大跨度混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁茂強(qiáng)

1.工程概況

本工程為某中學(xué)教學(xué)樓，建筑面積：18402.9m2。地上兩層，高度9.0m,層高4.5m；地下一層，層高3.9m。建筑使用功能上劃分為地下一層為人防設(shè)施，一層為餐廳和室內(nèi)四個(gè)籃球場(chǎng)（又稱風(fēng)雨操場(chǎng)在二層中空，單個(gè)籃球場(chǎng)平面尺寸為25.2m×33.6m），二層為活動(dòng)室和兩個(gè)階梯教室（階梯教室平面尺寸為16.8m×18m，27m×33.6m）見(jiàn)圖1，屋面為室外操場(chǎng)供學(xué)生戶外體育運(yùn)動(dòng)使用（總建筑外輪廓尺寸約152m×74m）。工程設(shè)計(jì)使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，設(shè)防烈度6 度，抗震設(shè)防類(lèi)別乙類(lèi)，基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，大跨度框架抗震等級(jí)為二級(jí)[1]。

圖1 二層平面圖

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足的要求

滿足室內(nèi)籃球場(chǎng)和階梯教室頂部大跨度樓蓋，短向跨度從16.8m～27m；結(jié)構(gòu)梁高限制為0.8m～1.5m。屋面兼做學(xué)生戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地，屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值12kN/m2，活荷載按屋頂運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地要求4kN/m2。屋面的舒適性，撓度控制要求高。屋面建筑功能為學(xué)校操場(chǎng)，在節(jié)奏性強(qiáng)的體操、跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)保證樓蓋的自振頻率避開(kāi)人員肢體運(yùn)動(dòng)頻率，防止產(chǎn)生共振。

1.2 結(jié)構(gòu)方案的分析對(duì)比

采用兩種計(jì)算軟件PKPM 和STRAT分析，對(duì)比普通梁板、鋼骨混凝土梁板、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆空心樓蓋（蜂巢芯樓蓋、現(xiàn)澆網(wǎng)梁樓蓋）等屋面樓蓋體系，優(yōu)化平面結(jié)構(gòu)布置，對(duì)屋面舒適度、屋面長(zhǎng)期荷載作用下的撓度數(shù)值進(jìn)行分析。

（1）普通梁板在限定梁高1.5m 的條件下配筋數(shù)值超限，結(jié)構(gòu)撓度控制難以滿足要求；鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)雖然可以有效控制裂縫，屋蓋整體平面外剛度偏小，大跨度區(qū)域樓板主振頻率小于2Hz，施工工藝復(fù)雜。

（2）現(xiàn)澆空心樓蓋為二維板式受力模式，有效降低了梁截面；在減小自重的條件下依然能提供足夠的平面外剛度。對(duì)比現(xiàn)澆空心樓蓋中兩種常用截面類(lèi)型，蜂巢芯樓蓋“T”型斷面和網(wǎng)梁疊合箱“工”字形斷面，由于“工”字形斷面剛度大，混凝土截面可兼顧頂部或底部承壓的受力等優(yōu)點(diǎn)，所以本工程選用疊合箱式樓蓋。

1.3 結(jié)構(gòu)布置

室內(nèi)四個(gè)籃球場(chǎng)（短向跨度25.2m見(jiàn)圖2）和大階梯教室（短向跨度27m）的空心樓蓋肋梁高1.5m，寬0.15m，肋梁間凈距1m，頂板現(xiàn)澆層厚度0.15m，底部板厚0.06m，與實(shí)心樓板相比剛度折減50%，樓蓋空心率約為65%，由于橫向和縱向小肋梁相互支撐，肋梁的平面外穩(wěn)定可以滿足。大跨度樓蓋四周區(qū)域肋梁高度為0.8m，有利于變截面處大跨度樓板負(fù)彎矩的平衡，其余區(qū)域肋梁高0.45m。

2.內(nèi)力分析計(jì)算及變形控制

大跨度混凝土樓蓋的承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算，主要包含恒載、活載、風(fēng)、水平地震作用的計(jì)算，并考慮豎向地震作用。

在長(zhǎng)期荷載作用下，大跨度混凝土樓蓋混凝土?xí)a(chǎn)生開(kāi)裂，從而造成剛度折減，增大豎向撓曲變形。計(jì)算分析結(jié)果表明在工況組合1.0 恒+0.4 活，不考慮混凝土開(kāi)裂引起的剛度折減時(shí)樓蓋豎向位移14mm（見(jiàn)圖3）；考慮混凝土開(kāi)裂引起的剛度折減時(shí)樓蓋豎向位移105mm，即考慮混凝土剛度折減后的撓度為不考慮剛度折減的7.5 倍（見(jiàn)圖4）。設(shè)計(jì)應(yīng)考慮剛度折減后的豎向位移，確定合理屋面起拱高度。

圖3 不考慮剛度折減的混凝土樓蓋豎向位移（最大豎向位移14mm）

圖4 考慮剛度折減的混凝土樓蓋豎向位移（最大豎向位移105mm）

3.樓蓋舒適度分析

樓蓋舒適度計(jì)算，保證樓蓋的豎向振動(dòng)頻率避開(kāi)人員肢體運(yùn)動(dòng)頻率。分析表明，豎向第一振型周期為0.209s（頻率為4.8Hz），大于規(guī)范規(guī)定的最小3Hz要求，見(jiàn)圖5。

圖5 混凝土樓蓋豎向振型1（周期T=0.209s）

溫度應(yīng)力控制及施工注意事項(xiàng)：

（1）加強(qiáng)屋面及外墻保溫以減小溫差，根據(jù)建筑物特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)布置設(shè)置后澆帶和膨脹帶，釋放結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

（2）優(yōu)先選用低水化熱水泥拌制混凝土，控制大體積混凝土的入模溫度，適當(dāng)使用緩凝減水劑和微膨脹劑，在柱帽等大體量混凝土區(qū)域可預(yù)埋冷水管進(jìn)行人工導(dǎo)熱。

（3）大體積混凝土區(qū)域的支撐腳手架需詳細(xì)計(jì)算，內(nèi)模應(yīng)采取水平側(cè)向支撐，及其他加強(qiáng)措施。

4.結(jié)論

（1）現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋與普通混凝土樓蓋相比自重輕，且由于其雙向空間受力梁高較小，有助于減小建筑凈高。

（2）大跨度混凝土屋面應(yīng)考慮荷載長(zhǎng)期作用下剛度折減對(duì)撓度的增大作用，本例工程計(jì)算表明考慮混凝土剛度折減后的撓度為不考慮剛度折減的7.5 倍。

（3）現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋平面外剛度大，本項(xiàng)目滿足樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz。