现浇混凝土空心与实心无梁楼盖对比分析

郭久栋

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

钢筋混凝土楼盖的自重约占结构总自重的50%～60%,是钢筋混凝土结构体系的重要组成部分，选择适宜的楼盖体系，进行合理的设计计算，无论在结构安全性还是经济性方面都尤为重要。近些年来，随着大跨度、大荷载的建筑需求越来越多，现浇混凝土无梁楼盖的应用也越来越多。现浇无梁楼盖具有施工工序简单、提高净空、隔音保温效果好等诸多优点，因此应用范围也越来越广。如果能在建筑方案阶段就跟进无梁楼盖的设计，对于不同荷载工况，不同跨度的无梁楼盖进行多方案对比分析，将会获得更佳的经济效益。本文以实际工程地下室无梁楼盖为研究背景，通过有限元分析，对比空心无梁楼盖与实心无梁楼盖的受力情况与经济效益等，为今后的无梁楼盖设计提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简况

该工程地上部分为24栋高层住宅和局部设备用房，设置一层地下室，抗震设防烈度7度(0.10g),设计基本地震加速度为0.10g，建筑场地类别Ⅱ类，设计特征周期0.45s；地下室建筑面积为71 178m2，长宽尺寸约为393m×198m，埋置深度为5.5m；地下车库部分为框架结构，标准柱网为8m×8m，最大柱网约为12m×12m，顶板设计覆土1.2m，局部为消防车通道，恒荷载取24.5kN/m2，活荷载取11kN/m2(取消防车荷载折算结果)，如图1所示。

图1 地下室平面示意图

1.2 截面参数选取

柱网间距分别为8m×8m，10mm×10mm，12m×12m 3个跨度，采用5跨×5跨的计算模型，并取中间跨的计算结果进行研究。其中空心楼盖采用的装配箱规格为1000×1000×380(8m跨)、1000×1000×450(10m跨)、1000×1000×550(12m跨)，柱间主肋梁宽450mm，箱体间次肋梁宽175mm。楼盖厚度(含现浇叠合层)为500mm(8m跨)、600mm(10m跨)、700mm(12m跨)。柱帽为上反柱帽(柱帽底与板底平)。按照双向板要求进行设计，如图2～图4所示。

图2 计算模型简图

图3 装配箱内膜布置图(8m跨)

图4 空心楼盖剖面图

2 计算程序及设计原理

计算分析采用上海佳构通用有限元软件(STRAT)。该软件通过有限元整体分析计算，能更好地反映无梁楼盖的受力特点。首先，该软件采用附加梁模拟板柱节点的面支撑作用，在柱支承板式楼盖中，柱截面对板是一个面状支承，但在有限元计算模型中，柱用杆件单元计算，柱对板的支承就退化成一个点，如果计算中不进行处理，支承点对板而言就是个奇异点，会产生很大的内力突变。通过附加梁模拟板柱节点，可以有效地降低内力突变的情况，更符合实际受力情况。其次，板式楼盖的调幅是非线性的，柱端弯矩的调幅不能线性叠加到板跨中，佳构的调幅是先对柱端板刚度折减后的结构进行整体计算，从而得到柱端弯矩降低后的实际内力，由此来实现内力的调幅，确保调幅厚的内力平衡[2]。再次，空心板计算的关键在于柱帽、暗梁等部位的模拟是否正确合理，佳构采用整体细分板单元的计算模型，强调板单元、板柱节点足够细分，从而保证计算结果的可靠性。

无梁楼盖的设计原理不同于传统梁式楼盖，它属于板式受力结构。板式受力结构的柱端负弯矩呈现一个较大范围的岛状受力区域(受力岛理论)[1]，柱端负弯矩与跨中正弯矩的比值，远大于梁式楼盖的比值。无梁楼盖板顶配筋范围可以划分为受力岛区、核心加强区、跨中区，配筋最大的部位在受力岛区，将该区域板厚适当加厚，改善受力岛区配筋集中的情况，可以有效降低整个楼盖的配筋量。

3 对比分析

3.1 受力特点及配筋对比

采用STRAT软件对实心板和空心板单元进行有限元分析，在计算结果(8m跨)中取X向配筋值进行研究。具体计算结果如图5～图8所示。

图5 空心无梁楼盖X向板底配筋

图6 空心无梁楼盖X向板顶配筋

图7 实心无梁楼盖X向板底配筋

图8 实心无梁楼盖X向板顶配筋

通过图5～图8，可以看出实心板与空心板的受力特点基本相同。由图5、图7的板底配筋值结果可以看出，配筋值呈条状分布，柱间板带稍大于跨中板带。由图6、图8可以看出，柱帽范围及周边配筋值比跨中大很多，类似岛状分布，符合板式楼盖柱端弯矩岛状分布的特点，这说明内力均向柱端集中。但是在相同荷载及板厚的前提下，实心板楼盖的柱端负弯矩稍大于空心板楼盖，这是由于两者楼板的刚度不同导致的[1]。

对于空心楼盖，由于是上反柱帽，因此柱帽边是控制截面，柱间主肋梁端部应该按照柱帽边的数值配筋。对于实心楼盖，全范围双层双向配筋，这也符合板式楼盖双向受力的特点。两者的柱帽配筋方式相同，取柱端部配筋值的平均值[3]。实际配筋时，如果配筋很大，可以通过加厚柱帽及板厚减少配筋值。

3.2 空心无梁楼盖与实心无梁楼盖经济性对比

预算按照城镇二类费用取值[4]，根据统计结果，经预算得出单方的钢筋含量、混凝土含量及标准装配箱造价如表1所示，其中仅为楼盖经济指标，不包括基础、柱、楼梯及其他构造构件。

由表1经济对比分析可以得出，空心楼盖在总体上经济效益要比实心楼盖好，并且，随着跨度的增大，空心楼盖的经济效益更加明显。因此，在地下室顶板规则柱网的布置下，首先采用空心无梁楼盖。无梁楼盖本身就降低了主体高度，而且施工速度可以提高20%，大大降低了柱、基础的造价，在此基础上如果可以灵活的采用无梁楼盖形式就能进一步优化结构，将获得更好的经济效益。

表1 无梁楼盖造价对比

4 设计注意事项

空心楼盖以下提出几点设计注意事项，供设计人员参考。

(1)异形板或者开洞较多的楼板建议采用实心无梁楼盖，因为装配箱的布置比较困难，且非标准装配箱的价格也不低，有可能反而会增加造价。

(2)布置装配箱过程中，要注意装配箱与柱间主肋梁或墙边应预留至少50mm的空间，同时适当加大柱帽边或墙边装配箱箱体顶现浇层的配筋，防止刚度突变引起的楼板开裂。

(3)柱间主肋梁的布置可以顺着柱网横竖正交布置。在相邻柱位错开处，无需让主肋梁两端都与柱连接，这是由无梁板的板式受力特点决定，而且这样布置主肋梁更有利于布置标准装配箱。

(4)由于无梁楼盖厚度较大，其边梁的受扭作用较传统有梁楼盖大很多，设计时应适当加大边梁断面以及受扭纵筋和箍筋。一般无梁楼盖的边梁梁高不应小于1000mm。

(5)后浇带的设置应考虑装配箱的布置，尽量不让后浇带跨越两个装配箱。

(6)密肋楼板上的预留孔洞应与建筑专业配合，应在肋间开设孔洞,密肋板的肋不允许断开。

(7)计算软件建议采用上海佳构软件(STRAT)，使用该软件需要有扎实的专业基础,计算前必须先了解软件对各种单元的设定以及基本的操作流程。

5 结语

综上所述，无论是空心还是实心无梁楼盖，两者的受力特点基本类似，都属于板式受力模式。但是相对于实心无梁楼盖，现浇空心无梁楼盖还具有一定的优势。空心楼盖可减轻结构自重的30%～40%，减少钢筋砼这种高能耗、高碳排放量和高污染的产品，能产生良好的经济效益和社会效益，由于各个工程之间千差万别，不可能有一成不变的布置和结构计算方法，应该根据各个工程的特点进行技术设计，选用合适的无梁楼盖形式。