探讨建筑结构设计中实心楼板与空心楼盖的对比

陆凤云

深圳市特区建设发展集团有限公司

摘要：本文主要针对实心楼板与空心楼盖结构应用的对比，空心楼盖结构具有自重轻、材料省、整体性能好、综合造价低和加快施工速度等特点，在建筑结构设计中广泛应用。

关键词：结构设计；空心楼盖

0 引言

随着空心楼盖结构的推广，其逐渐应用在高层结构设计当中。空心楼盖结构在高层建筑中优势明显：增加楼层净高，8m跨度的大空间现浇空心楼盖体系楼盖结构厚度250-500 mm，增加楼层净高250-700 mm；无需吊顶，室内结构顶棚平整美观，一般无需吊顶；室内空间高达舒展，经济跨度可达8-12m；可以建造更多的楼层，在保证楼层净高的前提下，通过压缩建筑层高，每隔10-20层可增加一个楼层；隔热隔音性能好，内置封闭的空腔提升了楼板的隔热性能，楼板的平均厚度比普通楼板大，提高了隔音效果。同时，空心楼盖在结构方面的特点是结构自重轻，钢筋用量少，施工方便；在经济方面的特点是节省钢筋、混凝土、模板用量和费用，节省基础造价，节省施工工期，节省空调运行维护费用等。

传统的高层结构采用实心楼板结构，由于实心楼板厚度相对小，平面外刚度有限，所以在进行受力分析的时候，只考虑楼板对框架或框剪结构中的梁有一定的约束和刚度贡献，而楼板与框架或框剪结构是相对独立进行受力分析的，不完全考虑两者之间的变形协调关系，楼板也不参与整体结构的受力分析。然而，空心楼盖结构的楼板虽然是空心的，但是厚度相对大，空心楼盖结构又以扁梁为主，有时甚至梁高与板厚相同，板对梁的影响相当之大，而且，空心楼板内模之间是肋梁，把这些肋梁都看作结构梁的话，空心楼盖结构可以类比为密肋梁结构体系。因此，空心楼盖结构和实心楼板结构之间存在比较大的差异，那么它们在高层结构设计计算中有何异同。本文以一算例，用广厦程序分别对高层建筑进行空心楼盖结构和实心楼板结构建模计算，根据计算数据，分析比较两种结构的整体性能。

1 算例说明

本算例为13层框剪结构，各层高为3.3 m，X向36 m，Y向27 m。结构安全等级为二级，结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，基本风压为0.5 kN/m2，场地类别为11类，地震设计分组为一组，结构阻尼比0.05。荷载按GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》取值。空心楼盖结构的平面布置和实心楼板的平面布置分别如图1和图2所示。

图1空心楼盖结构平面布置

图2实心楼板结构平而布置

两种结构的混凝土等级均为C30，剪力墙和柱子的位置和尺寸均一样，柱子尺寸为900mm×900 mm，柱距均为9 m，剪力墙分布在四角，墙厚200 mm，长度为3m，不同之处仅仅是每一层的梁板。空心楼盖的扁梁尺寸为900 mm×300 mm，板厚300mm；实心楼板的主梁为250 mm×800 mm，井字梁为200mm×600 mm，板厚为100mm。两种结构经过广厦建筑结构CAD程序计算均满足各种安全规范。下面对两种结构的计算结果进行对比分析。

2 计算对比

2.1楼层侧向刚度对比

从图3可以看出：空心楼盖结构的各层侧向刚度仅为实心楼板结构的50%左右。高层结构的抗侧刚度取决于其竖向构件和竖向构件之间的联系，本文两种结构的竖向构件是完全一样的，因此造成两者侧向刚度的差异都缘于梁板。实心梁板结构的梁高远大于空心楼盖的扁梁，抗弯刚度较大，在竖向构件一样的情况下，实心梁板结构的抗侧刚度肯定是大于空心楼盖的，然而是否能够大一倍之多这是值得分析的地方。

图3 0°方向的楼层侧向刚度对比

因目前结构计算分析軟件的限制，楼板与结构梁独立计算，未能充分考虑到厚度大的空心楼板对整体结构的刚度贡献，故计算出来的侧向刚度会比实际的要小。如果按照实际情况分析，空心楼板里面大量的肋梁与扁梁整体浇筑，紧密相连，对整体刚度有一定的增大，应参与到整体的受力分析中。

2.2地震作用下最大层间位移对比

从图4可以看出：首层两种结构的最大层间位移几乎相等，随着楼层增加，空心楼盖结构的最大层间位移开始大于实心楼板结构，而且相差的幅度也随着楼层的增加而增大，在最高层的位置空心楼盖结构的最大层间位移是实心梁板的两倍多。首层的层间位移几乎相等是因为受到了基础的强约束，随着层数增，受到的约束越来越小，在地震作用下层间位移便越来越大了。在较高楼层，空心楼盖结构的最大层间位移之所以远大于实心楼板结构的两倍有余是因为上述的侧向刚度计算结果所导致的。值得注意的是，空心楼盖最大层间位移出现在楼层的位置与实心楼板的不一样。空心楼盖结构的最大层间位移出现在第7层附近，而实心楼板结构的出现在第5层附近。这说明空心楼盖结构最薄弱的位置比实心楼板结构的要高，应注意薄弱位置的加强。

图4 0°方向地震作用下最大层间位移对比

2.3最大层间位移角对比

由表1可以看出：空心楼盖结构的最大层间位移角都比实心楼板结构的要大，且最大层间位移角出现的位置也都比实心楼板结构的要高，与上述的计算结果保持一致。高层建筑最大层间位移角限值为1/800，两者均满足此限制，同时可以看出实心楼板结构的偏于安全，而空心楼盖结构偏于经济。这里还值得分析的地方是，风荷载导致空心楼盖结构的最大层间位移角大于实心楼板结构的两倍，而地震作用产生的最大层间位移角却少于实心楼板结构的两倍，这里的原因是空心楼盖结构的整体质量小于实心楼板结构，地震作用就会相对较小，因此两者地震作用下的最大层间位移角会相差得比较小。这里可以体现空心楼盖结构能够减小地震作用的特点。

表1 各种作用下最大层间位移角及其楼层对比

2.4前三振型的自振周期与振型参与质量对比

从表2可以看出：空心楼盖结构的前三个振型自振周期都比实心梁板的要大，比后者大30%左右，但是振型的参与质量比实心梁板的要小。自振周期长，说明空心楼盖结构的整体刚度较柔，与上述的计算数据是吻合的，实心梁板结构整体刚度大，较为吸收地震作用，产生的地震力大，为了保证结构安全会提高整体造价，这里再次体现空心楼盖减小地震作用，降低造价的特点。

表2 前三振型的自振周期与振型参与质量对比

2.5结构地震作用下地震力及地震剪力

从图5和图6可以看出：两种结构在底部3层的地震力相差无几，从第4层开始空心楼盖结构的地震力小于实心梁板结构，随着楼层增加，相差幅度越来越大，在第11层达到最大，然后两者的地震力又开始趋向一致。

结构顶层地震力突然增大，是鞭梢效应的影响导致地震力放大的结果。空心楼盖结构首层地震剪力比实心梁板结构小，相差幅度大约为28%。随着楼层增加，相差幅度逐渐减小，到顶层两者的地震剪力几乎相等。空心楼盖结构的地震力比实心梁板的小缘于其整体质量比较小，虽然前面其他数据分析这样会减小整体刚度，抵抗力会下降，位移会增大，但是地震力减小，能够大大提高结构的经济性，而且还能保持结构在规范的安全范围内，这是空心楼盖结构得以逐渐推广的重要原因之一。

图5 0°地震作用下地震力比较

图6 0°地震作用下地震剪力比较

3 结论

1）目前广厦建筑结构CAD软件在空心楼盖结构体系方面的计算分析还不够完善，未能充分考虑到大厚度的空心楼板对整体结构的刚度影响。

2）空心楼盖结构由于结构梁数量减少和刚度降低，整体刚度比实心梁板要小，最大层间位移和位移角较大，且出现的位置较高。

3）空心楼盖结构的整体质量小于实心梁板结构，从而降低地震力，能够大大减小高层建筑的造价，提高高层建筑建造的经济性。

参考文献：

[1] JGJ/T 268-2012 现浇混凝土空心楼盖技术规程[S]

[2] GJBT--905 05SG343 现浇混凝土空心楼盖[S]

[3]陈清，江翠兰.蜂巢芯空心楼盖在某高层办公楼结构设计中的应用实例[J].工程技术，2010（9）.86 -90.