【土木吧原创】空心楼盖应注意哪些问题?

本文原作者：郑红华
北京绿建互联科技有限公司
1 现浇混凝土空心楼盖简介及特点综述
现浇混凝土空心楼盖结构在国内最早应用于现浇混凝土空心无梁楼盖，该技术作为国家级重点火炬计划项目，于 1998 年底通过建设部鉴定，是 1999年建设部科技成果重点推广项目，并在此后几年内，成功应用于商场、工业厂房、仓库、车库及高层建筑等各类建筑工程项目中。特别是近几年，随着国家标准图集和国家规范的发布实施，以及大容量高效率有限元计算技术、计算软件的普及推广，现浇混凝土空心楼盖的应用更加广泛，早已突破现浇混凝土无梁空心楼盖的范畴。
为便于与后文叙述的结构体系相对应，根据《现 浇 混 凝 土 空 心 楼 盖 结 构 技 术 规 程 》( DBJ15-95—2013) ( 简称广东地标) 中的分类标准，对现浇混凝土空心楼盖予以分类。根据填充体的形式，将其分为三类( 图 1) : 内置填充体、单边外露填充体、双边外露填充体。根据楼盖的支承刚度，将其分为三类: 1) 刚性支承楼盖: 由墙或竖向刚度较大的梁作为楼板竖向支承的楼盖; 2) 柔性支承楼盖: 由竖向刚度较小的梁作为楼板竖向支承的楼盖; 3) 柱支承楼盖: 由柱作为楼板竖向支承，且柱间没有梁的楼盖。根据板跨的高跨比，将其分为两类: 1) 厚空心楼盖: 板厚与板跨的比值( 框架肋梁的高跨比) 不小于 1 /22 的现浇混凝土空心楼盖; 2) 薄空心楼盖:板厚与板跨的比值( 框架肋梁的高跨比) 小于 1 /22的现浇混凝土空心楼盖。

基于空心楼盖结构具有能增强抗弯能力和抗剪能力的结构特点，空心楼盖结构多适用于大荷载、大跨度的板式受力结构，空腔结构可以加强建筑物的隔音保温性能，并能减轻结构自重。由于空心楼盖上下翼缘较薄，这对混凝土的浇捣提出更高控制要求，对管线预埋及后期吊挂都需更加精细化施工管理，并需加强重点部位设计，避免由此带来渗漏水问题。
2 规范体系
现行现浇混凝土空心楼盖规范、规程、图集以及参考手册目录见表 1。其中广东地标对国家标准《现浇混 凝 土 空 心 楼 盖 技 术 规 程》( JGJ /T 268—2012) 进行了 较 为 系 统 的 补 充，主 要 补 充 内 容 如下: 1) 提出了将现浇空心板按高跨比进行分类，并对不同分类的空心楼盖明确了相应的设计方法和构造措施; 2) 系统地补充了现浇空心楼盖的适用范围和结构抗震( 抗侧力) 体系，明确了不同结构抗震体系的适用高度、高宽比及抗震等级; 3) 相对《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2010) ( 简称抗规) ，增加了板柱抗震结构体系; 4) 明确了其他国家行业标准未明确的细节构造规定或措施。从广东地标的补充内容来看，我国空心楼盖技术日趋成熟，这必将对空心楼盖的研究与实际应用产生巨大的推动作用。

3 结构抗震体系
现浇混凝土空心楼盖的多、高层建筑的最大适用高度应按现行国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010) 和抗规的要求取值。按照行业标准《现浇混凝土空心楼盖技术规程》( JGJ/T268—2012) 的规定，非刚性支承现浇混凝土空心楼盖，应满足抗规的相关规定，抗震体系仅有板柱-抗震墙结构体系。广东地标除了规定和行业标准一致的板柱( 框架) -抗震墙抗震体系外，还补充规定了现浇混凝土空心楼盖板柱( 框架) 结构体系，并按厚空心楼盖和薄空心楼盖进行区分，明确这两种楼盖相应的抗震设计方法和措施，扩充了现浇混凝土空心楼盖结构的适用范围。对于用斜撑代替剪力墙成为第一道抗震防线的板柱-斜撑结构体系，广东地标规定应进行专门研究。
4 空心楼盖的几个关键问题及规范意见
在空心楼盖的应用过程中，有几个关键问题是决定空心楼盖是否适用以及是否经济的控制因素
( 1) 根据抗规第 6. 1. 14 条规定，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构。该条规定对空心楼盖的应用范围做了适用限制，而地下室顶板，由于覆土或人防荷载较大，往往采用空心楼盖优势明显的部位。
关于上述问题，业界一般有两种意见: 一种认为要严格遵守规范规定，只有采用普通的梁板结构才满足要求，不能采用空心楼盖( 不论空心楼盖厚度和厚跨比是多少) ，尤其是不能采用板柱结构( 包括有柱帽和无柱帽) 的空心楼盖; 另一种意见认为，可以采用主框架上有梁的空心楼盖，主框架梁一定要比板厚高，不能是暗梁，至于梁比板高出多少，并未有统一意见。从抗规的条文解释来理解，地下室顶板作为嵌固端时采用梁板结构的规定，本质上是对楼板整体刚度和传递水平力的要求，基于这一基本要求，当空心楼盖厚度达到一定程度时，空心楼盖所能提供的刚度和传递水平力的要求是可以满足的。广东地标第 4. 5. 6 条明确地给出了地下室顶板作为嵌固端时，采用空心楼盖的适用条件，内容如下:
地下 1 层顶板作为上部结构的嵌固部位时，在塔楼范围内的地下 1 层顶板应采用梁板结构，塔楼外的相关范围可采用厚空心楼盖结构，并按本规程设置框架肋梁且肋梁的高跨比不宜小于 1 /18。由于地下室顶板覆土较厚、荷载较大，实际受力计算的截面尺寸基本都能满足厚空心楼盖和肋梁高跨比的要求，并不会因为构造要求而增大板厚和肋梁高度。
基于以上理解，参考广东地标的规定，笔者认为，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，塔楼范围外的地下 1 层顶板可以采用空心楼盖结构。
( 2) 空心楼盖用于地下室顶板等需要防水部位时，是否需要满足《地下工程防水技术规范》( GB50108—2008) 中第 4. 1. 7 条中关于防水混凝土结构厚度不应小于 250mm 的规定，将直接决定空心楼盖上、下翼缘板的取值。
该问题不仅涉及到工程结构长期使用情况下裂缝、耐久性等结构安全问题，也直接关系到空心楼盖结构的经济性。因为构造要求增加的板厚，将带来混凝土和钢筋用量的增加。根据国家规范及地标规范对空心楼盖上、下翼缘板厚度的相关规定可知，其上、下翼缘板厚度的最小值是一致的，都是 50mm。经查阅，该值是从较早的《钢筋混凝土升板结构技术规范》( GBJ 130—1990) 中关于密肋板的现浇面板厚度不宜小于 40mm 逐步继承而来。《混凝土密肋及井 式 楼 盖 设 计 手 册》中 规 定 该 数 值 不 小 于50mm，考虑埋设管线时，该数值不小于 70mm。
对于处于无防水要求的Ⅰ类环境中的空心楼盖，其上、下翼缘板厚度除满足受力和正常使用要求外，主要是基于钢筋保护层、混凝土浇筑及管线埋设需求决定的，相对比较薄。但对于有防水要求的现浇混凝土空心楼盖，其翼缘板厚度除广东地标之外，其他几本规范并未有明确规定。《钢筋混凝土密肋楼板》( L07G324) 规定如下: 根据楼板外侧环境类别注明板厚，楼板外侧环境类别为Ⅱb 类时，板厚为120mm; 楼 板 外 侧 环 境 类 别 为 Ⅰ 类 时，板 厚 为100mm。关于防水部位空心楼盖翼缘板( 迎水面)最小厚度取值的问题，实际工程中，业界对这个问题的意见并不一致。仅广东地标对此给出了明确的规定要求，其第 7. 1. 14 条规定如下: 考虑防水要求的地下室顶板及屋面板，如采用空心楼盖结构，应采取可靠的防水措施，且混凝土应采用防水混凝土; 地下室顶板空腔顶板厚度不应小于 120mm，屋面板空腔顶板 厚 度 不 宜 小 于 90mm，折 算 厚 度 不 应 小 于200mm; 空腔顶板应双层双向配筋，且不少于按空腔顶板厚度计算的最小配筋率; 种植顶板应为现浇防水混凝土，折算厚度不应小于 250mm，结构找坡，坡度宜为 1% ～ 2% ; 无覆土的行车通道不宜采用空心楼盖结构。其条文解释说明还提到: 本条是根据《人民防空地下室设计规范》( GB 50038—2005) 及《地下工程防水技术规范》( GB 50108—2008) 的有关条文并结合广东的实际工程经验制定的。由于空心楼盖存在空腔顶板开裂后在空腔内积水的可能性，因而对外防水层要求较高。地下室顶板行车通道的覆土厚度一般不小于 500mm; 否则应加厚空腔顶板，以避免渗水。
参考广东地标规定，结合已经实施时间较久的《钢筋混凝土密肋楼板》( L07G324) 中的规定来看:一般情况下，地下室顶板空心楼盖空腔顶板厚度最小取 100mm 是安全可行的，但空腔顶板应双层双向配筋。当承受较大荷载或空腔模盒尺寸较大时，还应适当加大空腔顶板的厚度。但是在广东和山东地
区以外的工程中应用时，还是在结构方案确定前与相关单位沟通取得一致意见为宜。
( 3) 关于空心楼盖结构在人防工程中应用时顶板的厚度构造规定问题，在《人民防空地下室设计规范》( GB 50038—2005) 中有具体明确的规定，该规范第 4. 11. 3 条规定: 顶板、中间楼板最小厚度系指实心截面; 如为密肋板，其实心截面厚度不宜小于100mm; 如 为 现 浇 空 心 板，其 板 顶 厚 度 不 宜 小 于100mm; 且其折合厚度均不应小于 200mm。该规范第 3. 2. 3 条第 2 款规定，当管道层( 或普通地下室)的顶板为空心楼盖时，应以折算成实心板的厚度计算。综上可知，在人防工程中，空心楼盖的总厚度是按折算楼板厚度计算的，一般情况下，均可满足《人民防空地下室设计规范》( GB 50038—2005) 要求规定。
5 空心楼盖设计方法及计算软件的选择
5. 1 空心楼盖设计方法的选取
关于空心楼盖的结构设计方法，规范推荐的方法有: 拟板法、拟梁法、经验系数法、等代框架法、空间等代框架法。以上各种方法均有一定的适用条件和范围，结构设计时应注意选择。对于采用或部分采用现浇混凝土空心楼盖的多、高层建筑，在进行竖向荷载与水平荷载作用下的内力及位移计算时，宜优先采用有限元空间模型的计算方法。
5. 2 空心楼盖计算软件的选择
目前市场上广泛应用于空心楼盖的有限元空间计算软件主要有 YJK 软件、STＲAT 软件、广厦结构。根据笔者的使用体会，对以上 3 个软件在空心楼盖的设计应用特点进行简要概括分析如下:
( 1) YJK 软件的操作与常用的设计软件 PKPM接近，具有上手快的明显优势。提供板式和肋梁式两种施工图表达方式，对柱帽能进行简单模块化处理，并能进行冲切计算。该软件对于空心楼盖的结构设计问题，能做到比较简单的处理，具有极大的优势。软件操作中，可根据空心楼盖的布置类型，采用暗梁或虚梁模式处理空心楼盖中框架梁的设置问题，但应注意虚梁和暗梁在模型中的处理方式不同:
虚梁仅起划分房间或板块的作用，暗梁会作为一维线单元参与整体结构刚度和承载力计算。
( 2) STＲAT 软件是较早就能进行空心楼盖分析的通用有限元软件。该软件在空心楼盖的计算和处理方面，内核和计算精度都非常理想，在操作中，可按实际暗梁宽度在柱跨上布置暗梁。该软件会将暗梁自动转换为板超元，同空心板超元一同计算。在此种处理模式下，按梁单元输入暗梁还是按板单元输入暗梁，计算结果一致，不会引起梁板重复计算，刚度叠加失真。该软件也提供了板式和肋梁式两种施工图表达方式。提供了对柱帽的冲切和加密处理算法。但是，该软件在建模时的处理略显复杂，便利性不足。
( 3) 广厦结构在模型操作中比较方便，根据需要柱跨间可以设置暗梁或虚梁，但该软件对柱帽的处理还不完善，广厦结构的出图亦仅提供板式表达。
综合以上各软件的特点，设计时可根据自身情况，选择适合的软件进行设计。
6 空心楼盖设计现状及改进建议
近些年，空心楼盖的设计一直都由空心板模盒的厂家主导。由于工期紧张，设计院往往将该部分设计交由厂家设计后，设计院审核套签出图。但是厂家的技术水平参差不齐，其大多数技术人员基本不具有整体的结构概念，对计算结果的合理性和正确性都不具备相应的判断能力，致使存在安全隐患或造价远远高于传统梁板结构的工程屡见不鲜。鉴于以上原因，笔者认为，空心楼盖的设计工作应该由设计院来做，并加强设计院的技术力量培训，才能真正实现安全和经济。
7 业主对空心楼盖的认知误区
7. 1 误区一: 空心楼盖一定是没有梁的
关于空心楼盖一定是没有梁的误区，是基于空心楼盖多数用于地下室无梁楼盖的概念而来，空心楼盖用于无梁楼盖时，当然是无梁的; 但是空心楼盖用于地上抗震结构时，根据选择的结构体系不同，在主框架轴线上，还是可能会有梁，只是该梁可比常规的梁截面尺寸小而已。
7. 2 误区二: 空心楼盖一定是经济的
任何结构都有其适用的范围。空心楼盖的经济性也是基于在空心楼盖适用范围内来说的，一般认为，空心楼盖运用于具有较大跨度和承受较大荷载的结构时才具有相应的经济性。所以如果本来就是一个小柱网结构，硬套用空心楼盖加大柱距时，结果可能恰恰相反。当然由于功能需要加大柱距，超过了空心楼盖的适用跨度时，也可能是不经济的( 与常规结构或适合跨度的空心楼盖相比) 。根据经验，一般认为跨度为 8 ～ 12m 是空心楼盖的经济跨度。
8 空心楼盖发展方向及探讨
当楼盖的跨度较大时，仅应用空心楼盖已不具有优势，而若是将其与预应力结合使用，可使得楼盖跨度范围继续扩大。但需要说明的是，大跨度预应力空心楼盖结构与中间加柱的空心楼盖相比，也不一定是经济的。
空心楼 盖 在 结 构 优 化 设 计 中 也 有 运 用 的 前景，当结构具有以下条件时，应考虑空心楼盖的经济可行性: 1) 荷载较大时; 2) 层高受到限制时; 3)有大跨度、大空间要求时; 4) 有其他特殊使用功能要求时。
9 展望
随着更多空心楼盖设计软件的不断推广，设计院结构工程师在空心楼盖设计方面的能力会得到提高，在适合的跨度和荷载情况下，设计院的结构工程师选择空心楼盖这样一种安全经济的结构体系会逐渐成为一种趋势。同时，空心模盒也将规格化和标准化，厂家将必须依靠产品质量优劣、价格高低、服务好坏的综合性价比来决定在工程中能否中标。这些将推动空心楼盖的应用走向更 加 良 性 发 展 的方向。  
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