新型裝配箱混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

張俊騰 曹文峰 尤文貴

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建福州 350119)

0 引言

傳統(tǒng)的梁板式樓蓋在中等跨度無層高限制的情況下，能夠體現(xiàn)出優(yōu)勢，但是在較大跨度有層高限制的情況下，不利于管道的布設(shè)和建筑功能的使用[1]。而空心樓蓋底部平整不需吊頂，內(nèi)部的空腹部分可用于布設(shè)管道，降低建筑高度。新型裝配箱混凝土空心樓蓋屬于典型的密肋結(jié)構(gòu)具有剛度和承載力，相對于其他類型空心樓蓋可有效節(jié)省混凝土工程量、鋼筋工程量、模板工程量、抹灰工程量，進而有效減低工程造價[2]。該類樓蓋采用工廠化的預(yù)制箱體，結(jié)合現(xiàn)場澆筑肋梁和樓面板現(xiàn)澆層，屬于半裝配式建筑[3]，近幾年來被廣泛應(yīng)用于商場、地下車庫、展覽廳等建筑工程領(lǐng)域。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，新型裝配箱混凝土空心樓，因其結(jié)構(gòu)的特殊性及設(shè)計理論和計算方法還不完善，蓋在大型商場的應(yīng)用不多，特別是結(jié)合工程實例的應(yīng)用研究較少[4]。對于設(shè)計師而言，建筑結(jié)構(gòu)體系的合理布置、動力分析，需要有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的設(shè)計工程經(jīng)驗[5]。因此，本文結(jié)合長樂萬星商場工程實例，分析新型裝配箱混凝土空心樓結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)體系的布置和動力特性的計算。

1 工程概況

本項目位于長樂區(qū)吳航路與愛心路交叉路口，總建筑面積134 629.72 m2，建筑基底面積10 921.40 m2。如效果圖1所示，本項目由2棟建筑高度99.70 m的塔樓和一棟建筑高度23.80 m的裙房組成，共有2層地下室。本工程設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為重點設(shè)防類別，地處7度抗震設(shè)防烈區(qū)，應(yīng)按7度計算地震作用，按8度采取抗震措施。1-5層為商場建筑面積約2.4萬 m2，采用裝配箱混凝土空心樓蓋結(jié)構(gòu)。樓面恒荷載為1.5 kN/m2，活荷載除了空調(diào)機房為7.0 kN/m2，其余商鋪均為3.5 kN/m2。其中4層結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示，沿著塔樓設(shè)置一道防震縫，防震縫左側(cè)框架二級，防震縫右?guī)蚣芤患墶?/p>

圖1 商場效果圖

圖2 商場第四層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)動力特性計算分析

商場部分樓板需要開洞且樓板不連續(xù)，平面不規(guī)則最不利樓層為4層，共5個中庭，面積較大。中庭平面布置結(jié)合建筑使用功能盡量規(guī)則分散開，避免出現(xiàn)有效樓板寬度小于該層樓板寬度的50%的樓板局部不連續(xù)情況、凹凸不規(guī)則和出現(xiàn)過大的偏心。同時也能適當(dāng)削弱中間墻柱的剛度減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

為避免開洞面積超過該樓層的面積的30%，而出現(xiàn)樓板局部不連續(xù)情況[6]，防震縫沿著塔樓和中庭設(shè)置，可有效減小開洞率和偏心作用。

基礎(chǔ)采用樁筏型式，裙房部分經(jīng)計算，需在筏板上加設(shè)抗浮錨桿。地下室頂板厚為250 mm,混凝土強度等級C30，采用雙層雙向不少于φ12@200鋼筋。地下一層與首層側(cè)向剛度比大于2，上部結(jié)構(gòu)計算嵌固端設(shè)在地下室頂板處。為避免在地下室頂板大開洞，只保留一處較小的中庭，其余4個中庭均不通往地下室。

商場防震縫左側(cè)部分采用YJK軟件單獨計算分析，根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。優(yōu)化步驟可依次從①剛度比→②剛重比→③層間受剪承載力比→④周期比→⑤振型參與質(zhì)量系數(shù)→⑥剪重比→⑦位移角→⑧位移比的步驟，對整體計算結(jié)果參數(shù)按有關(guān)規(guī)范、規(guī)程進行控制與調(diào)整。各主要步驟優(yōu)化過程方法如下：

(1)剛度比主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。若不滿足規(guī)范[6]要求可適當(dāng)降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度，或者適當(dāng)提高上部相關(guān)樓層的層高和削弱上部相關(guān)樓層墻、柱或梁的剛度。

(2)剛重比：主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)載或地震力的作用下整體失穩(wěn)。若不滿足要求則說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于重力荷載過小，可調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，增設(shè)斜撐，加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。但剛重比過分大，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)較差，宜適當(dāng)減少墻、柱等豎向構(gòu)件的截面面積。

(3)層間受剪承載力比主要為控制豎向不規(guī)則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層。若不滿足可適當(dāng)提高本層構(gòu)件強度(如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面)以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力，適當(dāng)降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力。

(4)周期比主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[8]，減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。如果不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大，只能通過人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。即加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度，適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度。

(5)計算振型數(shù)[7]應(yīng)使各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%。不滿足時，應(yīng)增加計算振型數(shù)。

(6)剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。若不滿足要求，可通過以下方法調(diào)整：當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g側(cè)移角又偏大時，說明結(jié)構(gòu)過柔，宜適當(dāng)加大墻、柱截面，提高剛度。

(7)位移角主要為控制結(jié)構(gòu)的剛度，避免過度的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求。只能通過人工調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，增設(shè)斜撐，加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

(8)位移比主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。只能通過調(diào)整改變結(jié)構(gòu)平面布置，減小結(jié)構(gòu)剛心與形心的偏心距。

以上8個步驟中，最難調(diào)整的3個指標(biāo)往往是位移比、位移角和周期比。如圖4～圖5所示，結(jié)構(gòu)計算時，將可將現(xiàn)澆肋梁簡化為一個T型截面單元，預(yù)制裝配箱的頂板和底板可作為現(xiàn)澆肋梁的受壓翼緣，翼緣的有效寬度可取肋梁截面寬度與肋梁凈距和 12 倍箱體頂板厚度兩者中較小值之和。經(jīng)過反復(fù)計算，調(diào)整結(jié)合經(jīng)濟指標(biāo)和規(guī)范限值要求。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示，裝配箱主肋梁和次肋梁高均采用400 mm，框架柱子截面尺寸大部分采用700 mm×700 mm，內(nèi)部框架梁截面大部分采用300 mm×800 mm。為減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，外圍框架梁截面尺寸采用300 mm×1200 mm，在樓梯間處不采用裝配箱混凝土樓蓋，旨在刻意削弱該處的側(cè)向剛度，有針對性地減小整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。最終3個指標(biāo)的計算結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 裝配箱混凝土空心樓蓋構(gòu)造示意圖

圖4 裝配箱混凝土空心樓蓋局部平面圖

圖5 裝配箱混凝土空心樓蓋剖面圖

表1 多遇地震作用下層間位移比和位移角

表2 多遇地震作用下周期指標(biāo)

3 裝配箱樓蓋基本構(gòu)造和優(yōu)化設(shè)計

裝配箱混凝土空心樓蓋是由預(yù)制箱體、現(xiàn)澆的梁和混凝土面層組成的密肋樓蓋，基本構(gòu)造如圖3所示。裝配箱的具體制作流程為：首先布置底板的分布鋼筋，保證分布筋外伸出底板邊緣一定距離；其次布置箱體側(cè)板四角暗柱的暗柱筋，暗柱筋傾斜一定的角度，并且暗柱筋內(nèi)的縱筋分別伸入上下板中，澆筑底板；然后布置側(cè)板外模板，沿側(cè)板四周內(nèi)布置鋼絲網(wǎng)，接著在箱體內(nèi)放入減重塊，作為箱體側(cè)板的內(nèi)模板；之后開始綁扎箱體頂板的分布鋼筋，同時保證分布筋外伸出頂板邊緣一定距離；最后整體澆筑，使之成型。現(xiàn)澆層采用C30混凝土，厚60 mm，雙向單層φ6@200。由于樓蓋與框架柱的節(jié)點區(qū)的負彎矩比較大，因此，在該區(qū)域的現(xiàn)澆層增配φ10@100負筋。預(yù)制箱體由頂板、底板和側(cè)壁組成，其中頂板和底板的材料為C30鋼筋混凝土，厚度均為50 mm，雙向單層φ6@200，外伸鋼筋錨入現(xiàn)澆肋梁長度不小于0.4LaE，而側(cè)壁材料為防火玻鎂板。預(yù)制箱體共5種平面尺寸(單位mm)：1000×1000、1000×700、700×700、700×500、500×500。

由于常規(guī)的預(yù)制箱體在澆筑混凝土?xí)r，會因為穩(wěn)定性不足而發(fā)生預(yù)制廁板被擠壓錯位或者頂板滑落現(xiàn)象，本項目預(yù)制箱子在側(cè)壁設(shè)置2根金屬擱置件和8個緊固件，以保證箱體的穩(wěn)定性，如圖3所示。緊固件位于側(cè)壁的四角，上下各4個共8個。防火玻鎂板具有阻燃燒、吸聲、強度高等特性，而且可釘可鋸很容易通過以上措施加大預(yù)制箱體的穩(wěn)定性，使預(yù)制箱體可擱置在現(xiàn)澆梁模板上，從而節(jié)約大量的模板工程量。

4 結(jié)語

裝配箱混凝土空心樓蓋應(yīng)用在大型商場建筑較為復(fù)雜，本文通過有針對性的結(jié)構(gòu)分析，得出結(jié)論如下：

(1)對于大型商場項目，結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)該在方案階段積極配合建筑專業(yè)進行方案初步設(shè)計，特別注意樓梯、中庭和防震縫的布置情況，因為這些對結(jié)構(gòu)動力特性影響顯著。

(2)裝配箱混凝土空心樓蓋在設(shè)計之時，應(yīng)該考慮其對樓板剛度的影響。在計算整棟樓的結(jié)構(gòu)動力特性時，可有針對性地選擇某些部位，采用普通混凝土樓板，減小不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(3)通過一定構(gòu)造措施，加強預(yù)制箱體的穩(wěn)定性，不但可節(jié)省大量的模板工程量，還可提高施工速度和質(zhì)量。