大，甚至兩扁梁之間的空心樓板整體面外剛度比框架扁梁更大，為驗(yàn)證剛度放大系數(shù)法用于扁梁空心樓蓋體系的整體分析的可行性，該文分別按彈性膜單元和彈性殼單元建立了2個(gè)不同力學(xué)假設(shè)的整體模型對(duì)比分析?？招陌宀捎脧椥詺卧M時(shí)，其等效厚度可根據(jù)等剛度原則換算。順筒方向換算得到等效厚度為285mm。橫筒方向等效厚度根據(jù)《現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS175-2004第4.4.2條計(jì)算結(jié)果為279mm，與順筒向等效厚度相差僅2%，考慮到該工程適當(dāng)加大了筒芯縱向間距，對(duì)減小各向異性更有利，因此模型中彈性板厚度按順筒向取285mm。模型采用PKPM 2010版建立，兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 采用不同樓蓋力學(xué)模型的整體分析結(jié)果

對(duì)比表1兩種計(jì)算結(jié)果可以看出兩種方法差異十分明顯，不考慮空心板面外剛度模型與按實(shí)際樓板面外剛度計(jì)算模型相比周期偏長(zhǎng)，剛重比偏小，層間位移角偏大，說(shuō)明按規(guī)范剛度系數(shù)法計(jì)算的整體剛度偏小，相應(yīng)結(jié)果差異較大。因此，扁梁空樓樓蓋結(jié)構(gòu)必須按樓蓋實(shí)際面外剛度計(jì)算，在PKPM程序中可采用等效厚度的彈性殼單元（即彈性板6）模擬，但應(yīng)注意建模時(shí)應(yīng)采用虛梁劃分網(wǎng)格。進(jìn)一步比較結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上結(jié)果差異發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)方向的差異程度懸殊，這是由于兩個(gè)方向框架扁梁間距和跨度差異較大所致。另在采用擬梁法時(shí)，由于雙向擬梁自重疊加后遠(yuǎn)超出實(shí)際恒載，需要輸入負(fù)恒載抵消部分自重，而部分程序（如SATWE）在計(jì)算水平地震力時(shí)不能扣除負(fù)恒載導(dǎo)致地震作用加大，因此在結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)分析時(shí)建議采用彈性殼單元（SATWE中采用彈性板6）結(jié)合網(wǎng)格劃分（PKPM中可采用虛梁代替網(wǎng)格）的方法考慮空心板面外剛度較為準(zhǔn)確、可靠，網(wǎng)格間距可取1～2m。

4 扁梁空心樓蓋設(shè)計(jì)

扁梁空心樓蓋體系在進(jìn)行樓蓋內(nèi)力計(jì)算和配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按梁板協(xié)同變形整體分析。由于扁梁與空心板抗彎剛度相比差異不大，因此扁梁不能假設(shè)為空心板的豎向不動(dòng)鉸支座，不能按梁板分離計(jì)算[5-6]。扁梁空心樓蓋理論上可采用有限元法對(duì)梁板整體劃分網(wǎng)格后計(jì)算，但由于該法節(jié)點(diǎn)數(shù)太多，計(jì)算量相當(dāng)大，因此該文采用CECS 175-2004中實(shí)用方法——擬梁法（忽略擬梁之間的剪切和扭轉(zhuǎn)影響）來(lái)分析。采用擬梁法建模時(shí)每區(qū)格板兩方向擬梁不少于5根（單向板例外），擬梁截面高度與空心板相同，寬度按與等效范圍空心板剛度相等原則換算。

以圖1中Q軸上2-5軸跨框架扁梁為例，分別按分離式和協(xié)同變形方式計(jì)算內(nèi)力和配筋。分離式算法按普通梁板傳統(tǒng)方法進(jìn)行，協(xié)同變形計(jì)算方式采用擬梁法，每1～1.5m寬空心板擬為1根等效矩形實(shí)心截面梁，同時(shí)板厚修改為0mm，扁梁和周圍框架梁按實(shí)際截面輸入。

計(jì)算結(jié)果表明：按協(xié)同變形模式計(jì)算的框架扁梁彎矩和配筋明顯小于按分離式計(jì)算結(jié)果，詳見(jiàn)表2。其原因是樓板荷載傳遞結(jié)果發(fā)生了根本改變：協(xié)同計(jì)算方式荷載按剛度分配，框架扁梁荷載呈馬鞍形分布;而分離式計(jì)算按雙向板傳遞荷載，框架扁梁荷載呈梯形分布。這兩種截然不同的荷載分布模式?jīng)Q定了內(nèi)力大小，其值詳見(jiàn)表2。

表2 不同樓蓋分析方法的計(jì)算結(jié)果

另外，協(xié)同變形分析結(jié)果空心板受力特征是，靠近框架扁梁兩端配筋較分離式大，中間部分較分離式小與無(wú)梁樓蓋接近；板底配筋較小與分離式算法接近，多為最小配筋率控制。相反分離式計(jì)算的框架扁梁端部（柱頂附近）負(fù)筋不足，樓板角部負(fù)筋也偏小，在使用階段可能會(huì)出現(xiàn)較多裂縫，存在安全隱患及滲漏等影響使用的問(wèn)題，應(yīng)加以重視。

扁梁空心樓蓋用于酒店建筑還涉及到衛(wèi)生間降板的結(jié)構(gòu)處理問(wèn)題，該項(xiàng)目采取空心板上衛(wèi)生間部分板厚減少50mm，相應(yīng)部分筒芯直徑改用150mm的措施，保證板底平整便于施工，并在衛(wèi)生間周邊設(shè)封閉暗梁解決了鋼筋錨固問(wèn)題同時(shí)對(duì)局部降板削弱有一定補(bǔ)強(qiáng)作用，具體措施參見(jiàn)圖3大樣。

圖3 衛(wèi)生間降板處理大樣

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用分析、研究得到一些結(jié)論和方法可供類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)采用扁梁空心樓蓋為主時(shí)，結(jié)構(gòu)整體分析中應(yīng)恰當(dāng)考慮空心板面外剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)。在初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)整體分析中建議采用等效厚度的彈性殼模擬空心樓板，并注意相應(yīng)梁剛度放大系數(shù)取1.0。

（2）扁梁空心樓蓋內(nèi)力及配筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)按協(xié)同變形模式整體分析。該文通過(guò)分離式算法和擬梁法對(duì)比分析可知，擬梁法計(jì)算結(jié)果符合梁板協(xié)同分析模式，分析所得到的內(nèi)力和配筋正確、合理，設(shè)計(jì)更安全、更經(jīng)濟(jì)。《現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 175-2004中的擬梁法適用性廣，且在程序中容易實(shí)現(xiàn)，可在扁梁空心樓蓋協(xié)同分析中推廣使用。

[1]DBJ/T 15-46高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 3-2002補(bǔ)充規(guī)定[S].2005.

[2]傅學(xué)怡.寬扁梁設(shè)計(jì)建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999（2）：11-14.

[3]郭靳時(shí)，孫欣，徐長(zhǎng)東.扁梁樓蓋在高層建筑中的應(yīng)用[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（1）：28-30.

[4]李云霄，龐國(guó)新，劉濱.鋼筋砼扁梁截面高度取值研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，1997（10）：42-44.

[5]ACI 318R-02Buildingcode requirements for structural concrete and commentary[S].

[6]張劍，傅學(xué)怡，劉暢.重力荷載作用下鋼筋混凝土框架梁平板樓蓋分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003,33（11）：45-49.

責(zé)任編輯:李 紅

Application of Flat-beam in Cast-in-situ Hollow Floor System to Tall Buildings

The flat-beam in cast-in-situ hollow floor system is rarely applied in tall buildings construction，and related analysis methods are also immature.The author takes the application of the system to a tall building in Chongqing as an example and goes deeply to the impact of the out-of-plane stiffness of cast-in-situ hollow floor on the overall structure.By comparing the floor internal forces with different analysis methods,the author points out that comprehensive analysis on girders of flat-beamed cast-in-situ hollow floor should be done and the practical method--analogue beam method is introduced.

flat-beam;cast-in-situ hollow floor;analysis;practical method

TU973

A

1671-9107（2012）07-0017-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.07.017

2012-05-31

唐毅（1979—），男，四川開(kāi)江人，碩士，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究工作。