框架核心筒结构体系的优化

(太原理工大学，山西 太原 030024)
摘 要：文章以井字梁、预应力夹层板楼盖和主——次梁三种楼盖结构体系为研究对象，利用建筑结构计算软件pkpm，对这三种结构体系在相同荷载作用下弯矩、剪力、挠度、楼板裂缝宽度的数值进行了分析，并通过计算得出相应的钢筋使用量，使建筑物在满足受力及规范的条件下达到造价、施工、功能等各项技术条件的最优。并且，以一高层公共建筑为具体实例，研究了楼盖体系的选择。
关键词：框架核心筒；主——次梁；井字梁；预应力夹层板；优化
中图分类号：TU318  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)02—0108—02
1 概述

楼盖结构是建筑结构的主要水平分体系。正确地确定楼盖结构体系十分重要，因为它将决定作用于建筑物各种作用力的走向，从而影响建筑物的竖向承重体系，影响地基与基础的承载能力。楼盖的厚度(即板面至梁底的高度)将影响建筑物的层高和总高度；楼盖结构形式往往对房屋顶棚的艺术处理有直接影响；楼盖结构布置还与室内设备和管道布置有密切关系；此外，能否经济合理地选择楼盖结构还会在较大程度上影响工程造价。

对所有的建筑物来讲，楼盖体系方案的选择要考虑：建筑空间功能所要求的开间大小及其跨度的长宽比、活荷载的大小、规划设计所限定的结构层间容许高度、所需对结构总体系整体刚度的贡献大小和允许的边支撑条件等。对高层建筑来讲，尽管其楼盖体系和多层建筑基本相同，但确有一些问题会在高层建筑中变得更加突出和重要。

高层建筑往往都有几十层，由于楼盖的结构高度将直接影响建筑物的总高度及其抗侧力效应，所以高层建筑中的楼盖结构高度就变得非常重要，必须认真地去比较和选择最佳的楼盖体系设计方案，并认真确定其构件的截面高度。

本文以井字梁、预应力夹层板楼盖和主——次梁三种楼盖结构体系为研究对象，利用建筑结构计算软件pkpm对这三种结构体系在相同荷载作用下进行弯矩、剪力、挠度、楼板裂缝宽度的数值分析，并通过计算得出相应的钢筋使用量，使建筑物在满足受力及规范的条件下达到造价、施工、功能等各项技术条件的最优。并且，以一高层公共建筑为具体实例，研究楼盖体系的选择。
2 三种楼盖体系的基本概念及计算特点
2.1 主——次梁楼盖体系
2.1.1 基本概念。从某种意义上来讲，主——次梁楼盖体系实质上就是对单向板梁楼盖结构的一种改进，用较大跨度的主梁来取代短向密集布置的柱子，从而提供了更为宽敞的无柱空间。所以，主——次梁楼盖虽然存在着结构高度较大(与平板和双向密肋体系相比)和模板制作比较复杂(与平板和双向板——梁体系相比)的问题，但有以下绝对优势：

①主——次梁楼盖混凝土平均折算厚度很小，可与双向密肋一样，重量较轻。②开间很大，对于预应力混凝土主-次梁楼盖来讲，它的经济使用跨度可以做到(9～12)ｍ×(13.5～18)ｍ。③承载能力大，活荷载可以达到10～20KN/m²，甚至更大。④对框架结构的整体刚度贡献比平板和双向密肋要大得多。
2.1.2 柱网和主、次梁的合理布局。一般来讲，主——次梁楼盖体系的传力途径是：楼面荷载直接作用在比较薄的单向板上，首先传给次梁，再由次梁通过受弯传给主梁，最后由主梁从一个方向传给柱子。主、次梁楼盖一般以短跨为主梁，长跨为次梁，而且短跨与长跨的比例小于0.75，相对比较经济。一般比较常用的主、次梁跨度比取0.65～0.7比较适宜，这样设计计算出来的主、次梁截面高度能协调一致，做到梁底齐平，从而保证楼盖的结构高度最小，不但经济而且美观。
2.2 井字梁楼盖体系
2.2.1 井字梁的基本概念。钢筋混凝土井字梁是从钢筋混凝土双向板演变而来的一种结构形式。双向板是受弯构件，当其跨度增加时， 相应板厚也随之加大。但板的下部受拉区的混凝土一般都不考虑它起作用，受拉主要靠下部钢筋承担。因此，在双向板的跨度较大时，为了减轻板的自重，我们可以把板的下部受拉区的混凝土挖掉一部分，让受拉钢筋适当集中在几条线上，使钢筋与混凝土更加经济、合理地共同工作。这样双向板就变成为在两个方向形成井字式的区格梁，这两个方向的梁通常是等高的，不分主次梁，一般称这种双向梁为井字梁(或网格梁)。  

2.2.2 井式梁板结构的常见布置。①正式网格梁的方向与屋盖或楼板矩形平面两边相平行。正向网格梁宜用于长边与短边之比不＞1.5的平面，且长边与短边尺寸越接近越好。②斜向网格梁当屋盖或楼盖矩形平面长边与短边之比＞1.5时，为提高各项梁承受荷载的效率，应将井式梁斜向布置。③设内柱的网格梁当楼盖或屋盖采用设内柱的井式梁时，一般情况沿柱网双向布置主梁，再在主梁网格内布置次梁，主次梁高度可以相等也可以不等。④有外伸悬挑的网格梁单跨简支或多跨连续的井式梁板有时可采用有外伸悬挑的网格梁。
2.3 预应力夹层板楼盖体系
2.3.1 预应力夹层板楼盖的特点
2.3.1.1 同传统的梁板结构相比，在相同的净空高度时，可有效降低结构层高，一般每八到十层的建筑高度，可多盖一个楼层，而造价不变。
2.3.1.2 建筑的各种管线(水、电、暖、信息、消防)，一般可在夹心层中埋设，不用吊顶。
2.3.1.3 夹心层容重只有3.5～4.0kN/m²(仅为混凝土的1/6)，可有效减轻自重。
2.3.2 预应力夹层板楼盖施工流程。预应力夹层板楼盖施工流程依次为：支撑模板→绑扎框梁梁钢筋→铺放夹层板下面层钢筋网片→绑扎暗肋钢筋并铺放预应力钢筋→浇筑下面层混凝土→铺放结构用憎水膨胀珍珠岩夹芯块→铺放上面层钢筋网片并浇筑上面层钢筋混凝土。
3 楼板分析实际应用

举例：该结构为30层办公楼，层高4m，框架核心筒结构，下面分别采用PKPM结构分析软件对主、次梁楼盖体系、井字梁楼盖体系及预应力夹层板楼盖体系进行分析计算。
抽取某一层的计算结果(板配筋，板弯矩，板裂缝，板挠度各项数值)进行对比并得出结论：
3.1 井字梁楼盖为普通混凝土结构中结构性能最好的一种楼盖体系

然而随着楼板跨度的增加及活荷载的增大，混凝土的用量及含钢量也大幅度提高，井字梁的挠度较难控制。此外，井字梁体系模版及钢筋工程量均较大，施工成本较大。
3.2 预应力夹层板楼盖实际上是一种加了预应力的暗井字梁结构

由于在肋梁及框架梁中加了预应力，框架梁高及肋梁截面均可以减少，承载力大幅提高，挠度容易控制。由于在夹芯板中采用了轻质砌块，在保证楼板刚度的同时，减轻了结构自重。因此对建筑结构的竖向构件及基础设计均有利。此方案可采用平板或整体模版施工，楼板钢筋采用预制钢筋网片，可有效节约施工成本。
此体系增加了铺设夹芯板的工序，但因采用平板式模版及预制钢筋网片，所以工期同其他两种方案基本相近。
3.3 主——次梁板结构为较常用的办公楼楼盖体系

结构自重较普通混凝土结构轻。预应力梁承载力大，挠度容易控制。本工程中可以采用普通混凝土梁与预应力混凝土梁结合的布置方法。
4 各楼盖方案技术与经济对比

随着工作的进展，须细化、优化方案，重点是在减轻楼盖自重的同时，使其具有很好的刚度。楼盖结构作为建筑结构的主要水平分体系，在减轻自重的同时，必须顾及总结构体系的承载力与刚度需求。预应力的布置除平衡竖向荷载外，能够抵消部分温度收缩作用。但由于预应力夹层板体系目前在市场上的仍为较新的技术，其设计及建造需由专业顾问及承包商进行。由井字梁、主——次梁的计算结果分析后，在本工程中显示：①主——次梁楼盖结构的配筋与井字梁基本相同，但是主——次梁的施工对于中国地区的施工单位来讲有比较成熟的经验；②主——次梁的施工比井字梁更加简便、快捷。③一般情况下，由于井字梁梁跨较小，楼板厚度可取80～100mm，但本工程中由于装修吊顶及设备装业的需要，楼板厚度至少要取到100mm，所以本工程中该优势无法体现。建议选择主——次梁楼盖体系。
［参考文献］
［1］ 高立人,方鄂华,钱嫁茹.高层建筑结构概念设计［M］.北京：中国计划出版社.
［2］ 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计［M］.北京：机械工业出版社.
［3］ 混凝土结构设计规范 GB50010-2002［S］.
［4］ 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002［S］.
［5］ 建筑抗震设计规范GB50011-2001［S］.
［6］ 梁启智.高层建筑结构分析与设计［M］.广州：华南理工大学出版社.

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