高層建筑預(yù)制空心樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張大鵬，郭勇勇

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

為了進(jìn)一步加強(qiáng)住宅建筑的裝配式設(shè)計(jì)，促進(jìn)建筑行業(yè)健康、和諧發(fā)展，本文根據(jù)目前住宅建設(shè)工程中空心樓蓋的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，提出一些現(xiàn)實(shí)可行的裝配式建筑設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合相應(yīng)的建筑實(shí)際項(xiàng)目，需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)師對于不同結(jié)構(gòu)方案的理解，掌握其不利因素，并通過計(jì)算確定加強(qiáng)措施，從而加深對空心樓蓋設(shè)計(jì)方案的理解。

1 本工程實(shí)踐

某沿海高層建筑，建筑總層數(shù)為30 層，其中地下3層，地上30 層，其總高度、主體長度、最大寬度分別為114.9m、50.0m、34.8m。二層平面有局部樓板開洞，且開洞面積大于本層樓面面積的30%，并且扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，此兩項(xiàng)均屬于平面不規(guī)則，豎向受力構(gòu)件均連續(xù)并且沒有較大剛度突變，不存在豎向不規(guī)則，剪力墻高寬比越為1/10，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第九章框架-核心筒對核心筒高寬比限值為1/12，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。地下3 層作為停車場和人防工程；地上部分屬于商業(yè)辦公樓，結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒。本高層建筑的抗震設(shè)防分組為第一組，地震烈度為Ⅶ度（0.1g），結(jié)構(gòu)安全等級為2 級，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為丙類，地面粗糙度是A 類（附近暫無其他建筑物），基本風(fēng)設(shè)計(jì)為50 年一遇的基本風(fēng)壓，基本風(fēng)壓大小為0.65kN/m2，由于項(xiàng)目距離海邊較近，修正后的基本風(fēng)壓為0.70kN/m2。結(jié)構(gòu)主要豎向抗側(cè)力構(gòu)件為框架柱以及剪力墻，其中框架柱以及核心筒剪力墻的抗震等級均為2 級，在本工程設(shè)計(jì)中，參照的技術(shù)規(guī)范主要有《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）（GB 50011—2010）以及部分地方性的建筑抗震設(shè)計(jì)指南。圖1 為本工程標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)

2 本高層建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在對本工程建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)時，主要選取PKPM 軟件中的SATWE 程序進(jìn)行，在復(fù)核過程中則選取PKPM 軟件中的PMSAP 程序進(jìn)行，在計(jì)算地震力和風(fēng)荷載作用時，主要從x、y 兩個方向進(jìn)行計(jì)算，且周期折減系數(shù)為0.85。在位移計(jì)算過程中，主要是通過剛性樓板假定（傳遞地震剪力），周期計(jì)算時需要考慮的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)，在計(jì)算梁剛度的放大系數(shù)時，邊梁和中梁分別為1.5 和2.0，連梁剛度折減系數(shù)為0.8，并計(jì)算了30 個振型。而在內(nèi)力組合過程中，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)、活荷載分項(xiàng)系數(shù)、地震荷載分項(xiàng)系數(shù)和風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)分別為1.3、1.5、1.3、1.4。墻元分析中的殼元的最大控制長度為1m，從基礎(chǔ)頂面到四層的混凝土強(qiáng)度等級中，墻柱和梁板的混凝土等級分別為C60 和C40，而5-8 層的梁板和墻柱的混凝土強(qiáng)度等級分別為C55 和C40，9-12 層的墻柱和梁板的混凝土強(qiáng)度等級則分別為C50 和C40，13-16 層的墻柱和梁板的混凝土強(qiáng)度等級則分別為C45 和C40，17 層以上的墻柱和梁板的混凝土強(qiáng)度等級均為C40。

在整個設(shè)計(jì)中，采用預(yù)制空心樓蓋結(jié)構(gòu)體系。為了使結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下保證結(jié)構(gòu)的安全性以及耐久性，在核心筒角部與預(yù)制空心樓蓋相交接的地方，用實(shí)體樓板替換預(yù)制空心樓板，并在角部核心筒的內(nèi)部增加型鋼，通過在局部實(shí)體樓板內(nèi)部增設(shè)型鋼梁，提升核心筒角部區(qū)域抵抗風(fēng)和地震作用下產(chǎn)生的豎向力和水平剪力。除此之外，為了減小核心筒外部的框架柱截面尺寸，通過在框架柱內(nèi)添加型鋼的形式并通過PKPM 軟件中的SATWE 程序試算之后，得到較為合理的框架柱和內(nèi)部型鋼的截面尺寸，并通過優(yōu)化調(diào)整，確保結(jié)構(gòu)的剪重比、剛重比、層間位移比和周期比均處于規(guī)范要求之內(nèi)，將型鋼混凝土柱的軸壓比控制在規(guī)范限值內(nèi)，有效的優(yōu)化了框架柱的尺寸，型鋼混凝土柱尺寸在1200mm×1800mm～1000mm×1400mm 之間均勻變化。通過對其的整體分析和計(jì)算滿足了規(guī)范要求，同時利用PKPM 軟件中的PMSAP 程序?qū)ζ鋸?fù)核，其復(fù)核結(jié)果均符合規(guī)范要求，具體結(jié)果詳見表1 和表2。

表1 模型周期計(jì)算結(jié)果

表2 剪重比和層間位移比計(jì)算結(jié)果

3 本高層建筑空心樓蓋構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

由于在本工程結(jié)構(gòu)中涉及了預(yù)制空心樓板、型鋼柱-核心筒結(jié)構(gòu)體系，所以在設(shè)計(jì)過程中，利用PKPM軟件中的SATWE 程序?qū)︻A(yù)制空心樓板進(jìn)行計(jì)算分析，同時采用局部組合計(jì)算的形式，對核心筒四個角部進(jìn)行了局部沖切承載力以及剪切承載力的復(fù)核計(jì)算，且在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。通過模型計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際的受力情況，確定核心筒角部型鋼尺寸以及局部實(shí)體樓板內(nèi)部型鋼的截面尺寸，核心筒角部的型鋼為H200×200×10×20，從首層一直延續(xù)至屋面層，局部實(shí)體樓板內(nèi)的型鋼梁為H200×100×10×12，局部實(shí)體樓板厚度設(shè)計(jì)為200mm，最小配筋率控制在0.25%，核心筒內(nèi)部樓板的板鋼筋也采取雙層雙向的方式進(jìn)行配置，板厚為150mm，最小配筋率控制在0.25%[2]。

從圖2 的計(jì)算結(jié)果可以看出，在基本組合工況下，核心筒Y 向兩側(cè)的彎矩較大，核心筒右側(cè)樓板受到的彎矩大于左側(cè)樓板；核心筒Y 向的板跨1/4 范圍內(nèi)的剪力較大，由于局部應(yīng)力集中產(chǎn)生的剪力，導(dǎo)致剪力墻局部剪力較大，而且剪力墻以及框架柱作為樓板的支座，會在支座處受到較大剪力作用，所以核心筒四周框架柱與剪力墻受到的剪力均較大，這與傳統(tǒng)的梁板結(jié)構(gòu)的剪力分布相同，為了保證樓板在平面內(nèi)的承載能力和剛度，核心筒與樓板相連的部位需要通過增加板厚和提高肋梁的剛度等措施進(jìn)行局部加強(qiáng)。

圖2 X 向彎矩

綜上所述，由于結(jié)構(gòu)核心筒Y 向左右兩側(cè)樓板跨度較大，導(dǎo)致其剪力較大，其整體受力原理與傳統(tǒng)樓板較為一致，但由于空心樓蓋整體厚度較小，使得結(jié)構(gòu)空間使用率得到了提高，縮短了施工工期。

從圖3 的計(jì)算結(jié)果可以看出，在基本組合工況下，核心筒X 向兩側(cè)的板受到的彎矩較大，并且板在X 向的跨度較大，可近似認(rèn)為是單向板，單向板的受力形式是短邊受力；而對于Y 向樓板，雖然認(rèn)為其受力原理為雙向板，但短向?yàn)閄 向，所以Y 向的彎矩也較大；框架柱與板連接的地方也出現(xiàn)了較大剪力而且核心筒四角以及局部剪力墻開洞處也出現(xiàn)了較大剪力作用，而且結(jié)構(gòu)樓板X 向上側(cè)出現(xiàn)柱邊受拉，剪力墻邊受壓的現(xiàn)象，但是X 向下側(cè)剪力墻邊受拉，柱邊受壓的現(xiàn)象，兩側(cè)彎矩實(shí)現(xiàn)了平衡。

綜上所述，由于結(jié)構(gòu)核心筒X 向左右兩側(cè)樓板跨度較大，導(dǎo)致其剪力較大，其整體受力原理與傳統(tǒng)樓板無較大卻別，但由于其較豎向厚度較薄，使得結(jié)構(gòu)空間使用率得到了提高[3]。

圖3 Y 向彎矩

4 本高層建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了更好地確保結(jié)構(gòu)安全，所以在本次設(shè)計(jì)過程中，其整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

（1）為了滿足其使用功能，由于使用預(yù)制空心樓蓋，使得內(nèi)部核心筒與外部型鋼柱的連接要比傳統(tǒng)框架柱-核心筒弱，再通過對PKPM 軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性較差的結(jié)論，容易在地震和風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生較大的扭矩，為了增加結(jié)構(gòu)本身的抗扭剛度，在本工程中適當(dāng)?shù)耐獠靠蚣芰旱慕孛娉叽纾⑶医Y(jié)構(gòu)Y 向的整體剛度小于X 向，Y 向框架梁尺寸也大于X 向框架梁尺寸，地上部分的外框梁均為此布置，將扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降到規(guī)范所規(guī)定的最低范圍之內(nèi)，這樣就極大的提高了建筑的抗震性能。

（2）由于核心筒具有較強(qiáng)大的剛度，在核心筒剪力墻設(shè)計(jì)過程中，其外圍的剪力墻應(yīng)適當(dāng)?shù)募娱L長度，并且保證核心筒四角有足夠的長度，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力，控制X 向和Y 向的剪力墻的長度，控制核心筒剪力墻的墻肢高厚比大于8，從而避免由于采用短肢剪力墻而導(dǎo)致建筑使用空間受影響的問題。核心筒的厚度由500mm 從下而上依次均勻減小至300mm，在滿足相關(guān)規(guī)范條文要求的同時，較為有效地提升了整個結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)和地震作用下產(chǎn)生水平荷載的能力。

（3）為了確保預(yù)制空心樓蓋能與型鋼柱和混凝土核心筒形成一個體系并且共同受力，加大了預(yù)制空心樓板內(nèi)部的肋梁的尺寸并且控制預(yù)制空心樓板的配筋率，保證樓板可以傳遞水平地震作用，并且同時滿足其面內(nèi)自身承受豎向荷載的能力，保證其有較大的面內(nèi)剛度。通過PKPM 軟件內(nèi)SATWE 計(jì)算，并結(jié)合相應(yīng)的有限元分析軟件，模擬預(yù)制空心樓蓋在各種荷載組合下的承載能力。通過對兩種軟件計(jì)算結(jié)果的比較，對存在較大應(yīng)力集中的核心筒角部加強(qiáng)構(gòu)造措施，并且通過局部使用實(shí)體樓板、剪力墻內(nèi)增加型鋼以及實(shí)體樓板內(nèi)增加型鋼梁等方法，加強(qiáng)核心筒角部剪力墻局部樓板承載能力。

（4）在整個高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，豎向構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，所以在設(shè)計(jì)過程中，為了在滿足建筑造型要求的同時更好地滿足其使用功能，就必須對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)計(jì)算滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)要求，同時還應(yīng)具有較強(qiáng)的安全可靠性。因而在計(jì)算過程中，必須對其振型的數(shù)量進(jìn)行科學(xué)合理地確定，同時還要滿足有效質(zhì)量不低于90%的要求，且在計(jì)算中更加科學(xué)全面的考慮地震作用帶來的影響，并利用多個力學(xué)模型加強(qiáng)抗震計(jì)算，同時加強(qiáng)整體計(jì)算的基礎(chǔ)上對輔助層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并且在符合結(jié)構(gòu)使用性能的基礎(chǔ)上，通過相應(yīng)的構(gòu)造措施，可以有效的提升建筑的承載能力。

5 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代很多高層建筑中，均需要對存在較大應(yīng)力集中的部位進(jìn)行計(jì)算并采取向相應(yīng)的加強(qiáng)措施，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。尤其是結(jié)構(gòu)內(nèi)有內(nèi)置型鋼構(gòu)件和預(yù)制空心樓蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，所以作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)在日常工作中加強(qiáng)有關(guān)專業(yè)技術(shù)的學(xué)習(xí)，不斷提高自身的技術(shù)實(shí)力，并切實(shí)掌握其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范，在結(jié)合實(shí)際和滿足建筑功能以及兼顧安全等方面的因素下，切實(shí)提高其設(shè)計(jì)成效，才能更好的夯實(shí)設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)工程質(zhì)量的提升。