新型空心鋼管混凝土樓蓋結構有限元分析

（中信地產南昌投資有限公司，南昌330000）

摘 要：珠江新城城市地下空間工程由于結構頂板荷載大、跨度大而板厚受限，在受力關鍵部位采用了新型空心鋼管混凝土樓蓋，其他部位仍采用普通鋼筋混凝土構件。基于MIDAS/Gen軟件，對這種局部采用了空心鋼管混凝土樓蓋的結構體系進行整體建模分析，并對在其關鍵部位采用同尺寸鋼筋混凝土樓蓋的結構模型進行有限元分析，對比兩者在相同荷載工況下的受力性能及位移。

關鍵詞：珠江新城地下空間;結構頂板;空心鋼管混凝土樓蓋;鋼筋混凝土樓蓋

1 工程概況

作為廣州市二十一世紀在中央商務區重點開發建設的配套工程，珠江新城地下空間工程的（下面簡稱之為“工程”）總規劃面積約為39萬m2，工程總的投資額接近35億元。珠江新城地下空間工程的選址位于廣州市珠江新城的核心地帶，工程東起華夏路，西至冼村路，北靠黃埔大道，南達海心沙島，工程總占地面積超過1.4 km2，整個工程建筑包括地下商業街、文娛場所以及休閑場所，屬于城市的綜合體。

整個工程的主體為全埋式的地下室，豎向規劃一層到三層，其中地下一層主要為下沉廣場以及商鋪，地下二層主要為停車庫和大巴車場，地下三層主要是配合軌道交通。

2 空心鋼管混凝土樓蓋體系

工程使用的空心鋼管混凝土樓蓋由板底板面鋼筋、鋼箱梁、空心鋼管、鋼筋桁架模板以及樓板鋼筋混凝土等組成。工程中使用的空心鋼管混凝土樓蓋是在鋼管處于空心狀態下的時候在鋼管以外澆筑混凝土，空心鋼管混凝土樓蓋將鋼管作為成型模板，在完成澆筑以后不拆除內部鋼管，這樣鋼管就可以參與承受板內的彎矩和剪力，大幅度提升了整個空心板結構的剛度和板的承載能力。

3 結構有限元分析

工程使用的分析軟件為MIDAS/Gen，這是一種大型有限元分析軟件，本文以工程空間結構中的Ⅰ區某標準段（取三跨）為例，利用以上的軟件建立兩種有限元的模型，并對之進行分析。

3.1 空心鋼管混凝土樓蓋的結構體系

（1）模型參數。工程建立模型選取的標準段的水平跨度為117.6 m，其中包括豎向的三層，其中下到上的高度分別為：7.2 m/4.8 m/6.2 m，其中的結構頂板的標高設定為-1.000 m。工程模型負一層的柱網（中間4跨）參數為：8.4 m×8.4 m和8.4 m×16.8 m，其中模型的頂板是無梁樓蓋體系，使用的板材厚度為600 mm，其中的空心鋼管混凝土樓蓋體系被使用在中間跨度為16.8 m的區域，選用的板材的厚度為900 mm。

（2）模型特點。結構模型的單元主要分為三類，包括墻單元、版以及梁，次梁為工程使用的混凝土樓蓋中的空心鋼管，考慮到模型單元劃分的復雜程度，模型主要使用密布梁來代替工程中使用的樓板;工程模型中樓蓋體系中的鋼箱梁采用型鋼組合截面。

3.2 普通鋼筋混凝土樓蓋的結構體系

在工程模型中，用等面尺寸的鋼筋構件代替X、Y方向的的型鋼梁以及空心鋼管次梁，除此之外，為了提升模型各個結構的對比性，在模型的構建中仍然使用密布梁代替樓板。

3.3 模型單元劃分

在工程模型中按照一定的規則，將其中全部的除去空心鋼管以外的梁和柱劃分為10個單元，其中的空心鋼管的長度是16.8 m，在劃分時將其劃分成為20個單元;在對板面進行劃分時，以0.84 m×0.84 m作為劃分單元;在對墻單元進行劃分時，按照面積相等的原則將其劃分為100個單元。劃分完畢之后總的劃分單元為17900個，其中包括墻單元1200個，板面單元10800個，梁單元5900個。

3.4 模型邊界及簡化

對上述兩種模型的邊界條件做如下處理：

（1）此模型研究的雖然是地下結構，但是僅對結構在靜力荷載工況進行分析，在模型建立中忽略土對整個結構的作用;

（2）工程處于地下水位之下，不能忽略地下壓力以及水浮力的作用;

（3）按照固定端考慮模型底部施加的所有壓力。

4 結構內力及位移分析

4.1 結構內力分析

（1）空心鋼管混凝土樓蓋結構內力計算結果。在工程結構模型中，負一層中的第2、3、4排承受的軸的壓力很大，計算中的最大值為9922 kN，在豎向梁柱節點處所承受的力的最大值為5163 kN，梁柱節點以及主梁跨中的彎矩較大，經計算，最大值為7214 kN·m，梁柱的節點處計算得出的彎矩值為6293 kN·m。綜合以上的數據分析，工程的結構主要容易發生頂層板柱節點的沖切破壞，軸壓的破壞以及負1、3層的彎曲。

（2）普通鋼筋混凝土樓蓋結構內力計算結果。在工程結構模型中，負一層中的第2、3、4排承受了較大的軸壓力，經計算，其最大值為11626 kN;其中的豎向剪力梁柱節點受軸壓力最大值為5229 kN;其中，主梁梁跨中以及梁柱節點處的彎矩最大值分別為，梁柱節點處為7642 kN·m，跨中為7217 kN·m。

（3）內力比較。計算表明，在工程的關鍵性區域使用空心的鋼管混凝土樓蓋與傳統的鋼筋混凝土樓蓋相比，結構自身的重量降低了13.9%，整個結構內力也發生了一定的變化。

4.2 位移比較

結構關鍵區域采用鋼筋混凝土樓蓋時，板跨中撓度為30.2 mm，超過了《鋼筋混凝土結構設計規范》（GB50001-2008）中允許的撓度最大值：L/300（L為構件的跨度取8.4 m），即28 mm;而采用空心鋼管混凝土樓蓋時，板跨中最大撓度為20 mm，小于《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ138-2001）中允許的撓度最大值為28 mm，并具有較高的安全儲備。

5 結論

經計算，工程在上述關鍵部位若采用普通鋼筋混凝土樓蓋結構，得到頂板跨中最大撓度為30.2 mm，超出規范限值28 mm;而采用空心鋼管混凝土樓蓋結構，得到頂板跨中跨中最大撓度僅為20.2 mm，符合使用功能要求，并具有較高的安全儲備。

參考文獻：

[1]龍昌祺等.廣州市城市地下空間開發利用分析[J].工程力學，2009，26（增刊Ⅱ）：106-114.

[2]龍昌祺等.基于MIDAS/Gen的地下結構抗震設計分析[J].建筑結構，2010，6（40）：21-24.