宽扁梁空心楼盖结构在工程中的应用

2022-10-15

宽扁梁是指梁宽大于柱宽或者梁高的混凝土梁。随着经济的不断发展, 人们对生活空间的要求不断提高, 楼层净高的需求也就越来越强烈。但往往由于规划方面的限制, 房屋总高度受到很大的制约。而楼盖结构本身的高度对室内净空有很大的影响, 宽扁梁正是因此而受到很多设计师的喜爱。现浇混凝土空心楼盖是指按一定规则放置埋入式内膜后, 经现场浇筑混凝土而在楼板中形成空腔的楼盖结构。其具有结构自重轻、整体性好、提高净空、房间布局灵活等优点。宽扁梁空心楼盖结构体系综合两者的优点, 在高端写字楼、酒店等大跨度结构中有广阔的应用前景。

1 工程概况

本工程位于成都市锦江区, 是集高端酒店和写字楼于一体。出地面以上共三栋独立的塔楼, 地面以下为二层车库。总建筑面积22万平方米左右, 塔楼全部采用宽扁梁空心楼盖结构体系, 地下室全部采用无梁楼盖。本文所要介绍的是其中的2#塔楼, 此塔楼共25层, 总高度为99.4m, 3至25层层高为3.8m, 1、2层的层高分别为6.6m和5.4m。标准层平面图如图1。

结构外圈边框梁截面根据楼层不同主要有1300×450和1200×450两种, 内部框架梁截面主要有1100×450和1000×450两种。混凝土柱子主要由1300×1300变为900×9 0 0。楼板全部采用空心楼盖, 板厚为300mm, 筒芯直径为200mm, 其剖面如图2。

2 结构整体计算分析

结构计算分析就是要根据建筑所提的条件确定合适的结构形式, 并验算其各项指标是否满足规范要求。该栋结构采用框架剪力墙抗侧力体系。由于结构四周每边悬挑3.5m, 抗扭指标很不容易满足《高规》 (JGJ 3-2002) 4.3.5条要求, 因此除在核心区布置剪力墙外, 在满足建筑条件下尽可能的在四周布置少量的剪力墙。结构布置初步确定后, 利用PKPM2008作整体计算分析前必须先解决以下问题。

2.1 结构整体分析时如何考虑楼板的刚度

在一般的梁板体系中, 《高规》 (JGJ 3-2002) 5.2.2条明确提出可以根据楼面梁的刚度增大系数来考虑楼板对结构刚度的贡献, 刚度增大系数取值一般为1.3~2.0。但宽扁梁空心楼盖由于梁高和板厚相差较小且梁宽较宽, 楼板对结构的刚度增大系数不能不加考虑的直接套用一般的梁板结构的刚度增大系数。首先我们打算利用PKPM2008中的弹性板6来模拟楼板的实际刚度, 此时PKPM中输入的楼板厚度是根据空心楼板和实心楼板抗弯刚度相等而计算出来的等效实心板的厚度heI, 中梁刚度放大系数和扭矩折减系数均取为1。从理论上说弹性板6既考虑了楼板平面内刚度, 又考虑了楼板平面外的刚度, 只要有限元网格化分的足够小是能模拟实际情况的, 但结果计算分析发现有以下几个问题:

(1) 框架梁配筋和中梁刚度放大计算方式比明显偏小。这主要是由于一方面有限元网格划分不是足够的细, 一部分荷载直接通过楼板传递给了混凝土墙和柱;另一方面楼板也参与了抗侧力体系, 使框架梁承担的水平力减小。

(2) 楼板参与了抗侧力作用, 但PKPM在计算楼板配筋时却无法考虑这部分作用, 给楼板配筋带来困难。

(3) 结构刚度增加很多, 周期比中梁刚度放大计算方式偏小很多。此时第一平动周期3.1002s, 而中梁刚度放大计算方式周期为3.7049s。

因此采用弹性板6在结构整体分析中尤其在梁、板设计配筋过程中不易把握。于是我们最后还是想用中梁刚度放大系数这一计算方式来考虑楼板对梁刚度的影响。

根据文献[2]和《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002 7.2.3条给出T形截面受弯构件的受压翼缘计算宽度的取值表, 我们按照本工程采用的主要混凝土截面和空心楼盖的规格计算了中梁刚度放大系数的合理取值。

如图3所示, 图中左边两组梁截面是本栋楼典型的一般梁截面, 右边的两组梁截面是根据《混凝土结构设计规范》G B50010-2002 7.2.3和《现浇混凝土空心楼盖技术规程》CECS 175:20046.2.2条确定的梁截面, 经计算右左两边混凝土梁抗弯刚度之比分别为1.308和1.404。从以上计算可知宽扁梁空心楼盖体系中楼板对混凝土梁刚度的增大作用并没有一般梁板体系明显。这主要是由于宽扁梁中梁较宽而挤压了楼板宽度, 梁较矮而使楼板距离形心的位置较近从而刚度增大不明显。采用这种方式计算后, 结构周期和配筋都比较理想, 满足设计要求。

2.2 楼板等效荷载的确定

一般梁板体系中在设备和隔墙位置均有次梁, 荷载按照集中荷载或者线荷载输入。空心楼盖由于没有次梁, 设备和隔墙等集中荷载只能按照楼面等效均布荷载输入。可以采用《建筑结构荷载规范》GB50009-2008的公式来求等效均布荷载或直接把所有的重量平摊到楼面上这一简单方式求楼面等效均布荷载。笔者比较过这两种计算方式, 其差异对结构的影响很小。这主要是由于楼板较厚, 刚度较大, 有较大的变形协调调节能力。

3 宽扁梁设计

宽扁梁除满足一般混凝土梁的强度、刚度和耐久性以外, 还应满足文献[3]提的几点要求。

4 空心楼板配筋设计

4.1 空心楼盖正截面抗弯设计

根据《现浇混凝土空心楼盖技术规程》当空心楼盖中筒芯布置符合规程要求时, 横筒和顺筒两个方向弹性刚度相差不超过10%, 可以忽略楼板各项异性的影响, 取与普通实心楼板相同的内力分析方法。由结构计算手册中双向板计算系数得知板跨中和支座的最大弯矩和板厚没有关系。空心楼盖截面为“工”字形, 因此在PMCAD菜单中求空心楼板的配筋时, 板厚可以输入为空心楼板的总厚度h, 但此时应满足空心楼盖受压区高度xb小于“工”字形截面翼缘高度hf。空心楼盖的最小配筋率是根据空心楼板和实心楼板面积相等而计算出来的等效实心板的厚度h e A来确定。因此在P M C A D菜单中对于楼板混凝土标号为C30, 采用三级钢时最小配筋率ρmin可以由下式确定:

此时P K P M计算出来的楼板配筋值可以直接运用于空心楼板的绘图工作。

4.2 空心楼盖受剪设计。

空心楼盖剪应力分布主要存在以下两个特点。

(1) 截面上的剪应力主要由横筒和顺通方向肋来承受, 翼缘承担的剪应力很小。其剪应力分布类似于“工”字形截面梁, 腹板处剪应力大, 翼缘处剪应力小。

(2) 剪应力分布规律是筒间肋位置剪应力大, 在对应筒的位置剪应力较小。

因此按照《混凝土结构设计规范》G B50010-2002的受剪计算公式, 仅考虑肋宽bw其计算结果往往顺筒方向偏保守。这主要是由于上述计算时未考虑翼缘参与受剪, 也未考虑横筒方向由于筒芯削弱了截面, 对传递剪力造成不利影响。故现浇混凝土空心楼盖对这两个方面进行修正。

本栋楼除屋面以外均采用如下的筒芯布置方式, 满足顺、横筒方向的抗剪要求。

屋面荷载较大, 按照标准层筒芯布置方式, 横筒方向就无法满足受剪要求, 因此只有按照图五布置方式楼板四边均为顺筒才能满足四周抗剪要求。

5 宽扁梁梁柱节点区设计验算

5.1 梁柱节点区加强设计

宽扁梁节点受力复杂, 其工作特性明显不同于普通框架梁柱节点。在竖向荷载作用下, 框架梁的竖向剪力不能完全直接传递给框架柱, 有部分必须通过与其垂直的框架梁端传给柱, 因此宽扁梁应考虑与其垂直的梁传递过来的附加剪力。此附加剪力笔者认为可以根据框架梁在柱宽范围内外的面积比近似确定。在水平荷载作用下宽扁梁除承受本身的弯矩和剪力外, 还应考虑与其垂直的扁梁传递过来的附加扭矩。附加扭矩的大小《混凝土结构构造手册》第三版给出了明确的计算公式。由于其复杂的受力形态, 节点核心区往往除配置梁柱一般箍筋外, 还要配置附加腰筋以抵抗梁端的附加扭矩, 配置附加水平箍筋和竖向拉筋以抵抗梁端的附加剪力, 提高核心区的受剪承载力, 增加核心区混凝土的约束作用。附加腰筋, 附加水平箍筋和竖向拉筋的大小除满足构造要求外笔者认为还应通过验算来确定是否能承受附加的剪力和扭矩。

5.2 宽扁梁梁柱节点核心区截面抗震验算

对于梁宽小于柱宽的框架梁柱节点, P K P M程序是可以自动帮助验算, 但对于宽扁梁我们必须根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2008进行手工复核, 以满足抗震要求。

6 结语

(1) 宽扁梁空心楼盖体系具有节约层高, 房间布局灵活等优点, 具广阔的应用前景。 (2) 在PKPM作整体分析时, 中梁刚度放大系数往往比普通梁板体系要小。一般在1.3~1.5之间。 (3) 通过调整PKPM楼板菜单中最小配筋率参数, 来直接计算空心楼板的受弯钢筋。 (4) 剪力的大小决定了空心楼板的厚度和肋宽。适当调整筒芯的布置方向, 最大限度的发挥空心楼板的受剪承载力。 (5) 宽扁梁往往存在附加剪力和附加扭。因此一般在节点区要配置附加腰筋、附加水平箍筋和竖向拉筋。

摘要：由于其特有的优越性, 宽扁梁空心楼盖结构体系已被越来越多的高端建筑采用。本文针对一个实际工程, 阐述了利用PKPM软件对宽扁梁空心楼盖结构进行分析计算以及宽扁梁空心楼盖结构在设计构造方面所要注意的问题, 以供广大工程师一个参考。

关键词：宽扁梁,空心楼盖,中梁刚度,节点核心区