探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)心樓板與空心樓蓋的對(duì)比

陸鳳云

深圳市特區(qū)建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司

摘要：本文主要針對(duì)實(shí)心樓板與空心樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)用的對(duì)比，空心樓蓋結(jié)構(gòu)具有自重輕、材料省、整體性能好、綜合造價(jià)低和加快施工速度等特點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；空心樓蓋

0 引言

隨著空心樓蓋結(jié)構(gòu)的推廣，其逐漸應(yīng)用在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中?？招臉巧w結(jié)構(gòu)在高層建筑中優(yōu)勢(shì)明顯：增加樓層凈高，8m跨度的大空間現(xiàn)澆空心樓蓋體系樓蓋結(jié)構(gòu)厚度250-500 mm，增加樓層凈高250-700 mm；無(wú)需吊頂，室內(nèi)結(jié)構(gòu)頂棚平整美觀，一般無(wú)需吊頂；室內(nèi)空間高達(dá)舒展，經(jīng)濟(jì)跨度可達(dá)8-12m；可以建造更多的樓層，在保證樓層凈高的前提下，通過(guò)壓縮建筑層高，每隔10-20層可增加一個(gè)樓層；隔熱隔音性能好，內(nèi)置封閉的空腔提升了樓板的隔熱性能，樓板的平均厚度比普通樓板大，提高了隔音效果。同時(shí)，空心樓蓋在結(jié)構(gòu)方面的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重輕，鋼筋用量少，施工方便；在經(jīng)濟(jì)方面的特點(diǎn)是節(jié)省鋼筋、混凝土、模板用量和費(fèi)用，節(jié)省基礎(chǔ)造價(jià)，節(jié)省施工工期，節(jié)省空調(diào)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等。

傳統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)采用實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)，由于實(shí)心樓板厚度相對(duì)小，平面外剛度有限，所以在進(jìn)行受力分析的時(shí)候，只考慮樓板對(duì)框架或框剪結(jié)構(gòu)中的梁有一定的約束和剛度貢獻(xiàn)，而樓板與框架或框剪結(jié)構(gòu)是相對(duì)獨(dú)立進(jìn)行受力分析的，不完全考慮兩者之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，樓板也不參與整體結(jié)構(gòu)的受力分析。然而，空心樓蓋結(jié)構(gòu)的樓板雖然是空心的，但是厚度相對(duì)大，空心樓蓋結(jié)構(gòu)又以扁梁為主，有時(shí)甚至梁高與板厚相同，板對(duì)梁的影響相當(dāng)之大，而且，空心樓板內(nèi)模之間是肋梁，把這些肋梁都看作結(jié)構(gòu)梁的話，空心樓蓋結(jié)構(gòu)可以類比為密肋梁結(jié)構(gòu)體系。因此，空心樓蓋結(jié)構(gòu)和實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)之間存在比較大的差異，那么它們?cè)诟邔咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中有何異同。本文以一算例，用廣廈程序分別對(duì)高層建筑進(jìn)行空心樓蓋結(jié)構(gòu)和實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，分析比較兩種結(jié)構(gòu)的整體性能。

1 算例說(shuō)明

本算例為13層框剪結(jié)構(gòu)，各層高為3.3 m，X向36 m，Y向27 m。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2，場(chǎng)地類別為11類，地震設(shè)計(jì)分組為一組，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。荷載按GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值?？招臉巧w結(jié)構(gòu)的平面布置和實(shí)心樓板的平面布置分別如圖1和圖2所示。

圖1空心樓蓋結(jié)構(gòu)平面布置

圖2實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)平而布置

兩種結(jié)構(gòu)的混凝土等級(jí)均為C30，剪力墻和柱子的位置和尺寸均一樣，柱子尺寸為900mm×900 mm，柱距均為9 m，剪力墻分布在四角，墻厚200 mm，長(zhǎng)度為3m，不同之處僅僅是每一層的梁板?？招臉巧w的扁梁尺寸為900 mm×300 mm，板厚300mm；實(shí)心樓板的主梁為250 mm×800 mm，井字梁為200mm×600 mm，板厚為100mm。兩種結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD程序計(jì)算均滿足各種安全規(guī)范。下面對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 計(jì)算對(duì)比

2.1樓層側(cè)向剛度對(duì)比

從圖3可以看出：空心樓蓋結(jié)構(gòu)的各層側(cè)向剛度僅為實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的50%左右。高層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度取決于其豎向構(gòu)件和豎向構(gòu)件之間的聯(lián)系，本文兩種結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件是完全一樣的，因此造成兩者側(cè)向剛度的差異都緣于梁板。實(shí)心梁板結(jié)構(gòu)的梁高遠(yuǎn)大于空心樓蓋的扁梁，抗彎剛度較大，在豎向構(gòu)件一樣的情況下，實(shí)心梁板結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度肯定是大于空心樓蓋的，然而是否能夠大一倍之多這是值得分析的地方。

圖3 0°方向的樓層側(cè)向剛度對(duì)比

因目前結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件的限制，樓板與結(jié)構(gòu)梁獨(dú)立計(jì)算，未能充分考慮到厚度大的空心樓板對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，故計(jì)算出來(lái)的側(cè)向剛度會(huì)比實(shí)際的要小。如果按照實(shí)際情況分析，空心樓板里面大量的肋梁與扁梁整體澆筑，緊密相連，對(duì)整體剛度有一定的增大，應(yīng)參與到整體的受力分析中。

2.2地震作用下最大層間位移對(duì)比

從圖4可以看出：首層兩種結(jié)構(gòu)的最大層間位移幾乎相等，隨著樓層增加，空心樓蓋結(jié)構(gòu)的最大層間位移開(kāi)始大于實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)，而且相差的幅度也隨著樓層的增加而增大，在最高層的位置空心樓蓋結(jié)構(gòu)的最大層間位移是實(shí)心梁板的兩倍多。首層的層間位移幾乎相等是因?yàn)槭艿搅嘶A(chǔ)的強(qiáng)約束，隨著層數(shù)增，受到的約束越來(lái)越小，在地震作用下層間位移便越來(lái)越大了。在較高樓層，空心樓蓋結(jié)構(gòu)的最大層間位移之所以遠(yuǎn)大于實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的兩倍有余是因?yàn)樯鲜龅膫?cè)向剛度計(jì)算結(jié)果所導(dǎo)致的。值得注意的是，空心樓蓋最大層間位移出現(xiàn)在樓層的位置與實(shí)心樓板的不一樣。空心樓蓋結(jié)構(gòu)的最大層間位移出現(xiàn)在第7層附近，而實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)在第5層附近。這說(shuō)明空心樓蓋結(jié)構(gòu)最薄弱的位置比實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的要高，應(yīng)注意薄弱位置的加強(qiáng)。

圖4 0°方向地震作用下最大層間位移對(duì)比

2.3最大層間位移角對(duì)比

由表1可以看出：空心樓蓋結(jié)構(gòu)的最大層間位移角都比實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的要大，且最大層間位移角出現(xiàn)的位置也都比實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的要高，與上述的計(jì)算結(jié)果保持一致。高層建筑最大層間位移角限值為1/800，兩者均滿足此限制，同時(shí)可以看出實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的偏于安全，而空心樓蓋結(jié)構(gòu)偏于經(jīng)濟(jì)。這里還值得分析的地方是，風(fēng)荷載導(dǎo)致空心樓蓋結(jié)構(gòu)的最大層間位移角大于實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的兩倍，而地震作用產(chǎn)生的最大層間位移角卻少于實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)的兩倍，這里的原因是空心樓蓋結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量小于實(shí)心樓板結(jié)構(gòu)，地震作用就會(huì)相對(duì)較小，因此兩者地震作用下的最大層間位移角會(huì)相差得比較小。這里可以體現(xiàn)空心樓蓋結(jié)構(gòu)能夠減小地震作用的特點(diǎn)。

表1 各種作用下最大層間位移角及其樓層對(duì)比

2.4前三振型的自振周期與振型參與質(zhì)量對(duì)比

從表2可以看出：空心樓蓋結(jié)構(gòu)的前三個(gè)振型自振周期都比實(shí)心梁板的要大，比后者大30%左右，但是振型的參與質(zhì)量比實(shí)心梁板的要小。自振周期長(zhǎng)，說(shuō)明空心樓蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度較柔，與上述的計(jì)算數(shù)據(jù)是吻合的，實(shí)心梁板結(jié)構(gòu)整體剛度大，較為吸收地震作用，產(chǎn)生的地震力大，為了保證結(jié)構(gòu)安全會(huì)提高整體造價(jià)，這里再次體現(xiàn)空心樓蓋減小地震作用，降低造價(jià)的特點(diǎn)。

表2 前三振型的自振周期與振型參與質(zhì)量對(duì)比

2.5結(jié)構(gòu)地震作用下地震力及地震剪力

從圖5和圖6可以看出：兩種結(jié)構(gòu)在底部3層的地震力相差無(wú)幾，從第4層開(kāi)始空心樓蓋結(jié)構(gòu)的地震力小于實(shí)心梁板結(jié)構(gòu)，隨著樓層增加，相差幅度越來(lái)越大，在第11層達(dá)到最大，然后兩者的地震力又開(kāi)始趨向一致。

結(jié)構(gòu)頂層地震力突然增大，是鞭梢效應(yīng)的影響導(dǎo)致地震力放大的結(jié)果?？招臉巧w結(jié)構(gòu)首層地震剪力比實(shí)心梁板結(jié)構(gòu)小，相差幅度大約為28%。隨著樓層增加，相差幅度逐漸減小，到頂層兩者的地震剪力幾乎相等?？招臉巧w結(jié)構(gòu)的地震力比實(shí)心梁板的小緣于其整體質(zhì)量比較小，雖然前面其他數(shù)據(jù)分析這樣會(huì)減小整體剛度，抵抗力會(huì)下降，位移會(huì)增大，但是地震力減小，能夠大大提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，而且還能保持結(jié)構(gòu)在規(guī)范的安全范圍內(nèi)，這是空心樓蓋結(jié)構(gòu)得以逐漸推廣的重要原因之一。

圖5 0°地震作用下地震力比較

圖6 0°地震作用下地震剪力比較

3 結(jié)論

1）目前廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD軟件在空心樓蓋結(jié)構(gòu)體系方面的計(jì)算分析還不夠完善，未能充分考慮到大厚度的空心樓板對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度影響。

2）空心樓蓋結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)梁數(shù)量減少和剛度降低，整體剛度比實(shí)心梁板要小，最大層間位移和位移角較大，且出現(xiàn)的位置較高。

3）空心樓蓋結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量小于實(shí)心梁板結(jié)構(gòu)，從而降低地震力，能夠大大減小高層建筑的造價(jià)，提高高層建筑建造的經(jīng)濟(jì)性。

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