大跨度混凝土空心楼盖结构设计

丁茂强

1.工程概况

本工程为某中学教学楼，建筑面积：18402.9m2。地上两层，高度9.0m,层高4.5m；地下一层，层高3.9m。建筑使用功能上划分为地下一层为人防设施，一层为餐厅和室内四个篮球场（又称风雨操场在二层中空，单个篮球场平面尺寸为25.2m×33.6m），二层为活动室和两个阶梯教室（阶梯教室平面尺寸为16.8m×18m，27m×33.6m）见图1，屋面为室外操场供学生户外体育运动使用（总建筑外轮廓尺寸约152m×74m）。工程设计使用年限为50 年，建筑结构安全等级一级，设防烈度6 度，抗震设防类别乙类，基本地震加速度0.10g，设计地震分组第三组，大跨度框架抗震等级为二级[1]。

图1 二层平面图

1.1 结构设计需满足的要求

满足室内篮球场和阶梯教室顶部大跨度楼盖，短向跨度从16.8m～27m；结构梁高限制为0.8m～1.5m。屋面兼做学生户外运动场地，屋面恒荷载标准值12kN/m2，活荷载按屋顶运动场地要求4kN/m2。屋面的舒适性，挠度控制要求高。屋面建筑功能为学校操场，在节奏性强的体操、跑步运动时，应保证楼盖的自振频率避开人员肢体运动频率，防止产生共振。

1.2 结构方案的分析对比

采用两种计算软件PKPM 和STRAT分析，对比普通梁板、钢骨混凝土梁板、预应力混凝土结构、现浇空心楼盖（蜂巢芯楼盖、现浇网梁楼盖）等屋面楼盖体系，优化平面结构布置，对屋面舒适度、屋面长期荷载作用下的挠度数值进行分析。

（1）普通梁板在限定梁高1.5m 的条件下配筋数值超限，结构挠度控制难以满足要求；钢骨混凝土结构和预应力混凝土结构虽然可以有效控制裂缝，屋盖整体平面外刚度偏小，大跨度区域楼板主振频率小于2Hz，施工工艺复杂。

（2）现浇空心楼盖为二维板式受力模式，有效降低了梁截面；在减小自重的条件下依然能提供足够的平面外刚度。对比现浇空心楼盖中两种常用截面类型，蜂巢芯楼盖“T”型断面和网梁叠合箱“工”字形断面，由于“工”字形断面刚度大，混凝土截面可兼顾顶部或底部承压的受力等优点，所以本工程选用叠合箱式楼盖。

1.3 结构布置

室内四个篮球场（短向跨度25.2m见图2）和大阶梯教室（短向跨度27m）的空心楼盖肋梁高1.5m，宽0.15m，肋梁间净距1m，顶板现浇层厚度0.15m，底部板厚0.06m，与实心楼板相比刚度折减50%，楼盖空心率约为65%，由于横向和纵向小肋梁相互支撑，肋梁的平面外稳定可以满足。大跨度楼盖四周区域肋梁高度为0.8m，有利于变截面处大跨度楼板负弯矩的平衡，其余区域肋梁高0.45m。

2.内力分析计算及变形控制

大跨度混凝土楼盖的承载力极限状态验算，主要包含恒载、活载、风、水平地震作用的计算，并考虑竖向地震作用。

在长期荷载作用下，大跨度混凝土楼盖混凝土会产生开裂，从而造成刚度折减，增大竖向挠曲变形。计算分析结果表明在工况组合1.0 恒+0.4 活，不考虑混凝土开裂引起的刚度折减时楼盖竖向位移14mm（见图3）；考虑混凝土开裂引起的刚度折减时楼盖竖向位移105mm，即考虑混凝土刚度折减后的挠度为不考虑刚度折减的7.5 倍（见图4）。设计应考虑刚度折减后的竖向位移，确定合理屋面起拱高度。

图3 不考虑刚度折减的混凝土楼盖竖向位移（最大竖向位移14mm）

图4 考虑刚度折减的混凝土楼盖竖向位移（最大竖向位移105mm）

3.楼盖舒适度分析

楼盖舒适度计算，保证楼盖的竖向振动频率避开人员肢体运动频率。分析表明，竖向第一振型周期为0.209s（频率为4.8Hz），大于规范规定的最小3Hz要求，见图5。

图5 混凝土楼盖竖向振型1（周期T=0.209s）

温度应力控制及施工注意事项：

（1）加强屋面及外墙保温以减小温差，根据建筑物特点和结构布置设置后浇带和膨胀带，释放结构应力。

（2）优先选用低水化热水泥拌制混凝土，控制大体积混凝土的入模温度，适当使用缓凝减水剂和微膨胀剂，在柱帽等大体量混凝土区域可预埋冷水管进行人工导热。

（3）大体积混凝土区域的支撑脚手架需详细计算，内模应采取水平侧向支撑，及其他加强措施。

4.结论

（1）现浇混凝土空心楼盖与普通混凝土楼盖相比自重轻，且由于其双向空间受力梁高较小，有助于减小建筑净高。

（2）大跨度混凝土屋面应考虑荷载长期作用下刚度折减对挠度的增大作用，本例工程计算表明考虑混凝土刚度折减后的挠度为不考虑刚度折减的7.5 倍。

（3）现浇混凝土空心楼盖平面外刚度大，本项目满足楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz。