大跨雙向預應力密肋樓蓋-剪力墻結構體系設計探索

徐 迪

(上海建筑設計研究院有限公司，上海200041)

引言

當前，隨著我國建筑業的蓬勃發展，各種新型結構體系日益增多，這對建筑結構設計帶來了新一輪的挑戰。密肋樓蓋是一種比較經濟合理的樓板體系，在日常工程中有較多應用，不僅自重輕，還有較好的凈空高度。常規工程中密肋樓蓋一般應用于跨度或柱網小于或等于12 m的結構體系中，但是當跨度大于12 m甚至達到26 m，且存在14 m懸挑結構時，密肋梁如何布置，如此大跨度密肋樓蓋撓度裂縫如何保證，結構施工圖如何設計等一系列問題成為技術難點。本文以實際工程為例，結合近幾年大跨度密肋樓蓋的研究成果，探索大跨雙向預應力密肋樓蓋-剪力墻結構體系的設計方法。

1 工程概況

某項目位于上海市嘉定區，擬建項目以研發辦公、產品試制用房為主，配合部分園區服務中心和商務配套用房。地上總建筑面積約16 m2，地下總建筑面積約4.5萬 m2。整個項目分為A、B、C、D和E等5個地塊，各地塊均包含若干單體。其中B地塊包括1T座、2T座、3T座、4T座共4個組合，每個組合包括若干棟樓，共計15棟小面積的3層塔樓、7棟大面積的5層塔樓，以及包圍塔樓的2層裙房。本地塊無地下室。每棟樓標準層平面形狀為不規則多邊形，僅在周邊布置有墻，中間無柱，樓蓋跨度從12 m到26 m。典型樓面形勢、典型剖面、典型立面如圖1、2、3 所示。

圖1 典型樓面形式

圖2 典型剖面

根據建筑設計，立面窗洞呈不規則的形式，上下不對齊，如圖3所示。

圖3 典型立面形式

本地塊各單體均由2層裙房作為各塔樓的底盤。裙房呈方形，邊長約50～70 m。其中二層樓面為室外平臺，三層樓面則為輕型屋面(無防水、保溫功能)。根據建筑設計要求，首層柱應盡量少，故造成二層樓面有大量懸挑，最大懸挑跨度達9～14 m。

2 大跨雙向預應力密肋樓蓋-剪力墻結構體系受力分析及設計

本地塊建筑單體樓蓋跨度大，且不能立柱，因此需要一種有效的梁板樓蓋體系以承受豎向荷載并傳遞水平力。由于密肋樓蓋有良好的整體性，且剛度大，承載力高，抗震性能好，因此樓蓋采用雙向密肋樓蓋。根據本地塊建筑設計特點，塔樓部分結構選型采用剪力墻結構體系，裙房部分布置跨度不等的柱僅傳遞豎向荷載。整體結構抗側力為剪力墻體系以承擔密肋梁在水平荷載作用下所產生的彎矩和剪力。剪力墻主要沿外立面布置，內部電梯井道、樓梯間、設備管井等亦布置有剪力墻。由于樓蓋跨度達12～24m，故擬采用雙向預應力密肋體系，如圖4所示。裙房二層結構的密肋體系如圖5所示。

圖4 典型塔樓結構平面

圖5 典型裙房二層結構平面

結構整體計算采用SATWE進行結構整體分析。裙房三層則采用鋼管柱+H型鋼梁+壓型鋼板輕型屋面體系，不參與整體抗側作用，僅考慮豎向荷載和風荷載。由于外立面窗洞上下錯位，因此墻板須進行細致的有限元分析，于是采用PMSAP進一步分析，找出應力集中部位，并予以加強。具體做法為沿外墻在樓面標高處設置圈梁，厚度大于墻厚，作為洞口加強。在SATWE中完成整體結構分析后，將模型轉入復雜樓板有限元計算模塊(SLABCAD)進行密肋樓蓋的分析計算，以保證復雜樓蓋板計算分析的準確性及精度。

本地塊各單體不規則性主要表現為:1)二層外挑超過4 m;2)二層平面處，分裂為多個塔樓，4T塔樓偏置;3)二層平面有樓面大開洞;4)外墻洞口上下不對齊，形成豎向不規則。針對所存在的不規則性，結構設計采取以下措施以保證計算分析的準確性和結構的安全合理性:1)整體計算時將按彈性樓板、多塔進行，充分考慮多塔、樓板洞口的不利影響;2)錯洞墻板進行有限元分析，配筋設計考慮應力分析結果;3)靠近凹口兩側的暗柱箍筋全高加密;4)二層樓面作為上部多塔的底盤屋面將予以加強，特別是多塔之間的連接屋面將予以加強;5)密肋樓蓋跨度較大，采用雙向預應力密肋梁以滿足撓度要求。結構整體計算分析主要結果如表1所示。圖6為4T樓最大樓蓋PKPM梁平法施工圖模塊梁板共同作用計算撓度，均滿足規范要求，后期進行預應力設計便能滿足舒適度要求。

表1 結構整體計算分析主要結果

圖6 密肋樓蓋計算撓度圖

3 結構施工圖設計

本工程剪力墻眾多，從而導致大量邊緣構件設計，雖然數量眾多，但比較常規，不難下手。但是密肋樓蓋的配筋難度較大，由于樓蓋跨度較大，從而導致密肋梁跨中及支座處配筋較大，且樓蓋平面形狀不規則，無規律可循，因此一般的梁平法標注及統一說明無法應用，再者考慮到經濟性要求，不宜對密肋梁全跨拉通配筋。密肋樓蓋配筋的合理性將會直接影響工程整體樓蓋的經濟性、樓板面混凝土開裂狀況以及施工的便利性。密肋樓板的配筋也不同于常規工程中的普通梁板樓蓋體系的板配筋，其主要的受力鋼筋為梁跨中下部受拉鋼筋及支座處負筋。若對密肋梁逐根配筋，又會帶來較大工作量，因此需要一種快捷且準確的配筋方法來解決以上問題。

本工程通過AUTOCAD VBA編程，直接利用PKPM生成的結構平面梁配筋結果圖，讀取其中的梁配筋面積，自動分析配筋面積值，并將定義區間的配筋面積數值轉變為預先定義的特殊符號，用以表示具體的梁配筋方案，具體編程思路及實現方式如圖7所示。

圖7 編程思路及實現方式

通過該VBA程序，生成的密肋梁"配筋云圖"，不僅能夠快速完成梁配筋，而且能夠保證配筋的準確性，同時保證了圖面的簡潔明了，不同顏色錯落有致，具有一定的美觀性，如同應力云圖一般。圖8為最終的結構梁板配筋施工圖。

圖8 結構梁板配筋施工圖

4 結論

(1)大跨雙向預應力密肋樓蓋-剪力墻結構體系具有良好的空間整體性，各階自振周期短，結構側移小，抗震性能優越。

(2)對于復雜樓蓋體系，需要分析精度更高的軟件進行計算分析，避免計算結果的失真。

(3)密肋樓蓋應采用有效的措施加強梁支座剛度及合理的配筋方案，以避免支座及大跨梁梁底混凝土開裂。

(4)利用AUTOCAD VBA編程，快速高效準確地完成密肋梁配筋，能將結構工程師從繁瑣重復的施工圖中解放出來，將更多的靜力用于結構分析，提高結構整體的安全性及經濟性。

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