钢筋砼楼盖结构设计.doc

47钢筋砼楼盖结构设计第一节 概 述一、正确合理地进行楼盖结构设计的重要性楼盖是房屋结构中的重要组成部分。在整个房屋的材料用量和造价方面，楼盖所占的比例是相当大的，因此合理选择楼盖的结构型式、正确合理地进行楼盖结构设计对建筑物的使用、美观以及技术经济指标都具有十分重要的意义。 其重要性具体表现在： （1）、在一幢混合结构的房屋中，楼盖（屋盖）的造价约占房屋总造价的 30%40%；在612 层的框架结构中，楼盖的用钢量约占总用钢量的 30%50%；在钢筋砼高层建筑中，砼楼盖的自重占总自重的 50%60%。因此降低楼盖的造价和自重对降低整个建筑物的造价和自重都是非常重要的。 （2）、减小楼盖的结构高度，从建筑上说，可以降低层高；当总高一定时可以增加层数，对一幢 30 层的楼而言，每层降低 0.1 m 就可增加一层。从结构上说，降低层高意味着减轻自重，也就减小了地震作用，这对建筑结构设计具有很大的经济意义，将直接降低工程造价。 （3）、楼盖（屋盖）结构形式和建筑面层构造的合理选用，直接影响到建筑在隔声、保温、隔热、防水和美观方面的功能要求。 （4）、楼盖结构作为建筑物的水平受力构件，其受力特点和工作性能直接影响整个结构的受力特点和内力分析方法的选用。对保证建筑物的承载力、刚度、耐久性以及提高结构、抗风、抗震性能有着重要的作用。 （5）、楼盖结构设计是结构设计人员必须熟悉和掌握的基本功，它的设计原理、概念和方法可用于桥面结构、筏基、挡土墙、水池等许多结构物的设计中。二、楼盖的结构功能及其分类（一）楼盖的结构功能建筑结构是一个由多种构件组成的空间受力结构体系。按构件的设置方向，可认为它是由水平结构体系和竖向结构体系组成。楼盖是由梁、板等水平方向的构件组成的水平承重结构体系，其基本作用是：（1）、在竖向，直接承受楼盖中梁、板构件及装修面层的重量；承受施加在楼面、屋面上的使用荷载，并传给竖向结构。（2）、在水平方向，把水平力传给竖向结构或分配给竖向结构构件，同时楼盖结构在房屋中起到水平隔板和连接竖向构件的作用，以保证与竖向结构构件空间工作和整体稳定。（二）楼盖结构的分类钢筋砼楼盖的分类： 按其施工方法的不同可分为：现浇楼盖、装配式楼盖、装配整体式楼盖等型式。（1）现浇砼楼盖整体刚度大，抗震性能好，对不规则平面和开洞的适应性。在地震区应用较多，其缺点是需要大量模板，工期也长。（2）装配式砼楼盖中主要由多孔板及槽形板等铺板组成，其施工进度快，但整体刚度差，在混合结构房屋中应用较多。（3）装配整体式砼楼盖是在铺板上做砼现浇层，它兼有现浇楼盖和装配式楼盖的优点。 图31 楼盖的结构类型 按其梁系布置方式的不同又可分为：普通肋梁楼盖、井格梁楼盖、密肋楼盖、扁梁楼盖和无梁楼盖等（图31）；肋梁楼盖按其楼板的支承受力条件不同，还可以分为单向板肋梁楼盖和双向板肋梁楼盖等。随着预应力砼技术的不断更新和发展，为了克服普通钢筋砼楼盖用料多，自重大的缺点，目前一种新型的楼盖结构型式一一“无粘结预应力砼楼盖”，也正在广泛地得到应用和发展。1、肋梁楼盖结构、肋梁楼盖结构的特点现浇肋梁板结构是最常见的水平向承重结构型式之一，它的应用范围很广，既可作为房屋建筑的楼盖与片筏式基础，又可作为水池的顶板、侧板和底板结构等。它适用于各种竖向承重结构，如砌体承重结构、框架承重结构等，当结构受到侧向荷载作用时，楼盖梁也可同时作为抗侧力结构中的梁。现浇钢筋砼肋梁楼盖结构整体性好，节省材料，梁系布置灵活，特别能适应各种有特殊要求的楼盖，如承受某些特殊设备荷载，或楼面开有较复杂孔洞，或建筑平面布置不规则等。但肋梁楼盖结构高度较大，主次梁的截面规格多变，施工支模较为复杂。板底不平整，一般需做吊顶方能满足建筑美观要求。、肋梁搂盖的组成与结构布置现浇肋梁楼盖结构一般由板、次梁和主梁三种构件组成，见图32。 在肋梁楼盖结构布置时，首先应根据房屋的平面尺寸、使用荷载的大小以及建筑的使用要求确定承重墙位置和柱网尺寸。图32 现浇肋梁楼盖 考虑到经济、美观以及施工的方便，柱网通常布置成方形或矩形。 主梁一般沿墙轴线或柱网布置，以形成完整的竖向抗侧力体系。 梁系的布置应考虑到楼板上隔墙、设备的重量及楼板上的开洞要求等，板上一般不宜直接作用较大的集中荷载，隔墙处、重大设备处及洞口的周边都应设梁加强。 梁板布置应力求受力明确，传力路线简捷，并尽量布置成等跨，板厚和梁的载面尺寸在整个楼盖中力求统一有规律。 在肋梁楼盖中，柱或墙的间距往往决定了主梁和次梁的跨度。、根据设计经验及经济效果，一般次梁的跨度以46m为宜；主梁的跨度以58m为宜。、由于楼盖中板的砼用量要占整个楼盖砼用量的5070，考虑到经济的因素，板的厚度宜取得薄些。为此应控制板的跨度，单向板的跨度以3m以下为宜，常用的跨度为1.72.5m。方形双向板的区格不宜大于5m5m；矩形双向板区格的短边不宜大于4m。 几种常见的楼盖结构布置方案如图33所示。图33 几种常见的楼盖结构布置方案2、井格梁楼盖结构 井格梁结构作为楼盖或屋盖在工业与民用建筑中应用较为广泛，特别在礼堂、宾馆及商场等一些大型公共建筑人口大厅、会议室中常被采用。作为屋盖时常取消楼板而采用有机玻璃采光罩或玻璃钢采光罩，以满足建筑物采光的要求，造型上也颇为新颖壮观（图34）。 图34 北京政协礼堂井格梁式楼盖、井格梁楼盖结构布置井格梁楼盖是由肋梁楼盖演变而来的，是肋梁楼盖结构的一种特例。其主要特点是两个方向梁的高度相等且一般为等间距布置，不分主次共同直接承受板传来的荷载，两个方向的梁共同工作，提供了较好的刚度，能够满意地解决如大会议室、娱乐厅等大跨度楼盖的设计问题。梁布置成井字形故也称井式楼盖，亦称交叉梁楼盖，可以不做吊顶即能给人一种美观而舒适的感觉。（a）正放正交 （b）斜放正交 （c）三向交叉图35 交叉梁系交叉梁系的布置常用的有正放正交，斜放正交、三向交叉等几种（图35）。三种井格梁系相比，砼和钢筋用量相差不多，但由于正放正交梁系施工和模板制作较为简单而较多地得到采用。井格梁楼盖两个方向梁的间距最好相等，这样不仅结构比较经济合理、施工方便，而且容易满足建筑构造上不做吊顶时对楼盖天花的美观要求。井格梁楼盖一般有四角柱支承与周边支承两种。周边支承的井格梁楼盖四周最好为承重墙，这样能使井格梁都支承在刚性支点上；若周边为柱子，应尽量使每根梁都能直接支承在柱子上。、井格梁楼盖的受力特点 井格梁楼盖属空间受力体系，其内力分析与变形计算是一个十分复杂的问题。要较准确地对井格梁楼盖进行受力分析，大都采用有限单元法，借助电子计算机来完成。目前在工程设计中，还常常采用“荷载分配法”来近似地解决井格梁楼盖的受力分析问题。井格梁楼盖中的楼板一般可按双向板计算，板上的荷载按路径最近的原则传至相近的井格梁节点。井格梁楼盖中两个方向的梁只考虑主要的竖向变形协调，忽略次要的转角变位，即认为在同一个交叉点上两个方向梁的挠度是相同的，它们之间可以假定为一根链杆相互连系在一起，在交叉点上受着集中荷载P的作用，链杆承受的力为多余未知力，见图37。a) 平面图象 b）梁的计算简图图37正放正交梁系受力分析这样，便可以根据两个方向梁的刚度和其交叉点挠度相同的条件计算出每根梁所受的荷载及其相应的内力。目前，根据“荷载分配法”编有各种井式楼盖梁的内力、变形计算表格，设计时可以直接查用。 井格梁楼盖梁的间距一般大于2m。梁的截面高度一般可取跨度的1/151/20。3、密肋楼盖结构图 39无梁楼盖 当梁肋间距小于1.5m时的楼盖常称为密肋楼盖，适用于中等或较大跨度的公共建筑，也常被用于筒体结构体系的高层建筑结构。密肋楼盖有单向密肋楼盖和双向密肋楼盖两种型式。双向密肋楼盖由于是双向受力作用，受力较单向密肋楼盖合理，且双向密肋较单向密肋的视觉效果要好，可不吊顶，与一般楼板体系对比，由于省去了肋间的砼，可节约砼3050，降低楼板造价，技术经济合理，故近年来在大空间的多高层建筑中得到了广泛的应用。密肋楼盖可为普通砼结构，适用跨度可达10m，也可为预应力砼结构，适用跨度可达15m。4、无梁楼盖无梁楼盖是因楼盖中不设梁而得名，它是一种双向受力楼盖，它与柱构成板柱结构体系（图 39）。因为无梁楼盖通常直接支承在柱上（其周边也可能支承在承重墙上）,故与相同柱网尺寸的双向板肋梁楼盖相比，其板厚要大些。为了增强板与柱的整体连结，通常在柱顶上设置柱帽，这样可提高柱顶处板的受冲切承载力，又可有效地减小板的计算跨度使板的配筋经济合理。当柱网尺寸较小且楼面活荷载较小时，也可以是无柱帽的。柱和柱帽的截面形状可根据建筑的要求设计成矩形或圆形。无梁楼盖的建筑构造高度比肋梁楼盖的小，这使得建筑楼层的有效空间加大，同时，平滑的板底可以大大改善采光、通风和卫生条件，故无梁楼盖常用于多层的工业与民用建筑中，如商场、办公楼、书库、冷藏库、仓库、水池顶盖以及某些整板式基础等。无梁楼盖根据施工方法的不同可分为现浇式和装配整体式两种。其中装配整体式系采用升板施工技术，在现场逐层将在地面预制的屋盖和楼盖分阶段提升至设计标高后，与柱通过柱帽整浇在一起，由于它将大量的空中作业改在地面上完成，故可大大提高进度。其设计原理，除需考虑施工阶段验算外，与一般现浇无梁楼盖相同。 无梁楼盖的四周边可支承在墙上或边柱的墙梁上，也可做成悬臂板。设置悬臂板可有效减少柱帽种类。当悬臂板挑出的长度接近中间区格跨度的l/4时，边支座负弯矩约等于中间支座的弯矩值，因而较为经济。 无梁楼盖每一方向的跨数常不少于三跨，可为等跨或不等跨。通常，柱网为正方形时最为经济。5、无粘结预应力砼楼盖结构 、无粘结预应力楼盖的特点 无粘结筋可如同非预应力筋一样，按照设计要求铺设在模板内，然后浇筑砼，待砼达到设计强度后，再张拉钢筋，预应力筋与砼之间没有粘结，张拉力全靠锚具传到构件砼上去。因此，无粘结预应力砼结构，不需要预留孔道、穿筋及灌浆等复杂工序，操作简便，加快了施工进度。无粘结预应力筋摩擦力小，且易弯成多跨曲线形状，特别适用于建造需要复杂的连续曲线配筋的大跨度楼盖和屋盖结构。 单就施工造价而言，预应力砼楼盖比普通砼楼盖要高。但采用无粘结预应力砼楼盖结构具有如下特点：1） 有利于降低建筑物层高和减轻结构自重；2） 改善结构的使用功能，在自重和准永久荷载作用下楼板挠度很小，几乎不存在裂缝；3） 楼板跨度增大可以减少竖向承重构件的布置，增加有效的使用面积，也容易适应对楼层多用途、多功能的使用要求；4） 节约钢材和砼。因此，总的来说，采用预应力砼楼盖是非常经济合理的。、无粘结预应力楼盖的组成及其适用范围无粘结预应力楼盖常见的形式如教材图311（ 108 ）所示。 单向板（图311a）常用跨度为69m。 对于跨度在 712m、使用可变荷载在以下的楼盖，采用双向平板（图311b）或采用带有宽扁梁的板（图311c），比采用单向板要经济合理得多。 若建筑物跨度或使用可变活荷载更大时，采用带柱帽和托板的平板（图311d）、密肋板（图311e）或梁支承的双向板（图311f），将会比前两者更为经济合理。 6、组合楼盖结构在组合楼盖中，目前用得最多的是钢与砼组合楼盖（教材图312 108 ）。它构成的基本前提是：型钢与砼之间必须密实结合，在构件受力变形时接触面无相对滑移或滑移在微小的容许限度内。直至破坏前，组合楼盖都是一个共同受力的整体。组合结构不仅能更好地发挥各自材质的优点，而且其承载能力将大大超过单纯的钢结构或砼结构。 、钢一砼组合楼盖结构的特点 （1）、能充分发挥砼和钢材各自材料的力学性能，使砼受压，钢材受拉，经济合理，节省材料，尤其对重载结构更为有利； （2）、适合于采用更高强度的钢材和砼，因而可减少截面尺寸，降低自重，增大建筑的使用空间，尤其是适用于较差的地基条件和大跨度结构； （3）、受力变形时，可产生较大应变，吸收能量大，因而塑性、韧性、耐疲劳性、耐冲击性等均好，很适合于抗爆、抗震结构工程的楼盖；（4）、施工中浇注砼时，压型钢板可同时作为模板，因而可省去模板，方便施工。（5）、压型钢板的凹槽内便于铺设电力、通讯、通风、空调等管线，还能敷设保温、隔音、隔热等材料，也便于设置顶棚或吊顶。、组合楼板的构造要求 组合板的总厚度h不应小于90mm，压型钢板翼缘以上砼的厚度hc不应小于50mm。 组合板应设置分布钢筋网，其作用是承受收缩和温度应力，并可以提高火灾时的安全性，对集中荷载也可起到分布作用。分布钢筋两个方向的配筋率中均不宜少于0.002。 在有较大集中荷载区段和开洞周围应配置附加钢筋。当防火等级较高时，可配置附加纵向受拉钢筋。 支承于钢梁上的组合板，支承长度不应小于75mm，其中压型钢板的支承长度不应小于50mm。支承于砼上时，支承长度不应小于100mm，压型钢板的支承长度不应小于75mm。7、装配式及装配整体式楼盖结构在多层民用房屋和工业厂房中，广泛应用着装配式和装配整体式钢筋砼楼盖，这种楼盖与现浇楼盖相比，有加快施工速度、缩短工期和节约模板的优点。 、装配式钢筋砼楼盖图313板的截面型式 装配式钢筋砼楼盖的型式很多，大致可以分为铺板式、密肋式和无梁式等，现只介绍应用最为广泛的铺板式。 铺板式楼面是将预制板搁置在承重砖墙或楼面梁上，预制板的宽度视制作、吊装和运输设备而定，可以从300mm到整个房间宽度，长度一般为26m。预制板有实心板、空心板、槽形板、单T板、双T板等（图313），其中空心板应用最为广泛。它们可以是预应力的，也可以是非预应力的。（1）、实心板（图3.13a） 实心板上下表面平整，制作简单。小型的实心板跨度为1.22.4m，板厚，常为50100mm，板宽约5001000mm。适用于荷载不大，跨度较小的走道、地沟盖板和楼梯平台板等处。大型的实心板尺寸可与房间平面尺寸相同，双向布置预应力钢筋，可作为高层建筑的楼盖结构，具有较好的整体性和抗震性。 （2）、空心板（图3.13b） 空心板上下表面平整、自重轻、刚度大、隔音隔热效果较好，但板面不能任意开洞。故不适用于厕所等开洞较多的楼面。 空心板的空洞可为圆形、正方形、长方形、椭圆形等，孔洞数目视板宽决定。目前国内民用建筑中常用圆孔空心板。 普通钢筋砼空心板板厚；预应力砼空心板厚；板厚通常有120mm、180mm和240mm。空心板的宽度常用500mm、600mm、900mm、1200mm。板的长度视房屋开间或进深的长度而定，一般有3.0m、3.3m、3.6m6m等。 （3）、铺板式楼盖的布置 铺板式楼盖板的布置可以根据房屋的总体承重方案确定，一般有下列3种布置方案：. 横墙承重. 纵墙承重. 纵横向承重、装配整体式楼盖 装配整体式楼盖是将预制构件吊装就位后，再现浇一部分砼，使预制构件连成整体的楼盖。这种楼盖所需模板量很少，施工速度快，当为了提高预制装配楼盖的整体性或提高预制楼板的承载能力时，常采用装配整体式楼盖。设计中一般根据房屋的性质、用途、平面尺寸、荷载大小、抗震设防烈度以及技术经济指标等因素综合考虑，选择合适的楼盖结构型式。三、单向板与双向板本章主要介绍钢筋砼肋梁楼盖的设计。如上节所述，按受力特点不同，肋梁楼盖可划分为单向板肋梁楼盖和双向板肋梁楼盖，这里需要先按弹性理论分析其受力特点和划分界限。从整浇式钢筋砼楼盖中取一块板，楼板通常是四边支承的。现以一块四边简支单跨板为例，分析其荷载传递特点，如图314 （ 108 ）。 按弹性理论计算内力时，当板时，称为“单向板”；反之，当时，称为“双向板”。 而按塑性理论计算内力时，则认为当时为单向板，时为双向板。单向板与双向板的主要区别，可用表31概述。 表31 单向板与双向板的主要区别 项次区别内容单 向 板双 向 板1长边短边弹性理论长边短边塑性理论2弯曲变形只考虑短边单向受弯双向受弯3荷载传递荷载全部通过短边单向传递荷载双向传递4受力状态只在短边方向受力双向同时受力5受力筋的配置只在短边方向配筋双向配筋只要板的四边都有支承，单向板与双向板之间就没有一个明显的界限，为了设计上的方便，规范规定： 当时，可按单向板设计； 当时，宜按双向板设计，若按单向板设计，应沿长边方向布置足够的构造钢筋； 当时，应按双向板设计。 若肋梁楼盖的梁格布置通常使每个区格板长短边之比大于2时，称为单向板肋梁楼盖；反之，当长短边之比小于及等于2时，则称为双向板肋梁楼盖。四、梁、板截面尺寸的估算进行楼盖设计时，首先要初定梁、板尺寸。确定梁板尺寸时通常要考虑施工条件、刚度要求、经济性并结合经验选定。1、楼板厚度选定：初选楼板厚度可以考虑以下四个方面：（1）、满足施工条件的最小厚度（见表32）：表32 按施工条件控制的最小板厚（mm）类 别施工方法不埋电线管预埋铁皮管预埋塑料管槽形板、空心板预 制25屋 盖现 浇508090楼盖：民用建筑 工业建筑现 浇现 浇6080100现 浇70100120阳台、雨蓬的根部现 浇100（2）、按工程经验选择板的厚度：屋盖：板的跨度 2.0 m 左右时，h = 6080 mm楼盖：板的跨度 2.0 m左右时，h = 80100 mm整块楼板：板的跨度 3.34.0 m左右时，h = 100120 mm阳台及雨蓬：悬臂板的跨度1.22.0 m 左右时，根部h = 120200 mm（3）、按挠度控制最小板厚（见表33）：表33 板厚与计算跨度之比的最小值项 次板的支承情况板 的 种 类单向板双向板悬臂板无 梁 楼 盖有柱帽无柱帽1简支2连续 注：表中h为板厚；为板的短向计算跨度。（4）、按经济配筋率选择板的厚度：楼板通常有一个经济配筋率，一般为 0.6%0.8%，按单筋梁极限状态时的等效应力图示，由力的平衡方程可得用钢筋和砼强度表达的相对受压区高度：； 式中：b 为板宽，通常取 1000 mm。2、梁的截面确定梁的截面高度确定应考虑如下四个方面的要求： （1）、满足施工条件的梁高限制： 次梁穿过主梁时，为保证次梁主筋位置，次梁高度应比主梁高度至少小50 mm。 为便于施工，梁的高度与宽度应满足 50 mm 的模数；当梁高超过 1 000 mm 时，宜满足 100 mm 的模数。圈梁和过梁宽度应同墙厚，梁高应符合砖的皮数。 （2）、按经验选择梁的高度：梁高在经验高度的范围内，先由设计者结合实际受荷情况确定，配筋后如不合适再做相应调整。按经验初选梁高见表34。表34 按 经 验 估 算 的 梁 高类 型类 别部 位高跨比高宽比整体浇筑的T形架主 梁1/81/1423次 梁1/151/18悬臂梁根 部1/61/8矩形截面独立梁1/121/1523 注：表中 h 为梁高；为梁的计算跨度。 （3）、按变形要求控制的梁高：钢筋砼梁产生裂缝是正常的，但裂缝过宽会给人造成心里不安；同样，挠度较大时虽然可能安全，但影响使用，因此规范对梁的裂缝宽度和挠度要进行限制，见表35。表35 钢筋砼梁允许的最大挠度和最大裂缝宽度屋盖、楼盖及楼梯构件允许的最大挠度允许的最大裂缝宽度（mm）一般要求使用有较高要求钢筋砼构件预应力构件1/2001/250露天0.20.21/2501/300一般0.31/3001/400Q/G Pe）。这说明塑性材料构成的超静定结构，从出现塑性铰到破坏机构形成之间，还有相当大的强度储备，利用这一储备，可以达到节约材料的效果。 （5）、超静定结构的塑性内力重分布，在一定程度上，可以由设计者通过改变截面配筋来控制。如上面例题中，极限荷载相同，但内力重分布情况是不同的。 （6）、钢筋砼受弯构件在内力重分布过程中，构件变形及塑性铰区各截面的裂缝开展都较大。为满足使用要求，通常的作法是控制内力重分布的幅度，使构件在使用荷载下不发生塑性内力重分布。（三）影响内力重分布的因素若超静定结构中各塑性铰都具有足够的转动能力，保证结构加载后能按照预期的顺序，先后形成足够数目的塑性铰，以致最后形成机动体系而破坏，这种情况称为充分的内力重分布。但是，塑性铰的转动能力是有限的，受到截面配筋率和材料极限应变值的限制。 如果完成充分的内力重分布过程所需要的转角超过了塑性铰的转动能力，则在尚未形成预期的破坏机构以前，早出现的塑性铰已经因为受压区砼达到极限压应变值而“过早”被压碎，这种情况属于不充分的内力重分布，在设计中应予避免。 如果在形成破坏机构之前，截面因受剪承载力不足而破坏，内力也不可能充分地重分布。 在设计中除了要考虑承载能力极限状态外，还要考虑正常使用极限状态。如果支座处的塑性铰转动角度过大而导致支座处裂缝开展过宽，跨中挠度增大很多，造成构件刚度的过分降低，在实际工程中也是不允许的。因此，实用上对塑性铰的转动量应予以控制。由上述可见，内力重分布需考虑以下三个因素：1、塑性铰的转动能力塑性铰的转动能力，主要取决于纵筋的配筋率r（或以截面的相对受压区高度x表示）, 其次是钢筋的种类及砼的极限压应变。随x的增大，塑性铰的转动能力急剧降低。2、斜截面承载能力要想实现预期的内力重分布，其前提条件之一是在破坏机构形成前，不能发生因斜截面承载力不足而引起的破坏，否则将阻碍内力重分布继续进行。国内外的试验研究表明，支座出现塑性铰后，连续梁的受剪承载力比不出现塑性铰的梁低。加载过程中，连续梁首先在中间支座和跨内出现垂直裂缝，随后在梁的中间支座两侧出现斜裂缝。一些破坏前支座已形成塑性铰的梁，在中间支座两侧的剪跨段，纵筋和砼之间的粘结有明显破坏，有的甚至还出现沿纵筋的劈裂裂缝；剪跨比越小，这种现象越明显。试验量测表明，随着荷载增加，梁上反弯点两侧原处于受压工作状态的钢筋，将会由受压状态变为受拉，这种因纵筋