高层建筑预制空心楼盖结构设计

张大鹏，郭勇勇

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东广州 510000）

0 引言

为了进一步加强住宅建筑的装配式设计，促进建筑行业健康、和谐发展，本文根据目前住宅建设工程中空心楼盖的设计方案进行探讨，提出一些现实可行的装配式建筑设计方案，并结合相应的建筑实际项目，需要加强设计师对于不同结构方案的理解，掌握其不利因素，并通过计算确定加强措施，从而加深对空心楼盖设计方案的理解。

1 本工程实践

某沿海高层建筑，建筑总层数为30 层，其中地下3层，地上30 层，其总高度、主体长度、最大宽度分别为114.9m、50.0m、34.8m。二层平面有局部楼板开洞，且开洞面积大于本层楼面面积的30%，并且扭转不规则，此两项均属于平面不规则，竖向受力构件均连续并且没有较大刚度突变，不存在竖向不规则，剪力墙高宽比越为1/10，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第九章框架-核心筒对核心筒高宽比限值为1/12，满足设计规范。地下3 层作为停车场和人防工程；地上部分属于商业办公楼，结构体系为框架-核心筒。本高层建筑的抗震设防分组为第一组，地震烈度为Ⅶ度（0.1g），结构安全等级为2 级，地基基础设计为丙类，地面粗糙度是A 类（附近暂无其他建筑物），基本风设计为50 年一遇的基本风压，基本风压大小为0.65kN/m2，由于项目距离海边较近，修正后的基本风压为0.70kN/m2。结构主要竖向抗侧力构件为框架柱以及剪力墙，其中框架柱以及核心筒剪力墙的抗震等级均为2 级，在本工程设计中，参照的技术规范主要有《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）《建筑抗震设计规范》（2016 年版）（GB 50011—2010）以及部分地方性的建筑抗震设计指南。图1 为本工程标准层结构。

图1 标准层结构

2 本高层建筑的结构计算设计要点分析

在对本工程建筑的结构进行计算设计时，主要选取PKPM 软件中的SATWE 程序进行，在复核过程中则选取PKPM 软件中的PMSAP 程序进行，在计算地震力和风荷载作用时，主要从x、y 两个方向进行计算，且周期折减系数为0.85。在位移计算过程中，主要是通过刚性楼板假定（传递地震剪力），周期计算时需要考虑的扭转耦联效应，在计算梁刚度的放大系数时，边梁和中梁分别为1.5 和2.0，连梁刚度折减系数为0.8，并计算了30 个振型。而在内力组合过程中，恒荷载分项系数、活荷载分项系数、地震荷载分项系数和风荷载分项系数分别为1.3、1.5、1.3、1.4。墙元分析中的壳元的最大控制长度为1m，从基础顶面到四层的混凝土强度等级中，墙柱和梁板的混凝土等级分别为C60 和C40，而5-8 层的梁板和墙柱的混凝土强度等级分别为C55 和C40，9-12 层的墙柱和梁板的混凝土强度等级则分别为C50 和C40，13-16 层的墙柱和梁板的混凝土强度等级则分别为C45 和C40，17 层以上的墙柱和梁板的混凝土强度等级均为C40。

在整个设计中，采用预制空心楼盖结构体系。为了使结构在地震和风荷载作用下保证结构的安全性以及耐久性，在核心筒角部与预制空心楼盖相交接的地方，用实体楼板替换预制空心楼板，并在角部核心筒的内部增加型钢，通过在局部实体楼板内部增设型钢梁，提升核心筒角部区域抵抗风和地震作用下产生的竖向力和水平剪力。除此之外，为了减小核心筒外部的框架柱截面尺寸，通过在框架柱内添加型钢的形式并通过PKPM 软件中的SATWE 程序试算之后，得到较为合理的框架柱和内部型钢的截面尺寸，并通过优化调整，确保结构的剪重比、刚重比、层间位移比和周期比均处于规范要求之内，将型钢混凝土柱的轴压比控制在规范限值内，有效的优化了框架柱的尺寸，型钢混凝土柱尺寸在1200mm×1800mm～1000mm×1400mm 之间均匀变化。通过对其的整体分析和计算满足了规范要求，同时利用PKPM 软件中的PMSAP 程序对其复核，其复核结果均符合规范要求，具体结果详见表1 和表2。

表1 模型周期计算结果

表2 剪重比和层间位移比计算结果

3 本高层建筑空心楼盖构件的设计要点分析

由于在本工程结构中涉及了预制空心楼板、型钢柱-核心筒结构体系，所以在设计过程中，利用PKPM软件中的SATWE 程序对预制空心楼板进行计算分析，同时采用局部组合计算的形式，对核心筒四个角部进行了局部冲切承载力以及剪切承载力的复核计算，且在此基础上对结构进行设计[1]。通过模型计算的结果和实际的受力情况，确定核心筒角部型钢尺寸以及局部实体楼板内部型钢的截面尺寸，核心筒角部的型钢为H200×200×10×20，从首层一直延续至屋面层，局部实体楼板内的型钢梁为H200×100×10×12，局部实体楼板厚度设计为200mm，最小配筋率控制在0.25%，核心筒内部楼板的板钢筋也采取双层双向的方式进行配置，板厚为150mm，最小配筋率控制在0.25%[2]。

从图2 的计算结果可以看出，在基本组合工况下，核心筒Y 向两侧的弯矩较大，核心筒右侧楼板受到的弯矩大于左侧楼板；核心筒Y 向的板跨1/4 范围内的剪力较大，由于局部应力集中产生的剪力，导致剪力墙局部剪力较大，而且剪力墙以及框架柱作为楼板的支座，会在支座处受到较大剪力作用，所以核心筒四周框架柱与剪力墙受到的剪力均较大，这与传统的梁板结构的剪力分布相同，为了保证楼板在平面内的承载能力和刚度，核心筒与楼板相连的部位需要通过增加板厚和提高肋梁的刚度等措施进行局部加强。

图2 X 向弯矩

综上所述，由于结构核心筒Y 向左右两侧楼板跨度较大，导致其剪力较大，其整体受力原理与传统楼板较为一致，但由于空心楼盖整体厚度较小，使得结构空间使用率得到了提高，缩短了施工工期。

从图3 的计算结果可以看出，在基本组合工况下，核心筒X 向两侧的板受到的弯矩较大，并且板在X 向的跨度较大，可近似认为是单向板，单向板的受力形式是短边受力；而对于Y 向楼板，虽然认为其受力原理为双向板，但短向为X 向，所以Y 向的弯矩也较大；框架柱与板连接的地方也出现了较大剪力而且核心筒四角以及局部剪力墙开洞处也出现了较大剪力作用，而且结构楼板X 向上侧出现柱边受拉，剪力墙边受压的现象，但是X 向下侧剪力墙边受拉，柱边受压的现象，两侧弯矩实现了平衡。

综上所述，由于结构核心筒X 向左右两侧楼板跨度较大，导致其剪力较大，其整体受力原理与传统楼板无较大却别，但由于其较竖向厚度较薄，使得结构空间使用率得到了提高[3]。

图3 Y 向弯矩

4 本高层建筑的整体结构设计要点分析

在整体结构设计中，为了更好地确保结构安全，所以在本次设计过程中，其整体结构的设计要点如下。

（1）为了满足其使用功能，由于使用预制空心楼盖，使得内部核心筒与外部型钢柱的连接要比传统框架柱-核心筒弱，再通过对PKPM 软件计算结果进行分析，得出结构平面规则性较差的结论，容易在地震和风荷载作用下产生较大的扭矩，为了增加结构本身的抗扭刚度，在本工程中适当的外部框架梁的截面尺寸，并且结构Y 向的整体刚度小于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为此布置，将扭转效应降到规范所规定的最低范围之内，这样就极大的提高了建筑的抗震性能。

（2）由于核心筒具有较强大的刚度，在核心筒剪力墙设计过程中，其外围的剪力墙应适当的加长长度，并且保证核心筒四角有足够的长度，避免产生较大的应力，控制X 向和Y 向的剪力墙的长度，控制核心筒剪力墙的墙肢高厚比大于8，从而避免由于采用短肢剪力墙而导致建筑使用空间受影响的问题。核心筒的厚度由500mm 从下而上依次均匀减小至300mm，在满足相关规范条文要求的同时，较为有效地提升了整个结构抵抗风和地震作用下产生水平荷载的能力。

（3）为了确保预制空心楼盖能与型钢柱和混凝土核心筒形成一个体系并且共同受力，加大了预制空心楼板内部的肋梁的尺寸并且控制预制空心楼板的配筋率，保证楼板可以传递水平地震作用，并且同时满足其面内自身承受竖向荷载的能力，保证其有较大的面内刚度。通过PKPM 软件内SATWE 计算，并结合相应的有限元分析软件，模拟预制空心楼盖在各种荷载组合下的承载能力。通过对两种软件计算结果的比较，对存在较大应力集中的核心筒角部加强构造措施，并且通过局部使用实体楼板、剪力墙内增加型钢以及实体楼板内增加型钢梁等方法，加强核心筒角部剪力墙局部楼板承载能力。

（4）在整个高层建筑结构设计过程中，竖向构件的承载力设计最为关键，所以在设计过程中，为了在满足建筑造型要求的同时更好地满足其使用功能，就必须对结构体系进行合理的设计，确保结构计算满足设计规范中的相关要求，同时还应具有较强的安全可靠性。因而在计算过程中，必须对其振型的数量进行科学合理地确定，同时还要满足有效质量不低于90%的要求，且在计算中更加科学全面的考虑地震作用带来的影响，并利用多个力学模型加强抗震计算，同时加强整体计算的基础上对辅助层的结构进行有限元分析，并且在符合结构使用性能的基础上，通过相应的构造措施，可以有效的提升建筑的承载能力。

5 结语

综上所述，在现代很多高层建筑中，均需要对存在较大应力集中的部位进行计算并采取向相应的加强措施，所以在结构设计中对设计人员提出了更高的要求。尤其是结构内有内置型钢构件和预制空心楼盖结构的设计，所以作为建筑结构设计人员，应在日常工作中加强有关专业技术的学习，不断提高自身的技术实力，并切实掌握其设计要点，严格按照设计规范，在结合实际和满足建筑功能以及兼顾安全等方面的因素下，切实提高其设计成效，才能更好的夯实设计水平，促进工程质量的提升。