扁梁空心楼盖体系在高层建筑中的应用

唐 毅

（机械工业第三设计研究院建筑四所，重庆400039）

扁梁空心楼盖体系在高层建筑中的应用

唐 毅

（机械工业第三设计研究院建筑四所，重庆400039）

扁梁空心楼盖体系在高层建筑中的应用较少，相应分析方法还不够成熟。以重庆某高层建筑实际应用为例，研究了空心楼盖面外刚度对整体结构分析的影响。通过对比不同分析方法的楼盖内力，指出扁梁空心楼盖应进行梁板整体分析，并介绍了实用分析方法——拟梁法。

扁梁;空心楼盖;整体计算;实用方法

0 引言

在高层建筑结构设计中，常因层高限制或增加净高的需求而尽量降低梁的截面高度，又因受到承载力的限制只能增加梁截面宽度从而形成梁宽大于梁高的扁梁，当扁梁截面宽度大于垂直梁轴方向的柱宽度时为宽扁梁[1]。因高层建筑的柱截面尺寸比较大，扁梁截面宽度一般不会超过柱截面宽度，能保证梁柱节点抗震性能，与普通框架相比抗震性能更好[2-3]。当框架梁采用扁梁时因截面高度较小，配合现浇空心板而不出现次梁就形成扁梁空心楼盖体系。由于现浇空心楼盖具有较多优点和综合造价优势，目前在地下车库和多层商业建筑中的应用较多，在高层建筑结构中的应用还比较少见。下面以重庆某高层办公酒店建筑的实际应用为例，研究空心楼盖面外刚度对结构整体分析结果的影响，研究楼盖整体分析的必要性以及整体分析在程序中的实现方法。

1 工程实例概况

重庆南岸某大型综合商业广场，其中四星级酒店办公楼为地上26层、地下4层的高层建筑，屋面高度97.85m。酒店地下车库层高3.4m，裙房层高5.1m，办公区层高3.45m（5～13层），酒店区层高3.4m（14～26层）。建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为6度0.05g。

由于建筑层高限制和内部使用空间要求，方案从结构和公用管道系统两方面采取措施来提高使用空间净高：结构采用扁梁空心楼盖体系（如图1，其中一跨表示了筒芯布置）；公用管道采用垂直布置系统。经采取此两项措施后，办公区有效净高2.5m，酒店区房间内3.05m，走道2.45m。

图1 标准层结构平面布置图

2 结构布置方案

图2 空心楼板截面大样图

3 空心楼板面外刚度对结构整体分析结果的影响

在普通梁板结构整体计算中，因楼板厚度较小一般仅考虑楼板面内刚度，通过梁刚度放大系数考虑翼缘有效宽度范围内的楼板作用。而在扁梁空心楼盖体系中，扁梁刚度与空心楼板面外刚度相差不大，甚至两扁梁之间的空心楼板整体面外刚度比框架扁梁更大，为验证刚度放大系数法用于扁梁空心楼盖体系的整体分析的可行性，该文分别按弹性膜单元和弹性壳单元建立了2个不同力学假设的整体模型对比分析。空心板采用弹性壳单元模拟时，其等效厚度可根据等刚度原则换算。顺筒方向换算得到等效厚度为285mm。横筒方向等效厚度根据《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》CECS175-2004第4.4.2条计算结果为279mm，与顺筒向等效厚度相差仅2%，考虑到该工程适当加大了筒芯纵向间距，对减小各向异性更有利，因此模型中弹性板厚度按顺筒向取285mm。模型采用PKPM 2010版建立，两个模型计算结果见表1。

表1 采用不同楼盖力学模型的整体分析结果

对比表1两种计算结果可以看出两种方法差异十分明显，不考虑空心板面外刚度模型与按实际楼板面外刚度计算模型相比周期偏长，刚重比偏小，层间位移角偏大，说明按规范刚度系数法计算的整体刚度偏小，相应结果差异较大。因此，扁梁空楼楼盖结构必须按楼盖实际面外刚度计算，在PKPM程序中可采用等效厚度的弹性壳单元（即弹性板6）模拟，但应注意建模时应采用虚梁划分网格。进一步比较结构在两个方向上结果差异发现：两个方向的差异程度悬殊，这是由于两个方向框架扁梁间距和跨度差异较大所致。另在采用拟梁法时，由于双向拟梁自重叠加后远超出实际恒载，需要输入负恒载抵消部分自重，而部分程序（如SATWE）在计算水平地震力时不能扣除负恒载导致地震作用加大，因此在结构整体指标分析时建议采用弹性壳单元（SATWE中采用弹性板6）结合网格划分（PKPM中可采用虚梁代替网格）的方法考虑空心板面外刚度较为准确、可靠，网格间距可取1～2m。

4 扁梁空心楼盖设计

扁梁空心楼盖体系在进行楼盖内力计算和配筋设计时应按梁板协同变形整体分析。由于扁梁与空心板抗弯刚度相比差异不大，因此扁梁不能假设为空心板的竖向不动铰支座，不能按梁板分离计算[5-6]。扁梁空心楼盖理论上可采用有限元法对梁板整体划分网格后计算，但由于该法节点数太多，计算量相当大，因此该文采用CECS 175-2004中实用方法——拟梁法（忽略拟梁之间的剪切和扭转影响）来分析。采用拟梁法建模时每区格板两方向拟梁不少于5根（单向板例外），拟梁截面高度与空心板相同，宽度按与等效范围空心板刚度相等原则换算。

以图1中Q轴上2-5轴跨框架扁梁为例，分别按分离式和协同变形方式计算内力和配筋。分离式算法按普通梁板传统方法进行，协同变形计算方式采用拟梁法，每1～1.5m宽空心板拟为1根等效矩形实心截面梁，同时板厚修改为0mm，扁梁和周围框架梁按实际截面输入。

计算结果表明：按协同变形模式计算的框架扁梁弯矩和配筋明显小于按分离式计算结果，详见表2。其原因是楼板荷载传递结果发生了根本改变：协同计算方式荷载按刚度分配，框架扁梁荷载呈马鞍形分布;而分离式计算按双向板传递荷载，框架扁梁荷载呈梯形分布。这两种截然不同的荷载分布模式决定了内力大小，其值详见表2。

表2 不同楼盖分析方法的计算结果

另外，协同变形分析结果空心板受力特征是，靠近框架扁梁两端配筋较分离式大，中间部分较分离式小与无梁楼盖接近；板底配筋较小与分离式算法接近，多为最小配筋率控制。相反分离式计算的框架扁梁端部（柱顶附近）负筋不足，楼板角部负筋也偏小，在使用阶段可能会出现较多裂缝，存在安全隐患及渗漏等影响使用的问题，应加以重视。

扁梁空心楼盖用于酒店建筑还涉及到卫生间降板的结构处理问题，该项目采取空心板上卫生间部分板厚减少50mm，相应部分筒芯直径改用150mm的措施，保证板底平整便于施工，并在卫生间周边设封闭暗梁解决了钢筋锚固问题同时对局部降板削弱有一定补强作用，具体措施参见图3大样。

图3 卫生间降板处理大样

5 结语

通过对实际工程应用分析、研究得到一些结论和方法可供类似结构设计参考。

（1）高层建筑结构采用扁梁空心楼盖为主时，结构整体分析中应恰当考虑空心板面外刚度对结构整体刚度的贡献。在初步设计的结构整体分析中建议采用等效厚度的弹性壳模拟空心楼板，并注意相应梁刚度放大系数取1.0。

（2）扁梁空心楼盖内力及配筋计算时，应按协同变形模式整体分析。该文通过分离式算法和拟梁法对比分析可知，拟梁法计算结果符合梁板协同分析模式，分析所得到的内力和配筋正确、合理，设计更安全、更经济。《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》CECS 175-2004中的拟梁法适用性广，且在程序中容易实现，可在扁梁空心楼盖协同分析中推广使用。

[1]DBJ/T 15-46高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2002补充规定[S].2005.

[2]傅学怡.宽扁梁设计建议[J].建筑结构，1999（2）：11-14.

[3]郭靳时，孙欣，徐长东.扁梁楼盖在高层建筑中的应用[J].吉林建筑工程学院学报，2011，28（1）：28-30.

[4]李云霄，庞国新，刘滨.钢筋砼扁梁截面高度取值研究[J].建筑结构，1997（10）：42-44.

[5]ACI 318R-02Buildingcode requirements for structural concrete and commentary[S].

[6]张剑，傅学怡，刘畅.重力荷载作用下钢筋混凝土框架梁平板楼盖分析[J].建筑结构，2003,33（11）：45-49.

责任编辑:李 红

Application of Flat-beam in Cast-in-situ Hollow Floor System to Tall Buildings

The flat-beam in cast-in-situ hollow floor system is rarely applied in tall buildings construction，and related analysis methods are also immature.The author takes the application of the system to a tall building in Chongqing as an example and goes deeply to the impact of the out-of-plane stiffness of cast-in-situ hollow floor on the overall structure.By comparing the floor internal forces with different analysis methods,the author points out that comprehensive analysis on girders of flat-beamed cast-in-situ hollow floor should be done and the practical method--analogue beam method is introduced.

flat-beam;cast-in-situ hollow floor;analysis;practical method

TU973

A

1671-9107（2012）07-0017-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.07.017

2012-05-31

唐毅（1979—），男，四川开江人，硕士，一级注册结构工程师，主要从事建筑结构设计及研究工作。