大跨度混凝土楼盖设计方案分析

谢 波

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

楼盖作为建筑结构中的主要承重体系,不仅是支承竖向荷载和传递水平荷载的主要构件,而且是影响土建造价的主要因素[1]。

楼盖结构类型丰富,按结构形式分为有梁楼盖和无梁楼盖,无梁楼盖较有梁楼盖美观平整,但板的厚度较大,材料用量较多,造价较高。按施工工艺分为装配式、装配整体式和现浇式。装配式楼盖施工简单、造价低,但整体性差;装配整体式楼盖较装配式楼盖,整体性好、造价略高。现浇式楼盖整体性和受力性能最优,但模板用量多,施工复杂,应用广泛。按是否施加预应力分为普通钢筋混凝土楼盖和预应力混凝土楼盖。普通钢筋混凝土楼盖施工简单方便,但变形和抗裂性能相对较差。预应力混凝土楼盖梁板截面较小,总造价低,跨度较大时综合成本较低。本文针对某大跨度实验报告厅,综合荷载分布、结构布置等因素,提出两种可行的楼盖结构布置方案,分别是普通钢筋混凝土井字梁楼盖和有粘结预应力混凝土楼盖,利用PKPM软件对两种不同楼盖结构进行计算分析,对比混凝土用量、钢筋用量、构件尺寸、内力、变形和造价等技术经济指标,选出最优方案。

1 工程概况

某2层(局部为3层)实验报告厅,抗震设防烈度为8度(0.2g),场地类别Ⅲ类。报告厅纵向尺寸为21.6 m,纵向柱距7.2 m;横向尺寸为18.6 m,横向柱距6 m,6.3 m,6.3 m;1层层高8.4 m,2层层高6.5 m。

2 楼盖方案选择

在楼盖受力构件布置时,提出两种布置方案。

2.1 方案一:普通钢筋混凝土井字梁楼盖

该方案中各构件材料强度基本信息见表1。

表1 方案一结构构件材料强度等级

各层框架梁、框架柱截面大小及布置形式见图1。

在图1中,标高8.350 m处及标高14.900 m处未标注井字梁截面大小均为350 mm×1 100 mm,未标注板厚均为100 mm。

井字楼盖长跨与短跨之比lx/ly=21.6/18.6=1.16<1.5;梁与梁之间的距离不大于2.4 m。

2.2 方案二:有粘结预应力混凝土梁楼盖

该方案中各构件材料强度基本信息如表2所示。

表2 方案一结构构件材料强度等级

各层框架梁、框架柱截面大小及布置形式见图2。

3 设计分析

3.1 抗震性能对比

根据建筑功能要求按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范进行荷载布置,按8度(0.2g)多遇地震进行整体结构计算分析。根据SATWE输出计算结果,普通钢筋混凝土井字梁楼盖和有粘结预应力混凝土楼盖整体结构主要的前3阶周期和振型见表3,地震基本信息见表4。其中X表示横向,Y表示纵向。

表3 结构前3阶周期及振型

表4 8度多遇地震下结构地震信息

方案一与方案二两种结构体系的各项抗震指标(质量比、侧向刚度、受剪承载力、层间位移角等)均满足现行规范要求。由表3,表4可知,方案一的集中质量明显大于方案二,1层,2层,3层分别高出0.00%,34.89%,33.81%;方案一横向、纵向的楼层剪力均大于方案二,其中,横向层间剪力1层,2层,3层方案一分别大于方案二26.78%,49.32%,13.35%,纵向层间剪力1层,2层,3层方案一分别大于方案二25.74%,28.33%,21.01%。可见,在满足规范要求的前提下,钢筋混凝土井字楼盖结构体系所分配的地震力明显大于预应力混凝土楼盖结构体系。由表4可以得出,方案一与方案二在横向、纵向各层的层间位移相差不大。

3.2 两种方案梁的裂缝与挠度对比分析

根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范相关规定,钢筋混凝土受弯构件的最大挠度及最大裂缝宽度应按荷载的准永久值,并考虑荷载长期作用的影响进行计算;预应力混凝土受弯构件的最大挠度及最大裂缝宽度应按荷载的标准值,并考虑荷载长期作用的影响进行计算。计算时,裂缝控制等级为三级。

方案一:普通钢筋混凝土井字楼盖第二层最大裂缝宽度w12=0.35

方案二:预应力混凝土楼盖第二层最大裂缝宽度w12=0.16

3.3 两种方案柱配筋对比

为了比较不同楼盖形式对框架柱的受力及配筋的影响,两种方案柱均采用相同的混凝土强度等级和相同的截面。利用PKPM软件进行整体结构分析,求解各主要承重构件的内力值。经计算,普通钢筋混凝土井字楼盖结构各层柱配筋及柱轴压比见图3,预应力混凝土楼盖结构各层柱配筋及柱轴压比见图4。

从图3,图4可以看出,框架柱在同一楼层、同一位置X,Y向配筋,预应力混凝土楼盖结构体系均小于普通钢筋混凝土楼盖结构体系。同时,方案二柱轴压比也小于方案一。由此可以说明,大跨度楼盖结构采用预应力混凝土结构形式可有效地减小柱的受力及配筋。

4 不同结构方案的技术经济比较

针对上述普通钢筋混凝土井字楼盖结构模型和预应力混凝土楼盖结构模型,采用 PKPM进行普通混凝土结构的计算;采用 PKPM “预应力混凝土结构二维设计”对预应力混凝土结构进行计算。

经计算,方案二中预应力混凝土梁中需配置预应力筋Z-4φs15(200,180,200)。

4.1 工程量对比分析

经计算,普通钢筋混凝土井字楼盖结构和预应力混凝土楼盖结构各层各构件混凝土及钢筋工程量分别见表5,表6。

表5 方案一工程量统计

表6 方案二工程量统计

从表5,表6可以看出,方案二较方案一混凝土及钢筋的用量小,混凝土用量降低了29.68%,钢筋用量降低了23.16%,主要由于方案二中2层、3层楼盖梁混凝土及钢筋工程量较方案一显著降低,方案二中柱钢筋量较方案一也有减小。

由此可见,采用预应力混凝土楼盖结构比普通钢筋混凝土井字形楼盖更经济。

4.2 综合经济技术比较分析

两种不同楼盖结构的各项经济指标对比见表7,在表7中,各种材料的单方造价(只含直接费)如下:混凝土350元/m3,普通钢筋5.5元/kg,有粘结预应力筋13元/kg[2-3]。

由表7可知,只考虑材料直接费用,方案二单方造价较方案一可节约348.18元,方案一材料费用为方案二的1.3倍。由此可见,设计方案二在结构受力及经济造价方面均优于方案一。

表7 方案一与方案二的经济比较

5 结论

1)大跨预应力混凝土楼盖结构各楼层质量及地震力均小于普通钢筋混凝土井字形楼盖结构,整体抗震性能优于普通钢筋混凝土井字形楼盖结构。

2)预应力筋配置对控制裂缝和减小挠度作用显著。

3)采用预应力混凝土楼盖结构可有效地减小柱的受力及配筋。

4)从材料直接费角度,大跨预应力混凝土楼盖结构造价低于普通钢筋混凝土井字形楼盖结构,更经济合理。