大跨度混凝土樓蓋設(shè)計(jì)方案分析

謝 波

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065)

樓蓋作為建筑結(jié)構(gòu)中的主要承重體系,不僅是支承豎向荷載和傳遞水平荷載的主要構(gòu)件,而且是影響土建造價(jià)的主要因素[1]。

樓蓋結(jié)構(gòu)類型豐富,按結(jié)構(gòu)形式分為有梁樓蓋和無梁樓蓋,無梁樓蓋較有梁樓蓋美觀平整,但板的厚度較大,材料用量較多,造價(jià)較高。按施工工藝分為裝配式、裝配整體式和現(xiàn)澆式。裝配式樓蓋施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低,但整體性差;裝配整體式樓蓋較裝配式樓蓋,整體性好、造價(jià)略高?，F(xiàn)澆式樓蓋整體性和受力性能最優(yōu),但模板用量多,施工復(fù)雜,應(yīng)用廣泛。按是否施加預(yù)應(yīng)力分為普通鋼筋混凝土樓蓋和預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋。普通鋼筋混凝土樓蓋施工簡(jiǎn)單方便,但變形和抗裂性能相對(duì)較差。預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋梁板截面較小,總造價(jià)低,跨度較大時(shí)綜合成本較低。本文針對(duì)某大跨度實(shí)驗(yàn)報(bào)告廳,綜合荷載分布、結(jié)構(gòu)布置等因素,提出兩種可行的樓蓋結(jié)構(gòu)布置方案,分別是普通鋼筋混凝土井字梁樓蓋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋,利用PKPM軟件對(duì)兩種不同樓蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)比混凝土用量、鋼筋用量、構(gòu)件尺寸、內(nèi)力、變形和造價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),選出最優(yōu)方案。

1 工程概況

某2層(局部為3層)實(shí)驗(yàn)報(bào)告廳,抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g),場(chǎng)地類別Ⅲ類。報(bào)告廳縱向尺寸為21.6 m,縱向柱距7.2 m;橫向尺寸為18.6 m,橫向柱距6 m,6.3 m,6.3 m;1層層高8.4 m,2層層高6.5 m。

2 樓蓋方案選擇

在樓蓋受力構(gòu)件布置時(shí),提出兩種布置方案。

2.1 方案一:普通鋼筋混凝土井字梁樓蓋

該方案中各構(gòu)件材料強(qiáng)度基本信息見表1。

表1 方案一結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料強(qiáng)度等級(jí)

各層框架梁、框架柱截面大小及布置形式見圖1。

在圖1中,標(biāo)高8.350 m處及標(biāo)高14.900 m處未標(biāo)注井字梁截面大小均為350 mm×1 100 mm,未標(biāo)注板厚均為100 mm。

井字樓蓋長(zhǎng)跨與短跨之比lx/ly=21.6/18.6=1.16<1.5;梁與梁之間的距離不大于2.4 m。

2.2 方案二:有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁樓蓋

該方案中各構(gòu)件材料強(qiáng)度基本信息如表2所示。

表2 方案一結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料強(qiáng)度等級(jí)

各層框架梁、框架柱截面大小及布置形式見圖2。

3 設(shè)計(jì)分析

3.1 抗震性能對(duì)比

根據(jù)建筑功能要求按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范進(jìn)行荷載布置,按8度(0.2g)多遇地震進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。根據(jù)SATWE輸出計(jì)算結(jié)果,普通鋼筋混凝土井字梁樓蓋和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋整體結(jié)構(gòu)主要的前3階周期和振型見表3,地震基本信息見表4。其中X表示橫向,Y表示縱向。

表3 結(jié)構(gòu)前3階周期及振型

表4 8度多遇地震下結(jié)構(gòu)地震信息

方案一與方案二兩種結(jié)構(gòu)體系的各項(xiàng)抗震指標(biāo)(質(zhì)量比、側(cè)向剛度、受剪承載力、層間位移角等)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。由表3,表4可知,方案一的集中質(zhì)量明顯大于方案二,1層,2層,3層分別高出0.00%,34.89%,33.81%;方案一橫向、縱向的樓層剪力均大于方案二,其中,橫向?qū)娱g剪力1層,2層,3層方案一分別大于方案二26.78%,49.32%,13.35%,縱向?qū)娱g剪力1層,2層,3層方案一分別大于方案二25.74%,28.33%,21.01%?？梢?在滿足規(guī)范要求的前提下,鋼筋混凝土井字樓蓋結(jié)構(gòu)體系所分配的地震力明顯大于預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)體系。由表4可以得出,方案一與方案二在橫向、縱向各層的層間位移相差不大。

3.2 兩種方案梁的裂縫與撓度對(duì)比分析

根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定,鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的最大撓度及最大裂縫寬度應(yīng)按荷載的準(zhǔn)永久值,并考慮荷載長(zhǎng)期作用的影響進(jìn)行計(jì)算;預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的最大撓度及最大裂縫寬度應(yīng)按荷載的標(biāo)準(zhǔn)值,并考慮荷載長(zhǎng)期作用的影響進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí),裂縫控制等級(jí)為三級(jí)。

方案一:普通鋼筋混凝土井字樓蓋第二層最大裂縫寬度w12=0.35

方案二:預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋第二層最大裂縫寬度w12=0.16

3.3 兩種方案柱配筋對(duì)比

為了比較不同樓蓋形式對(duì)框架柱的受力及配筋的影響,兩種方案柱均采用相同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和相同的截面。利用PKPM軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析,求解各主要承重構(gòu)件的內(nèi)力值。經(jīng)計(jì)算,普通鋼筋混凝土井字樓蓋結(jié)構(gòu)各層柱配筋及柱軸壓比見圖3,預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)各層柱配筋及柱軸壓比見圖4。

從圖3,圖4可以看出,框架柱在同一樓層、同一位置X,Y向配筋,預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)體系均小于普通鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)體系。同時(shí),方案二柱軸壓比也小于方案一。由此可以說明,大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式可有效地減小柱的受力及配筋。

4 不同結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

針對(duì)上述普通鋼筋混凝土井字樓蓋結(jié)構(gòu)模型和預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)模型,采用 PKPM進(jìn)行普通混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算;采用 PKPM “預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)二維設(shè)計(jì)”對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算,方案二中預(yù)應(yīng)力混凝土梁中需配置預(yù)應(yīng)力筋Z-4φs15(200,180,200)。

4.1 工程量對(duì)比分析

經(jīng)計(jì)算,普通鋼筋混凝土井字樓蓋結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)各層各構(gòu)件混凝土及鋼筋工程量分別見表5,表6。

表5 方案一工程量統(tǒng)計(jì)

表6 方案二工程量統(tǒng)計(jì)

從表5,表6可以看出,方案二較方案一混凝土及鋼筋的用量小,混凝土用量降低了29.68%,鋼筋用量降低了23.16%,主要由于方案二中2層、3層樓蓋梁混凝土及鋼筋工程量較方案一顯著降低,方案二中柱鋼筋量較方案一也有減小。

由此可見,采用預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)比普通鋼筋混凝土井字形樓蓋更經(jīng)濟(jì)。

4.2 綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析

兩種不同樓蓋結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表7,在表7中,各種材料的單方造價(jià)(只含直接費(fèi))如下:混凝土350元/m3,普通鋼筋5.5元/kg,有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋13元/kg[2-3]。

由表7可知,只考慮材料直接費(fèi)用,方案二單方造價(jià)較方案一可節(jié)約348.18元,方案一材料費(fèi)用為方案二的1.3倍。由此可見,設(shè)計(jì)方案二在結(jié)構(gòu)受力及經(jīng)濟(jì)造價(jià)方面均優(yōu)于方案一。

表7 方案一與方案二的經(jīng)濟(jì)比較

5 結(jié)論

1)大跨預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)各樓層質(zhì)量及地震力均小于普通鋼筋混凝土井字形樓蓋結(jié)構(gòu),整體抗震性能優(yōu)于普通鋼筋混凝土井字形樓蓋結(jié)構(gòu)。

2)預(yù)應(yīng)力筋配置對(duì)控制裂縫和減小撓度作用顯著。

3)采用預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)可有效地減小柱的受力及配筋。

4)從材料直接費(fèi)角度,大跨預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)造價(jià)低于普通鋼筋混凝土井字形樓蓋結(jié)構(gòu),更經(jīng)濟(jì)合理。