扁梁空心樓蓋體系在高層建筑中的應用

唐 毅

（機械工業第三設計研究院建筑四所，重慶400039）

扁梁空心樓蓋體系在高層建筑中的應用

唐 毅

（機械工業第三設計研究院建筑四所，重慶400039）

扁梁空心樓蓋體系在高層建筑中的應用較少，相應分析方法還不夠成熟。以重慶某高層建筑實際應用為例，研究了空心樓蓋面外剛度對整體結構分析的影響。通過對比不同分析方法的樓蓋內力，指出扁梁空心樓蓋應進行梁板整體分析，并介紹了實用分析方法——擬梁法。

扁梁;空心樓蓋;整體計算;實用方法

0 引言

在高層建筑結構設計中，常因層高限制或增加凈高的需求而盡量降低梁的截面高度，又因受到承載力的限制只能增加梁截面寬度從而形成梁寬大于梁高的扁梁，當扁梁截面寬度大于垂直梁軸方向的柱寬度時為寬扁梁[1]。因高層建筑的柱截面尺寸比較大，扁梁截面寬度一般不會超過柱截面寬度，能保證梁柱節點抗震性能，與普通框架相比抗震性能更好[2-3]。當框架梁采用扁梁時因截面高度較小，配合現澆空心板而不出現次梁就形成扁梁空心樓蓋體系。由于現澆空心樓蓋具有較多優點和綜合造價優勢，目前在地下車庫和多層商業建筑中的應用較多，在高層建筑結構中的應用還比較少見。下面以重慶某高層辦公酒店建筑的實際應用為例，研究空心樓蓋面外剛度對結構整體分析結果的影響，研究樓蓋整體分析的必要性以及整體分析在程序中的實現方法。

1 工程實例概況

重慶南岸某大型綜合商業廣場，其中四星級酒店辦公樓為地上26層、地下4層的高層建筑，屋面高度97.85m。酒店地下車庫層高3.4m，裙房層高5.1m，辦公區層高3.45m（5～13層），酒店區層高3.4m（14～26層）。建筑場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為6度0.05g。

由于建筑層高限制和內部使用空間要求，方案從結構和公用管道系統兩方面采取措施來提高使用空間凈高：結構采用扁梁空心樓蓋體系（如圖1，其中一跨表示了筒芯布置）；公用管道采用垂直布置系統。經采取此兩項措施后，辦公區有效凈高2.5m，酒店區房間內3.05m，走道2.45m。

圖1 標準層結構平面布置圖

2 結構布置方案

圖2 空心樓板截面大樣圖

3 空心樓板面外剛度對結構整體分析結果的影響

在普通梁板結構整體計算中，因樓板厚度較小一般僅考慮樓板面內剛度，通過梁剛度放大系數考慮翼緣有效寬度范圍內的樓板作用。而在扁梁空心樓蓋體系中，扁梁剛度與空心樓板面外剛度相差不大，甚至兩扁梁之間的空心樓板整體面外剛度比框架扁梁更大，為驗證剛度放大系數法用于扁梁空心樓蓋體系的整體分析的可行性，該文分別按彈性膜單元和彈性殼單元建立了2個不同力學假設的整體模型對比分析?？招陌宀捎脧椥詺卧M時，其等效厚度可根據等剛度原則換算。順筒方向換算得到等效厚度為285mm。橫筒方向等效厚度根據《現澆混凝土空心樓蓋結構技術規程》CECS175-2004第4.4.2條計算結果為279mm，與順筒向等效厚度相差僅2%，考慮到該工程適當加大了筒芯縱向間距，對減小各向異性更有利，因此模型中彈性板厚度按順筒向取285mm。模型采用PKPM 2010版建立，兩個模型計算結果見表1。

表1 采用不同樓蓋力學模型的整體分析結果

對比表1兩種計算結果可以看出兩種方法差異十分明顯，不考慮空心板面外剛度模型與按實際樓板面外剛度計算模型相比周期偏長，剛重比偏小，層間位移角偏大，說明按規范剛度系數法計算的整體剛度偏小，相應結果差異較大。因此，扁梁空樓樓蓋結構必須按樓蓋實際面外剛度計算，在PKPM程序中可采用等效厚度的彈性殼單元（即彈性板6）模擬，但應注意建模時應采用虛梁劃分網格。進一步比較結構在兩個方向上結果差異發現：兩個方向的差異程度懸殊，這是由于兩個方向框架扁梁間距和跨度差異較大所致。另在采用擬梁法時，由于雙向擬梁自重疊加后遠超出實際恒載，需要輸入負恒載抵消部分自重，而部分程序（如SATWE）在計算水平地震力時不能扣除負恒載導致地震作用加大，因此在結構整體指標分析時建議采用彈性殼單元（SATWE中采用彈性板6）結合網格劃分（PKPM中可采用虛梁代替網格）的方法考慮空心板面外剛度較為準確、可靠，網格間距可取1～2m。

4 扁梁空心樓蓋設計

扁梁空心樓蓋體系在進行樓蓋內力計算和配筋設計時應按梁板協同變形整體分析。由于扁梁與空心板抗彎剛度相比差異不大，因此扁梁不能假設為空心板的豎向不動鉸支座，不能按梁板分離計算[5-6]。扁梁空心樓蓋理論上可采用有限元法對梁板整體劃分網格后計算，但由于該法節點數太多，計算量相當大，因此該文采用CECS 175-2004中實用方法——擬梁法（忽略擬梁之間的剪切和扭轉影響）來分析。采用擬梁法建模時每區格板兩方向擬梁不少于5根（單向板例外），擬梁截面高度與空心板相同，寬度按與等效范圍空心板剛度相等原則換算。

以圖1中Q軸上2-5軸跨框架扁梁為例，分別按分離式和協同變形方式計算內力和配筋。分離式算法按普通梁板傳統方法進行，協同變形計算方式采用擬梁法，每1～1.5m寬空心板擬為1根等效矩形實心截面梁，同時板厚修改為0mm，扁梁和周圍框架梁按實際截面輸入。

計算結果表明：按協同變形模式計算的框架扁梁彎矩和配筋明顯小于按分離式計算結果，詳見表2。其原因是樓板荷載傳遞結果發生了根本改變：協同計算方式荷載按剛度分配，框架扁梁荷載呈馬鞍形分布;而分離式計算按雙向板傳遞荷載，框架扁梁荷載呈梯形分布。這兩種截然不同的荷載分布模式決定了內力大小，其值詳見表2。

表2 不同樓蓋分析方法的計算結果

另外，協同變形分析結果空心板受力特征是，靠近框架扁梁兩端配筋較分離式大，中間部分較分離式小與無梁樓蓋接近；板底配筋較小與分離式算法接近，多為最小配筋率控制。相反分離式計算的框架扁梁端部（柱頂附近）負筋不足，樓板角部負筋也偏小，在使用階段可能會出現較多裂縫，存在安全隱患及滲漏等影響使用的問題，應加以重視。

扁梁空心樓蓋用于酒店建筑還涉及到衛生間降板的結構處理問題，該項目采取空心板上衛生間部分板厚減少50mm，相應部分筒芯直徑改用150mm的措施，保證板底平整便于施工，并在衛生間周邊設封閉暗梁解決了鋼筋錨固問題同時對局部降板削弱有一定補強作用，具體措施參見圖3大樣。

圖3 衛生間降板處理大樣

5 結語

通過對實際工程應用分析、研究得到一些結論和方法可供類似結構設計參考。

（1）高層建筑結構采用扁梁空心樓蓋為主時，結構整體分析中應恰當考慮空心板面外剛度對結構整體剛度的貢獻。在初步設計的結構整體分析中建議采用等效厚度的彈性殼模擬空心樓板，并注意相應梁剛度放大系數取1.0。

（2）扁梁空心樓蓋內力及配筋計算時，應按協同變形模式整體分析。該文通過分離式算法和擬梁法對比分析可知，擬梁法計算結果符合梁板協同分析模式，分析所得到的內力和配筋正確、合理，設計更安全、更經濟?！冬F澆混凝土空心樓蓋結構技術規程》CECS 175-2004中的擬梁法適用性廣，且在程序中容易實現，可在扁梁空心樓蓋協同分析中推廣使用。

[1]DBJ/T 15-46高層建筑混凝土結構技術規程:JGJ 3-2002補充規定[S].2005.

[2]傅學怡.寬扁梁設計建議[J].建筑結構，1999（2）：11-14.

[3]郭靳時，孫欣，徐長東.扁梁樓蓋在高層建筑中的應用[J].吉林建筑工程學院學報，2011，28（1）：28-30.

[4]李云霄，龐國新，劉濱.鋼筋砼扁梁截面高度取值研究[J].建筑結構，1997（10）：42-44.

[5]ACI 318R-02Buildingcode requirements for structural concrete and commentary[S].

[6]張劍，傅學怡，劉暢.重力荷載作用下鋼筋混凝土框架梁平板樓蓋分析[J].建筑結構，2003,33（11）：45-49.

責任編輯:李 紅

Application of Flat-beam in Cast-in-situ Hollow Floor System to Tall Buildings

The flat-beam in cast-in-situ hollow floor system is rarely applied in tall buildings construction，and related analysis methods are also immature.The author takes the application of the system to a tall building in Chongqing as an example and goes deeply to the impact of the out-of-plane stiffness of cast-in-situ hollow floor on the overall structure.By comparing the floor internal forces with different analysis methods,the author points out that comprehensive analysis on girders of flat-beamed cast-in-situ hollow floor should be done and the practical method--analogue beam method is introduced.

flat-beam;cast-in-situ hollow floor;analysis;practical method

TU973

A

1671-9107（2012）07-0017-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.07.017

2012-05-31

唐毅（1979—），男，四川開江人，碩士，一級注冊結構工程師，主要從事建筑結構設計及研究工作。