新型裝配箱混凝土空心樓蓋結構設計探析

張俊騰 曹文峰 尤文貴

(福建農業職業技術學院 福建福州 350119)

0 引言

傳統的梁板式樓蓋在中等跨度無層高限制的情況下，能夠體現出優勢，但是在較大跨度有層高限制的情況下，不利于管道的布設和建筑功能的使用[1]。而空心樓蓋底部平整不需吊頂，內部的空腹部分可用于布設管道，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構具有剛度和承載力，相對于其他類型空心樓蓋可有效節省混凝土工程量、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制箱體，結合現場澆筑肋梁和樓面板現澆層，屬于半裝配式建筑[3]，近幾年來被廣泛應用于商場、地下車庫、展覽廳等建筑工程領域。在建筑結構設計方面，新型裝配箱混凝土空心樓，因其結構的特殊性及設計理論和計算方法還不完善，蓋在大型商場的應用不多，特別是結合工程實例的應用研究較少[4]。對于設計師而言，建筑結構體系的合理布置、動力分析，需要有扎實的理論基礎和豐富的設計工程經驗[5]。因此，本文結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構設計過程中，結構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。本工程設防分類標準為重點設防類別，地處7度抗震設防烈區，應按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構。樓面恒荷載為1.5 kN/m2，活荷載除了空調機房為7.0 kN/m2，其余商鋪均為3.5 kN/m2。其中4層結構平面圖如圖2所示，沿著塔樓設置一道防震縫，防震縫左側框架二級，防震縫右廁框架一級。

圖1 商場效果圖

圖2 商場第四層結構平面布置圖

2 結構動力特性計算分析

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

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

基礎采用樁筏型式，裙房部分經計算，需在筏板上加設抗浮錨桿。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。地下一層與首層側向剛度比大于2，上部結構計算嵌固端設在地下室頂板處。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。

商場防震縫左側部分采用YJK軟件單獨計算分析，根據計算結果對結構進行優化。優化步驟可依次從①剛度比→②剛重比→③層間受剪承載力比→④周期比→⑤振型參與質量系數→⑥剪重比→⑦位移角→⑧位移比的步驟，對整體計算結果參數按有關規范、規程進行控制與調整。各主要步驟優化過程方法如下：

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

(2)剛重比：主要為控制結構的穩定性，避免結構在風載或地震力的作用下整體失穩。若不滿足要求則說明結構的剛度相對于重力荷載過小，可調整改變結構布置，增設斜撐，加強墻、柱等豎向構件的剛度。但剛重比過分大，則說明結構的經濟技術指標較差，宜適當減少墻、柱等豎向構件的截面面積。

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

(4)周期比主要為控制結構扭轉效應[8]，減小扭轉效應對結構產生的不利影響。如果不滿足要求，說明結構的扭轉剛度相對于側移剛度較小，結構扭轉效應過大，只能通過人工調整改變結構布置，提高結構的扭轉剛度。即加強結構外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結構中間墻、柱的剛度。

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

(6)剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性。若不滿足要求，可通過以下方法調整：當地震剪力偏小而層間側移角又偏大時，說明結構過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度。

(7)位移角主要為控制結構的剛度，避免過度的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求。只能通過人工調整改變結構布置，增設斜撐，加強墻、柱等豎向構件的剛度。

(8)位移比主要為控制結構平面規則性，以避免產生過大的偏心，導致結構產生較大的扭轉效應。只能通過調整改變結構平面布置，減小結構剛心與形心的偏心距。

以上8個步驟中，最難調整的3個指標往往是位移比、位移角和周期比。如圖4～圖5所示，結構計算時，將可將現澆肋梁簡化為一個T型截面單元，預制裝配箱的頂板和底板可作為現澆肋梁的受壓翼緣，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。經過反復計算，調整結合經濟指標和規范限值要求。優化后結構平面布置如圖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，內部框架梁截面大部分采用300 mm×800 mm。為減小扭轉效應，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向剛度，有針對性地減小整體結構的扭轉效應。最終3個指標的計算結果如表1和表2所示。

圖3 裝配箱混凝土空心樓蓋構造示意圖

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

3 裝配箱樓蓋基本構造和優化設計

裝配箱混凝土空心樓蓋是由預制箱體、現澆的梁和混凝土面層組成的密肋樓蓋，基本構造如圖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，并且暗柱筋內的縱筋分別伸入上下板中，澆筑底板；然后布置側板外模板，沿側板四周內布置鋼絲網，接著在箱體內放入減重塊，作為箱體側板的內模板；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?，F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點區的負彎矩比較大，因此，在該區域的現澆層增配φ10@100負筋。預制箱體由頂板、底板和側壁組成，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，外伸鋼筋錨入現澆肋梁長度不小于0.4LaE，而側壁材料為防火玻鎂板。預制箱體共5種平面尺寸(單位mm)：1000×1000、1000×700、700×700、700×500、500×500。

由于常規的預制箱體在澆筑混凝土時，會因為穩定性不足而發生預制廁板被擠壓錯位或者頂板滑落現象，本項目預制箱子在側壁設置2根金屬擱置件和8個緊固件，以保證箱體的穩定性，如圖3所示。緊固件位于側壁的四角，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制箱體的穩定性，使預制箱體可擱置在現澆梁模板上，從而節約大量的模板工程量。

4 結語

裝配箱混凝土空心樓蓋應用在大型商場建筑較為復雜，本文通過有針對性的結構分析，得出結論如下：

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

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

(3)通過一定構造措施，加強預制箱體的穩定性，不但可節省大量的模板工程量，還可提高施工速度和質量。