现浇混凝土空心楼盖理论研究与设计

　　摘要：现浇混凝土空心楼盖可以替代传统的现浇钢筋混凝土梁板或密肋楼盖结构体系，具备较多的优点，具有广泛的发展空间。首先，研究了现浇混凝土空心楼盖的受力特点；其次，讨论了现浇混凝土空心楼盖的内力分析方法和内力分析步骤；接着，研究了现浇混凝土空心楼盖的承载力设计；最后，讨论了现浇混凝土空心楼盖的设计参数。
　　关键词：现浇混凝土空心楼盖；内力分析；承载力设计
　　自从上个世纪80年代开始，国内外对现浇空心楼盖的研究取得了很多研究成果。所谓现浇空心楼盖即在楼板内按一定规则放置埋人式内模后，经现场浇筑混凝土而在楼板中形成空心腔的楼板。替代了传统的现浇钢筋混凝土梁板或密肋楼盖结构体系。现浇空心楼盖体系是1999年建设部推广应用的一项新型措施，此种结构具有增加楼层净高、自重轻、隔音保温效果更佳，总造价低等特点，经济效益和社会效益特别显著，现浇混凝土空心楼盖会有更广泛的使用空间。
　　1现浇混凝土空心楼盖的受力特点
　　1)单向埋设填芯管会在楼盖内造成两向非均匀的纵向剪切变形，主要表现在楼盖的两向横截面上，芯管顶面和底面以外截面的转角和管径范围内的截面转角不一致，即楼盖的两向截面变形后不再保持平截面，管径范围外的上、下表皮截面有“错动’’现象，这种“错动”对楼盖承载力的影响还需加以深入的研究。
　　2)对于方形平面柱网的楼盖，关于柱网的对角线对称位置，楼盖的两向变形及内力分布不具有对称性。
　　3)在梁板式楼盖中，框架梁边密肋将协同框架梁工作而分担梁的部分内力，对于方形平面的柱网，在框架梁刚度相等时，密肋向框架梁的挠度及内力均小于空腹向，但两向框架梁的内力及挠度相差均只有10％左右。
　　4)框架梁的刚度对板的内力有较大的影响，当板梁等高时，楼盖演化为无梁楼盖，板的两向负弯矩峰值出现在柱网角区，逐步提高框架梁的刚度，柱网角区的楼盖负弯矩逐渐降低，而楼盖在框架梁跨中截面附近的负弯矩逐渐增大，当框架梁无限刚时，例如楼盖支承于剪力墙上，则两向负弯矩峰值均出现在支承边的中间截面附近。
　　5)对于矩形平面柱网，布管方向对楼盖竖向荷载的传递、板的内力及挠度分布均有明显影响，柱网的长边与短边之比不大于2时，沿楼盖短向布管，传至四边的反力峰值较为接近，即传至框架梁上的竖向荷载可近似按负荷面积分配，如沿楼盖长向布管，则长边和短边反力的峰值差异较大。
　　2现浇混凝土空心楼盖的内力分析
　　柱支承板是由柱支承的沿柱轴线无梁或带柔性梁的楼板，根据柱支承板楼盖结构的受力特点，规程给出了三种内力分析方法：拟梁法，拟梁法是忽略了拟梁之间剪切和扭转影响的简化计算方法，对承受竖向均布荷载的多区格柱支承楼盖采用拟梁法进行分析时，应根据楼盖的具体情况，选取包括边区格在内的多个区格，并取拟梁为连续梁进行分析。直接设计法、等代框架法都是按两个方向分别计算，且两个计算方向均应考虑全部荷载作用。由于按纵、横两个方向分别计算，计算结果主要取决于计算板带(等代框架梁)在宽度方向上的刚度分布。空心楼板两个方向的刚度差异对结果影响较小，故两种计算方法均可忽略筒芯楼板两个方向的刚度差异。直接设计法参照了钢筋混凝土楼板试验和已有的工程经验，选定了适用于钢筋混凝土楼盖分析的弯矩分配系数。
　　（1）结构布置
　　确定板厚、填芯管外径及肋间距，绘制楼盖布管图。填芯管沿柱网短跨方向布置，每柱网内扣除框架梁宽度后的范围为填芯管的布管区域，该区域不一定能被肋间距等分，因此较大的肋间距可通过改变肋宽调整至框架梁边附近。
　　（2）忽略轴向刚度和剪切刚度的影响，按两向抗弯刚度相等原则将空心楼盖折算为等代密肋楼盖。
　　（3）楼盖计算模型确定及内力分析
　　为减少设计工作量，且确保楼盖具有足够的安全度，现浇空心楼盖的承载力可采用柱上板带和跨中板带的最大内力进行计算，折算刚度归并法正是基于寻找板带的最大内力而提出。根据所用软件的解题能力，适当保留柱上板带的网格梁，而将楼盖其余密肋梁刚度叠加为跨中位置的一根归并梁计算，归并梁的截面宽度为：
　　（1）
　　式中：为等代密肋梁的截面宽度；为等代密肋梁的叠加根数。这样，即将空心楼盖简化为框架梁边为密肋梁而跨中为交叉梁的楼盖，用于计算内力。
　　3现浇混凝土空心楼盖的承载力设计
　　(1)框架梁的设计
　　与采用块体单元所进行的有限元分析相比较，折算刚度归并法计算的框架梁内力，空腹向框架梁跨中正弯矩增大了15％左右，支座负弯矩减小了5％左右；密肋向框架梁跨中正弯矩增大了5％左右，支座负弯矩减小了5％左右；两向框架梁的最大剪力值与有限元分析结果相当。采用折算刚度归并法时，为确保框架梁的设计安全，其内力可不再调幅。
　　(2)空心板的设计
　　(a)内力取值
　　现浇空心板的承载力设计应按柱上板带和跨中板带分别进行，柱上板带的承载力可用框架梁边第一根密肋梁的内力控制，而对于跨中板带，利用归并梁扩大20％后的内力除以密肋梁的归并根数得到单根密肋梁的内力，即：
　　(2)
　　(3)
　　其中：，分别为归并梁扩大20％后的弯矩和剪力设计值，为等代密肋梁的叠加根数，则可计算跨中板带的承载力。楼盖配筋分区配置，分区宽度参照无梁楼盖执行，可确保结构安全。
　　（2）抗弯强度设计
　　现浇空心板密肋向的抗弯承载力按T形截面计算，而空腹向为变截面的二字形截面，需将该向密肋梁的计算弯矩转化为轴力：
　　（4）
　　式中：为空腹向密肋粱的弯矩，上、下表皮的形心间距，为表皮的厚度。然后按轴心拉(压)构件计算其正截面承载力，截面计算宽度取空腹向折算网格间距，抗弯强度设计时，空心楼盖的最小配筋率可按《混凝土结构设计规范》执行，但对于空腹向，单侧纵筋的配筋率应按二字形截面计算，截面宽度取。
　　（3）抗剪强度设计
　　填芯管管顶或管底所在截面是容易开裂的部位，当该处裂缝沿密肋向延伸时，容易导致原来的双向受力体系演变为单向受力体系，因此密肋向的抗剪承载力可按一般受弯构件根据《混凝土结构设计规范》计算。根据现浇空心楼盖的实际构造，空腹向很难单独配置抗剪腹筋，因此其抗剪承载力主要由混凝土提供，而空腹向的受力类似于空腹桁架，除计算横剪力作用下的抗剪承载力外，还应验算垂直于填芯管方向肋最窄处截面的抗剪承载力，以考虑表皮错动对肋的影响。[!--empirenews.page--]
　　对于填芯管间密肋最窄处截面，节问不平衡弯矩造成的剪力值可按下式计算：
　　（5）
　　其中：和可用节间最大计算弯矩和按式(4)计算。
　　为加快设计进度，现浇空心楼盖的承载力可采用截面复核方式计算，即预先根据常用的抗弯和抗剪钢筋规格编制配筋的承载力选用表，再根据弯矩包络图和剪力包络图分区直接选配钢筋，只是对管间密肋最窄处的抗剪验算稍显繁琐，因为需要计算空腹向折算梁在密肋两侧的不平衡弯矩，一般而言，对于周边与框架梁整浇的楼盖，弯矩变化梯度较陡处往往在柱上板带，只要找出该处由不平衡弯矩造成的，则可控制住管间密肋的厚度。
　　4现浇空心楼盖的设计参数
　　现浇混凝土空心楼盖是特殊的双向肋板，其结构的基本参数，不同于均质板，也不同于单向肋板。下面将研究现浇空心板的弹性模量、泊松比等基本参数的计算公式。
　　泊松比是单向均匀拉伸或压缩时，在横向产生的应变与受力方向应变的比值。空心板宏观泊松比，可以通过施加板面内轴向均匀压力，计算两方向变形，由变形的比值得到。
　　因此在板面内轴向均匀压力作用下，可采用如下假定：
　　(1)忽略肋的厚度影响，包括忽略肋引起的肋间板应力的波动。
　　(2)忽略肋的厚度影响，在板面内轴向压力作用下，纵横肋的应力均匀分布。
　　对于现浇混凝土空心板，顺压力方向为纵肋，垂直压力方向为横肋。首先忽略横肋，则双向肋板变为单向肋板。这时纵肋、肋间板均不受约束地自由变形，可以推论肋板侧向变形应与均质板的变形相同。因此单向肋板在纵肋方向的泊松比，与基本材料的泊松比相同。
　　加上横肋后，由于变形协调，横肋的应变与板的侧向应变相同。同时由于横肋不直接受力，其应变不是由于纵向受压产生的应变，因此横肋的应变是由于肋间板对横肋的约束作用。
　　参考文献
　　[1]谢靖中．现浇空心板宏观基本本构关系[J]．土木工程学报，2006，39(7)：57-62．
　　[2]杨建军，杨承想，王金，等．单向布置筒心的混凝土空心板两向抗弯刚度比较[R]．长沙：中南大学土木建筑学院，2005．
　　[3]CECS175：2004，现浇混凝土空心楼盖结构技术规程[S]

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