大跨度混凝土樓蓋設計方案分析

謝 波

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065)

樓蓋作為建筑結構中的主要承重體系,不僅是支承豎向荷載和傳遞水平荷載的主要構件,而且是影響土建造價的主要因素[1]。

樓蓋結構類型豐富,按結構形式分為有梁樓蓋和無梁樓蓋,無梁樓蓋較有梁樓蓋美觀平整,但板的厚度較大,材料用量較多,造價較高。按施工工藝分為裝配式、裝配整體式和現澆式。裝配式樓蓋施工簡單、造價低,但整體性差;裝配整體式樓蓋較裝配式樓蓋,整體性好、造價略高。現澆式樓蓋整體性和受力性能最優,但模板用量多,施工復雜,應用廣泛。按是否施加預應力分為普通鋼筋混凝土樓蓋和預應力混凝土樓蓋。普通鋼筋混凝土樓蓋施工簡單方便,但變形和抗裂性能相對較差。預應力混凝土樓蓋梁板截面較小,總造價低,跨度較大時綜合成本較低。本文針對某大跨度實驗報告廳,綜合荷載分布、結構布置等因素,提出兩種可行的樓蓋結構布置方案,分別是普通鋼筋混凝土井字梁樓蓋和有粘結預應力混凝土樓蓋,利用PKPM軟件對兩種不同樓蓋結構進行計算分析,對比混凝土用量、鋼筋用量、構件尺寸、內力、變形和造價等技術經濟指標,選出最優方案。

1 工程概況

某2層(局部為3層)實驗報告廳,抗震設防烈度為8度(0.2g),場地類別Ⅲ類。報告廳縱向尺寸為21.6 m,縱向柱距7.2 m;橫向尺寸為18.6 m,橫向柱距6 m,6.3 m,6.3 m;1層層高8.4 m,2層層高6.5 m。

2 樓蓋方案選擇

在樓蓋受力構件布置時,提出兩種布置方案。

2.1 方案一:普通鋼筋混凝土井字梁樓蓋

該方案中各構件材料強度基本信息見表1。

表1 方案一結構構件材料強度等級

各層框架梁、框架柱截面大小及布置形式見圖1。

在圖1中,標高8.350 m處及標高14.900 m處未標注井字梁截面大小均為350 mm×1 100 mm,未標注板厚均為100 mm。

井字樓蓋長跨與短跨之比lx/ly=21.6/18.6=1.16<1.5;梁與梁之間的距離不大于2.4 m。

2.2 方案二:有粘結預應力混凝土梁樓蓋

該方案中各構件材料強度基本信息如表2所示。

表2 方案一結構構件材料強度等級

各層框架梁、框架柱截面大小及布置形式見圖2。

3 設計分析

3.1 抗震性能對比

根據建筑功能要求按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范進行荷載布置,按8度(0.2g)多遇地震進行整體結構計算分析。根據SATWE輸出計算結果,普通鋼筋混凝土井字梁樓蓋和有粘結預應力混凝土樓蓋整體結構主要的前3階周期和振型見表3,地震基本信息見表4。其中X表示橫向,Y表示縱向。

表3 結構前3階周期及振型

表4 8度多遇地震下結構地震信息

方案一與方案二兩種結構體系的各項抗震指標(質量比、側向剛度、受剪承載力、層間位移角等)均滿足現行規范要求。由表3,表4可知,方案一的集中質量明顯大于方案二,1層,2層,3層分別高出0.00%,34.89%,33.81%;方案一橫向、縱向的樓層剪力均大于方案二,其中,橫向層間剪力1層,2層,3層方案一分別大于方案二26.78%,49.32%,13.35%,縱向層間剪力1層,2層,3層方案一分別大于方案二25.74%,28.33%,21.01%。可見,在滿足規范要求的前提下,鋼筋混凝土井字樓蓋結構體系所分配的地震力明顯大于預應力混凝土樓蓋結構體系。由表4可以得出,方案一與方案二在橫向、縱向各層的層間位移相差不大。

3.2 兩種方案梁的裂縫與撓度對比分析

根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范相關規定,鋼筋混凝土受彎構件的最大撓度及最大裂縫寬度應按荷載的準永久值,并考慮荷載長期作用的影響進行計算;預應力混凝土受彎構件的最大撓度及最大裂縫寬度應按荷載的標準值,并考慮荷載長期作用的影響進行計算。計算時,裂縫控制等級為三級。

方案一:普通鋼筋混凝土井字樓蓋第二層最大裂縫寬度w12=0.35

方案二:預應力混凝土樓蓋第二層最大裂縫寬度w12=0.16

3.3 兩種方案柱配筋對比

為了比較不同樓蓋形式對框架柱的受力及配筋的影響,兩種方案柱均采用相同的混凝土強度等級和相同的截面。利用PKPM軟件進行整體結構分析,求解各主要承重構件的內力值。經計算,普通鋼筋混凝土井字樓蓋結構各層柱配筋及柱軸壓比見圖3,預應力混凝土樓蓋結構各層柱配筋及柱軸壓比見圖4。

從圖3,圖4可以看出,框架柱在同一樓層、同一位置X,Y向配筋,預應力混凝土樓蓋結構體系均小于普通鋼筋混凝土樓蓋結構體系。同時,方案二柱軸壓比也小于方案一。由此可以說明,大跨度樓蓋結構采用預應力混凝土結構形式可有效地減小柱的受力及配筋。

4 不同結構方案的技術經濟比較

針對上述普通鋼筋混凝土井字樓蓋結構模型和預應力混凝土樓蓋結構模型,采用 PKPM進行普通混凝土結構的計算;采用 PKPM “預應力混凝土結構二維設計”對預應力混凝土結構進行計算。

經計算,方案二中預應力混凝土梁中需配置預應力筋Z-4φs15(200,180,200)。

4.1 工程量對比分析

經計算,普通鋼筋混凝土井字樓蓋結構和預應力混凝土樓蓋結構各層各構件混凝土及鋼筋工程量分別見表5,表6。

表5 方案一工程量統計

表6 方案二工程量統計

從表5,表6可以看出,方案二較方案一混凝土及鋼筋的用量小,混凝土用量降低了29.68%,鋼筋用量降低了23.16%,主要由于方案二中2層、3層樓蓋梁混凝土及鋼筋工程量較方案一顯著降低,方案二中柱鋼筋量較方案一也有減小。

由此可見,采用預應力混凝土樓蓋結構比普通鋼筋混凝土井字形樓蓋更經濟。

4.2 綜合經濟技術比較分析

兩種不同樓蓋結構的各項經濟指標對比見表7,在表7中,各種材料的單方造價(只含直接費)如下:混凝土350元/m3,普通鋼筋5.5元/kg,有粘結預應力筋13元/kg[2-3]。

由表7可知,只考慮材料直接費用,方案二單方造價較方案一可節約348.18元,方案一材料費用為方案二的1.3倍。由此可見,設計方案二在結構受力及經濟造價方面均優于方案一。

表7 方案一與方案二的經濟比較

5 結論

1)大跨預應力混凝土樓蓋結構各樓層質量及地震力均小于普通鋼筋混凝土井字形樓蓋結構,整體抗震性能優于普通鋼筋混凝土井字形樓蓋結構。

2)預應力筋配置對控制裂縫和減小撓度作用顯著。

3)采用預應力混凝土樓蓋結構可有效地減小柱的受力及配筋。

4)從材料直接費角度,大跨預應力混凝土樓蓋結構造價低于普通鋼筋混凝土井字形樓蓋結構,更經濟合理。