探討建筑結構設計中實心樓板與空心樓蓋的對比

陸鳳云

深圳市特區建設發展集團有限公司

摘要：本文主要針對實心樓板與空心樓蓋結構應用的對比，空心樓蓋結構具有自重輕、材料省、整體性能好、綜合造價低和加快施工速度等特點，在建筑結構設計中廣泛應用。

關鍵詞：結構設計；空心樓蓋

0 引言

隨著空心樓蓋結構的推廣，其逐漸應用在高層結構設計當中。空心樓蓋結構在高層建筑中優勢明顯：增加樓層凈高，8m跨度的大空間現澆空心樓蓋體系樓蓋結構厚度250-500 mm，增加樓層凈高250-700 mm；無需吊頂，室內結構頂棚平整美觀，一般無需吊頂；室內空間高達舒展，經濟跨度可達8-12m；可以建造更多的樓層，在保證樓層凈高的前提下，通過壓縮建筑層高，每隔10-20層可增加一個樓層；隔熱隔音性能好，內置封閉的空腔提升了樓板的隔熱性能，樓板的平均厚度比普通樓板大，提高了隔音效果。同時，空心樓蓋在結構方面的特點是結構自重輕，鋼筋用量少，施工方便；在經濟方面的特點是節省鋼筋、混凝土、模板用量和費用，節省基礎造價，節省施工工期，節省空調運行維護費用等。

傳統的高層結構采用實心樓板結構，由于實心樓板厚度相對小，平面外剛度有限，所以在進行受力分析的時候，只考慮樓板對框架或框剪結構中的梁有一定的約束和剛度貢獻，而樓板與框架或框剪結構是相對獨立進行受力分析的，不完全考慮兩者之間的變形協調關系，樓板也不參與整體結構的受力分析。然而，空心樓蓋結構的樓板雖然是空心的，但是厚度相對大，空心樓蓋結構又以扁梁為主，有時甚至梁高與板厚相同，板對梁的影響相當之大，而且，空心樓板內模之間是肋梁，把這些肋梁都看作結構梁的話，空心樓蓋結構可以類比為密肋梁結構體系。因此，空心樓蓋結構和實心樓板結構之間存在比較大的差異，那么它們在高層結構設計計算中有何異同。本文以一算例，用廣廈程序分別對高層建筑進行空心樓蓋結構和實心樓板結構建模計算，根據計算數據，分析比較兩種結構的整體性能。

1 算例說明

本算例為13層框剪結構，各層高為3.3 m，X向36 m，Y向27 m。結構安全等級為二級，結構設計基準期為50年，結構設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，基本風壓為0.5 kN/m2，場地類別為11類，地震設計分組為一組，結構阻尼比0.05。荷載按GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》取值。空心樓蓋結構的平面布置和實心樓板的平面布置分別如圖1和圖2所示。

圖1空心樓蓋結構平面布置

圖2實心樓板結構平而布置

兩種結構的混凝土等級均為C30，剪力墻和柱子的位置和尺寸均一樣，柱子尺寸為900mm×900 mm，柱距均為9 m，剪力墻分布在四角，墻厚200 mm，長度為3m，不同之處僅僅是每一層的梁板。空心樓蓋的扁梁尺寸為900 mm×300 mm，板厚300mm；實心樓板的主梁為250 mm×800 mm，井字梁為200mm×600 mm，板厚為100mm。兩種結構經過廣廈建筑結構CAD程序計算均滿足各種安全規范。下面對兩種結構的計算結果進行對比分析。

2 計算對比

2.1樓層側向剛度對比

從圖3可以看出：空心樓蓋結構的各層側向剛度僅為實心樓板結構的50%左右。高層結構的抗側剛度取決于其豎向構件和豎向構件之間的聯系，本文兩種結構的豎向構件是完全一樣的，因此造成兩者側向剛度的差異都緣于梁板。實心梁板結構的梁高遠大于空心樓蓋的扁梁，抗彎剛度較大，在豎向構件一樣的情況下，實心梁板結構的抗側剛度肯定是大于空心樓蓋的，然而是否能夠大一倍之多這是值得分析的地方。

圖3 0°方向的樓層側向剛度對比

因目前結構計算分析軟件的限制，樓板與結構梁獨立計算，未能充分考慮到厚度大的空心樓板對整體結構的剛度貢獻，故計算出來的側向剛度會比實際的要小。如果按照實際情況分析，空心樓板里面大量的肋梁與扁梁整體澆筑，緊密相連，對整體剛度有一定的增大，應參與到整體的受力分析中。

2.2地震作用下最大層間位移對比

從圖4可以看出：首層兩種結構的最大層間位移幾乎相等，隨著樓層增加，空心樓蓋結構的最大層間位移開始大于實心樓板結構，而且相差的幅度也隨著樓層的增加而增大，在最高層的位置空心樓蓋結構的最大層間位移是實心梁板的兩倍多。首層的層間位移幾乎相等是因為受到了基礎的強約束，隨著層數增，受到的約束越來越小，在地震作用下層間位移便越來越大了。在較高樓層，空心樓蓋結構的最大層間位移之所以遠大于實心樓板結構的兩倍有余是因為上述的側向剛度計算結果所導致的。值得注意的是，空心樓蓋最大層間位移出現在樓層的位置與實心樓板的不一樣。空心樓蓋結構的最大層間位移出現在第7層附近，而實心樓板結構的出現在第5層附近。這說明空心樓蓋結構最薄弱的位置比實心樓板結構的要高，應注意薄弱位置的加強。

圖4 0°方向地震作用下最大層間位移對比

2.3最大層間位移角對比

由表1可以看出：空心樓蓋結構的最大層間位移角都比實心樓板結構的要大，且最大層間位移角出現的位置也都比實心樓板結構的要高，與上述的計算結果保持一致。高層建筑最大層間位移角限值為1/800，兩者均滿足此限制，同時可以看出實心樓板結構的偏于安全，而空心樓蓋結構偏于經濟。這里還值得分析的地方是，風荷載導致空心樓蓋結構的最大層間位移角大于實心樓板結構的兩倍，而地震作用產生的最大層間位移角卻少于實心樓板結構的兩倍，這里的原因是空心樓蓋結構的整體質量小于實心樓板結構，地震作用就會相對較小，因此兩者地震作用下的最大層間位移角會相差得比較小。這里可以體現空心樓蓋結構能夠減小地震作用的特點。

表1 各種作用下最大層間位移角及其樓層對比

2.4前三振型的自振周期與振型參與質量對比

從表2可以看出：空心樓蓋結構的前三個振型自振周期都比實心梁板的要大，比后者大30%左右，但是振型的參與質量比實心梁板的要小。自振周期長，說明空心樓蓋結構的整體剛度較柔，與上述的計算數據是吻合的，實心梁板結構整體剛度大，較為吸收地震作用，產生的地震力大，為了保證結構安全會提高整體造價，這里再次體現空心樓蓋減小地震作用，降低造價的特點。

表2 前三振型的自振周期與振型參與質量對比

2.5結構地震作用下地震力及地震剪力

從圖5和圖6可以看出：兩種結構在底部3層的地震力相差無幾，從第4層開始空心樓蓋結構的地震力小于實心梁板結構，隨著樓層增加，相差幅度越來越大，在第11層達到最大，然后兩者的地震力又開始趨向一致。

結構頂層地震力突然增大，是鞭梢效應的影響導致地震力放大的結果。空心樓蓋結構首層地震剪力比實心梁板結構小，相差幅度大約為28%。隨著樓層增加，相差幅度逐漸減小，到頂層兩者的地震剪力幾乎相等。空心樓蓋結構的地震力比實心梁板的小緣于其整體質量比較小，雖然前面其他數據分析這樣會減小整體剛度，抵抗力會下降，位移會增大，但是地震力減小，能夠大大提高結構的經濟性，而且還能保持結構在規范的安全范圍內，這是空心樓蓋結構得以逐漸推廣的重要原因之一。

圖5 0°地震作用下地震力比較

圖6 0°地震作用下地震剪力比較

3 結論

1）目前廣廈建筑結構CAD軟件在空心樓蓋結構體系方面的計算分析還不夠完善，未能充分考慮到大厚度的空心樓板對整體結構的剛度影響。

2）空心樓蓋結構由于結構梁數量減少和剛度降低，整體剛度比實心梁板要小，最大層間位移和位移角較大，且出現的位置較高。

3）空心樓蓋結構的整體質量小于實心梁板結構，從而降低地震力，能夠大大減小高層建筑的造價，提高高層建筑建造的經濟性。

參考文獻：

[1] JGJ/T 268-2012 現澆混凝土空心樓蓋技術規程[S]

[2] GJBT--905 05SG343 現澆混凝土空心樓蓋[S]

[3]陳清，江翠蘭.蜂巢芯空心樓蓋在某高層辦公樓結構設計中的應用實例[J].工程技術，2010（9）.86 -90.