高層建筑預制空心樓蓋結構設計

張大鵬，郭勇勇

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

為了進一步加強住宅建筑的裝配式設計，促進建筑行業健康、和諧發展，本文根據目前住宅建設工程中空心樓蓋的設計方案進行探討，提出一些現實可行的裝配式建筑設計方案，并結合相應的建筑實際項目，需要加強設計師對于不同結構方案的理解，掌握其不利因素，并通過計算確定加強措施，從而加深對空心樓蓋設計方案的理解。

1 本工程實踐

某沿海高層建筑，建筑總層數為30 層，其中地下3層，地上30 層，其總高度、主體長度、最大寬度分別為114.9m、50.0m、34.8m。二層平面有局部樓板開洞，且開洞面積大于本層樓面面積的30%，并且扭轉不規則，此兩項均屬于平面不規則，豎向受力構件均連續并且沒有較大剛度突變，不存在豎向不規則，剪力墻高寬比越為1/10，《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第九章框架-核心筒對核心筒高寬比限值為1/12，滿足設計規范。地下3 層作為停車場和人防工程；地上部分屬于商業辦公樓，結構體系為框架-核心筒。本高層建筑的抗震設防分組為第一組，地震烈度為Ⅶ度（0.1g），結構安全等級為2 級，地基基礎設計為丙類，地面粗糙度是A 類（附近暫無其他建筑物），基本風設計為50 年一遇的基本風壓，基本風壓大小為0.65kN/m2，由于項目距離海邊較近，修正后的基本風壓為0.70kN/m2。結構主要豎向抗側力構件為框架柱以及剪力墻，其中框架柱以及核心筒剪力墻的抗震等級均為2 級，在本工程設計中，參照的技術規范主要有《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）《建筑抗震設計規范》（2016 年版）（GB 50011—2010）以及部分地方性的建筑抗震設計指南。圖1 為本工程標準層結構。

圖1 標準層結構

2 本高層建筑的結構計算設計要點分析

在對本工程建筑的結構進行計算設計時，主要選取PKPM 軟件中的SATWE 程序進行，在復核過程中則選取PKPM 軟件中的PMSAP 程序進行，在計算地震力和風荷載作用時，主要從x、y 兩個方向進行計算，且周期折減系數為0.85。在位移計算過程中，主要是通過剛性樓板假定（傳遞地震剪力），周期計算時需要考慮的扭轉耦聯效應，在計算梁剛度的放大系數時，邊梁和中梁分別為1.5 和2.0，連梁剛度折減系數為0.8，并計算了30 個振型。而在內力組合過程中，恒荷載分項系數、活荷載分項系數、地震荷載分項系數和風荷載分項系數分別為1.3、1.5、1.3、1.4。墻元分析中的殼元的最大控制長度為1m，從基礎頂面到四層的混凝土強度等級中，墻柱和梁板的混凝土等級分別為C60 和C40，而5-8 層的梁板和墻柱的混凝土強度等級分別為C55 和C40，9-12 層的墻柱和梁板的混凝土強度等級則分別為C50 和C40，13-16 層的墻柱和梁板的混凝土強度等級則分別為C45 和C40，17 層以上的墻柱和梁板的混凝土強度等級均為C40。

在整個設計中，采用預制空心樓蓋結構體系。為了使結構在地震和風荷載作用下保證結構的安全性以及耐久性，在核心筒角部與預制空心樓蓋相交接的地方，用實體樓板替換預制空心樓板，并在角部核心筒的內部增加型鋼，通過在局部實體樓板內部增設型鋼梁，提升核心筒角部區域抵抗風和地震作用下產生的豎向力和水平剪力。除此之外，為了減小核心筒外部的框架柱截面尺寸，通過在框架柱內添加型鋼的形式并通過PKPM 軟件中的SATWE 程序試算之后，得到較為合理的框架柱和內部型鋼的截面尺寸，并通過優化調整，確保結構的剪重比、剛重比、層間位移比和周期比均處于規范要求之內，將型鋼混凝土柱的軸壓比控制在規范限值內，有效的優化了框架柱的尺寸，型鋼混凝土柱尺寸在1200mm×1800mm～1000mm×1400mm 之間均勻變化。通過對其的整體分析和計算滿足了規范要求，同時利用PKPM 軟件中的PMSAP 程序對其復核，其復核結果均符合規范要求，具體結果詳見表1 和表2。

表1 模型周期計算結果

表2 剪重比和層間位移比計算結果

3 本高層建筑空心樓蓋構件的設計要點分析

由于在本工程結構中涉及了預制空心樓板、型鋼柱-核心筒結構體系，所以在設計過程中，利用PKPM軟件中的SATWE 程序對預制空心樓板進行計算分析，同時采用局部組合計算的形式，對核心筒四個角部進行了局部沖切承載力以及剪切承載力的復核計算，且在此基礎上對結構進行設計[1]。通過模型計算的結果和實際的受力情況，確定核心筒角部型鋼尺寸以及局部實體樓板內部型鋼的截面尺寸，核心筒角部的型鋼為H200×200×10×20，從首層一直延續至屋面層，局部實體樓板內的型鋼梁為H200×100×10×12，局部實體樓板厚度設計為200mm，最小配筋率控制在0.25%，核心筒內部樓板的板鋼筋也采取雙層雙向的方式進行配置，板厚為150mm，最小配筋率控制在0.25%[2]。

從圖2 的計算結果可以看出，在基本組合工況下，核心筒Y 向兩側的彎矩較大，核心筒右側樓板受到的彎矩大于左側樓板；核心筒Y 向的板跨1/4 范圍內的剪力較大，由于局部應力集中產生的剪力，導致剪力墻局部剪力較大，而且剪力墻以及框架柱作為樓板的支座，會在支座處受到較大剪力作用，所以核心筒四周框架柱與剪力墻受到的剪力均較大，這與傳統的梁板結構的剪力分布相同，為了保證樓板在平面內的承載能力和剛度，核心筒與樓板相連的部位需要通過增加板厚和提高肋梁的剛度等措施進行局部加強。

圖2 X 向彎矩

綜上所述，由于結構核心筒Y 向左右兩側樓板跨度較大，導致其剪力較大，其整體受力原理與傳統樓板較為一致，但由于空心樓蓋整體厚度較小，使得結構空間使用率得到了提高，縮短了施工工期。

從圖3 的計算結果可以看出，在基本組合工況下，核心筒X 向兩側的板受到的彎矩較大，并且板在X 向的跨度較大，可近似認為是單向板，單向板的受力形式是短邊受力；而對于Y 向樓板，雖然認為其受力原理為雙向板，但短向為X 向，所以Y 向的彎矩也較大；框架柱與板連接的地方也出現了較大剪力而且核心筒四角以及局部剪力墻開洞處也出現了較大剪力作用，而且結構樓板X 向上側出現柱邊受拉，剪力墻邊受壓的現象，但是X 向下側剪力墻邊受拉，柱邊受壓的現象，兩側彎矩實現了平衡。

綜上所述，由于結構核心筒X 向左右兩側樓板跨度較大，導致其剪力較大，其整體受力原理與傳統樓板無較大卻別，但由于其較豎向厚度較薄，使得結構空間使用率得到了提高[3]。

圖3 Y 向彎矩

4 本高層建筑的整體結構設計要點分析

在整體結構設計中，為了更好地確保結構安全，所以在本次設計過程中，其整體結構的設計要點如下。

（1）為了滿足其使用功能，由于使用預制空心樓蓋，使得內部核心筒與外部型鋼柱的連接要比傳統框架柱-核心筒弱，再通過對PKPM 軟件計算結果進行分析，得出結構平面規則性較差的結論，容易在地震和風荷載作用下產生較大的扭矩，為了增加結構本身的抗扭剛度，在本工程中適當的外部框架梁的截面尺寸，并且結構Y 向的整體剛度小于X 向，Y 向框架梁尺寸也大于X 向框架梁尺寸，地上部分的外框梁均為此布置，將扭轉效應降到規范所規定的最低范圍之內，這樣就極大的提高了建筑的抗震性能。

（2）由于核心筒具有較強大的剛度，在核心筒剪力墻設計過程中，其外圍的剪力墻應適當的加長長度，并且保證核心筒四角有足夠的長度，避免產生較大的應力，控制X 向和Y 向的剪力墻的長度，控制核心筒剪力墻的墻肢高厚比大于8，從而避免由于采用短肢剪力墻而導致建筑使用空間受影響的問題。核心筒的厚度由500mm 從下而上依次均勻減小至300mm，在滿足相關規范條文要求的同時，較為有效地提升了整個結構抵抗風和地震作用下產生水平荷載的能力。

（3）為了確保預制空心樓蓋能與型鋼柱和混凝土核心筒形成一個體系并且共同受力，加大了預制空心樓板內部的肋梁的尺寸并且控制預制空心樓板的配筋率，保證樓板可以傳遞水平地震作用，并且同時滿足其面內自身承受豎向荷載的能力，保證其有較大的面內剛度。通過PKPM 軟件內SATWE 計算，并結合相應的有限元分析軟件，模擬預制空心樓蓋在各種荷載組合下的承載能力。通過對兩種軟件計算結果的比較，對存在較大應力集中的核心筒角部加強構造措施，并且通過局部使用實體樓板、剪力墻內增加型鋼以及實體樓板內增加型鋼梁等方法，加強核心筒角部剪力墻局部樓板承載能力。

（4）在整個高層建筑結構設計過程中，豎向構件的承載力設計最為關鍵，所以在設計過程中，為了在滿足建筑造型要求的同時更好地滿足其使用功能，就必須對結構體系進行合理的設計，確保結構計算滿足設計規范中的相關要求，同時還應具有較強的安全可靠性。因而在計算過程中，必須對其振型的數量進行科學合理地確定，同時還要滿足有效質量不低于90%的要求，且在計算中更加科學全面的考慮地震作用帶來的影響，并利用多個力學模型加強抗震計算，同時加強整體計算的基礎上對輔助層的結構進行有限元分析，并且在符合結構使用性能的基礎上，通過相應的構造措施，可以有效的提升建筑的承載能力。

5 結語

綜上所述，在現代很多高層建筑中，均需要對存在較大應力集中的部位進行計算并采取向相應的加強措施，所以在結構設計中對設計人員提出了更高的要求。尤其是結構內有內置型鋼構件和預制空心樓蓋結構的設計，所以作為建筑結構設計人員，應在日常工作中加強有關專業技術的學習，不斷提高自身的技術實力，并切實掌握其設計要點，嚴格按照設計規范，在結合實際和滿足建筑功能以及兼顧安全等方面的因素下，切實提高其設計成效，才能更好的夯實設計水平，促進工程質量的提升。