多層輕鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的設(shè)計與經(jīng)濟(jì)性比較

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多層輕鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的設(shè)計與經(jīng)濟(jì)性比較

論文作者：林立
一、 概述

　　近年來輕鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展很快，其中包括多層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑和含夾層的門式剛架建筑。在這些結(jié)構(gòu)當(dāng)中樓蓋的合理選擇對整個結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性顯得至關(guān)重要，它不僅起到將豎向荷載傳給梁柱，保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同作用，而且還影響到建筑的使用功能和造價以及施工的進(jìn)度，因此在確定多層輕鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的方案時，應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)要求：

（1）保證樓蓋有足夠的平面整體剛度。

　　在現(xiàn)代多高層建筑中由于其功能復(fù)雜，體系多樣且高度較大，為有效地抵抗水平地震及風(fēng)荷載的作用，樓面必須有足夠的剛度，防止結(jié)構(gòu)因較大的變形而發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

（2）減輕樓蓋結(jié)構(gòu)的自重及減小樓蓋結(jié)構(gòu)層的高度。

　　在傳統(tǒng)的梁板結(jié)構(gòu)形式中，梁高占建筑的層高較多，選擇適宜的組合樓蓋形式，可以有效地減小構(gòu)件截面尺寸，增大使用空間，減輕結(jié)構(gòu)自重。

（3）有利于現(xiàn)場安裝方便及快速施工。

　　由于鋼結(jié)構(gòu)的制作安裝是工業(yè)化程度很高的一種結(jié)構(gòu)形式，因此在設(shè)計時要考慮施工中盡可能不采取傳統(tǒng)模板支模拆模的繁瑣作業(yè)，以免影響鋼結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度。

（4）較好的防火、隔音性能，并便于敷設(shè)動力、設(shè)備及通訊等管線設(shè)施。

　　樓蓋的設(shè)計在考慮結(jié)構(gòu)安全性的同時，還應(yīng)該充分考慮它的適用性，經(jīng)濟(jì)性；使建筑中管線的鋪設(shè)同樓蓋的形式緊密的結(jié)合起來，既節(jié)約了造價，也美化了環(huán)境。

　　從上述的四點(diǎn)要求可以看出，我們在選擇樓蓋時不能僅僅從結(jié)構(gòu)的安全性出發(fā)，還要從建筑的整體性出發(fā)，綜合考慮。就目前工程中常用的輕鋼結(jié)構(gòu)樓蓋，主要有以下四種形式：

　?。?）壓型鋼板混凝土樓蓋。

　　（2）現(xiàn)澆整體混凝土樓蓋。

　　（3）SP預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋。

　?。?）混凝土疊合板樓蓋。

　　這四種樓蓋有著各自不同優(yōu)勢和特點(diǎn)，我們在進(jìn)行設(shè)計時可根據(jù)工程的使用功能，受力特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性要求進(jìn)行合理的選取，使我們的樓蓋結(jié)構(gòu)方案有著可靠的安全性，良好的適用性和合理的耐久性。本文將對這四種常用樓蓋的性能和特點(diǎn)做了一些對比和分析，并結(jié)合一個實(shí)際工程，對它們的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了比較。

二、 輕鋼結(jié)構(gòu)工程中常用樓蓋的類型和特點(diǎn)

（一）壓型鋼板混凝土樓蓋

　　壓型鋼板混凝土組合樓板是將壓型鋼板鋪設(shè)在鋼梁上，在壓型鋼板和鋼梁翼緣板之間用圓柱頭焊釘進(jìn)行穿透焊接，壓型鋼板即可作為澆筑混凝土?xí)r的永久性模板，也可作為混凝土板下部受拉鋼筋與混凝土一起共同工作。

　　在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用壓型鋼板與混凝土組合樓蓋具有多項優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）合理的設(shè)計后，可不設(shè)施工專業(yè)的模板系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多層同時施工作業(yè)，大大加快施工進(jìn)度。

　?。?）壓型鋼板的凹槽內(nèi)可鋪設(shè)通訊、電力、通風(fēng)、采暖等管線，吊頂方便。

　　（3）壓型鋼板便于運(yùn)輸、堆放，安裝方便，不需拆卸，火災(zāi)危險性小。

　?。?）施工時可起增強(qiáng)鋼梁側(cè)向穩(wěn)定性作用，在組合樓板中壓型鋼板可以作受拉鋼筋使用。

　　在實(shí)際應(yīng)用中組合樓蓋又分為兩種形式，一種為非組合樓板，另一種是組合樓板。在施工階段兩者的作用是一樣的，壓型鋼板作為澆筑混凝土板的模板，即不拆卸的永久性模板，合理設(shè)計后，不需要設(shè)置臨時支撐，即由壓型鋼板承受濕混凝土板重量和施工活荷載。兩者區(qū)別主要在于使用階段，非組合樓板中梁上混凝土不參與鋼梁的受力，按普通混凝土樓板計算承載力，而組合樓板中考慮混凝土樓板與鋼梁共同工作，同時鋼梁的剛度也有了提高，為保證壓型鋼板和混凝土疊合面之間的剪力傳遞，須在壓型鋼板上增加縱向波槽、壓痕或橫向抗剪鋼筋等。

　　在另一方面，壓型鋼板組合樓蓋對建筑物也有一些不利的因素：

　?。?）用壓型鋼板后，增加了材料的費(fèi)用，尤其是鍍鋅壓型鋼板，本身造價較高，需要進(jìn)行防火處理。

　?。?）樓板中增加了壓型鋼板，樓層凈高有少量的降低，按每層75mm計，24層大樓合計為1.8m。

　?。?）壓型鋼板目前還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，每個生產(chǎn)廠商都有各自的一套技術(shù)資料，給設(shè)計人員帶來不便。

（二）現(xiàn)澆整體混凝土樓蓋

　　現(xiàn)澆整體混凝土樓蓋是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常用的一種樓板，也是設(shè)計及施工人員最為熟悉的一種結(jié)構(gòu)形式。它的一些主要優(yōu)勢是：

　　（1）施工工藝簡單，取材方便，造價低廉，適用范圍廣。

　?。?）平面整體剛度大，抗震性能好。

　?。?）和鋼梁共同工作，形成組合梁，可減小梁截面的高度。

　?。?）不受房間形狀的限制，開洞方便，便于設(shè)備和管道的垂直鋪設(shè)。

　?。?）取消了壓型鋼板，減少了用鋼量。

　　盡管它有以上許多優(yōu)點(diǎn)，但在多高層結(jié)構(gòu)的樓板設(shè)計中并不常用，主要是由于以下幾點(diǎn)不利因素：

　?。?）自重較大，現(xiàn)場濕作業(yè)多，現(xiàn)場凌亂。

　?。?）它需要傳統(tǒng)的模板支撐系統(tǒng)，阻礙下部交通，支模拆模比較繁瑣。

　?。?）混凝土澆筑完成后，不能及時為后續(xù)工作提供條件。

　?。?）樓板混凝土的硬化需要較長的時間，對工期的影響較大。

（三）SP預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋

　　SP板是引進(jìn)美國SPANCERETE公司的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土空心板；典型的SP板此所示。SP板既可用作樓板，又可用作墻板，能很好地滿足房屋的建筑和結(jié)構(gòu)的要求。

　　以SP空心板做為樓蓋有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）跨度大、承載力高。SP板通過板和板之間的共同作用可以承受較大的集中荷載。另外，SP板采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為受力主筋，其最大跨度可達(dá)18米，可滿足各種結(jié)構(gòu)的需要。

　　（2）任意切割，不受建筑模數(shù)限制。建筑上布局靈活，造型美觀，設(shè)計多樣化。

　?。?）外觀尺寸準(zhǔn)確，平整度好。由于該板材為機(jī)械成形，表面平整，外形美觀。其表面平整度誤差能控制在2毫米以內(nèi)，長寬誤差也都均能控制3毫米以內(nèi)。

　?。?）施工安裝快捷，縮短施工期。

　　（5）抗震性能強(qiáng)；在地面加速度、場地等其他條件相同的情況下，SP板建筑物的延性較好，抗震性能接近于鋼筋混凝土剪力墻。日本神戶大地震后，曾對SP板房屋建筑做了調(diào)查，結(jié)果表明其抗震性能好，震害較輕。

　　（6）用鋼量低。該板采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，無分布筋和其它構(gòu)造筋，與北京市相同規(guī)格和承載力的標(biāo)準(zhǔn)圓孔板相比，其用鋼量減少近一半。

　　SP預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋也有一些不足之處:

　?。?）跨度大，運(yùn)輸和吊裝的難度也較普通的預(yù)應(yīng)力圓孔板大，如果不加以注意，容易造成SP板意外的損壞。

　　（2）現(xiàn)澆混凝土樓板相比，平面內(nèi)的整體剛度較差，SP板之間是用細(xì)石混凝土或砂漿灌板縫的方式來連為一體的，質(zhì)量不易保證。

　?。?）SP空心板在使用過程中板與板之間易出現(xiàn)縱向裂縫，影響美觀。

（四）混凝土疊合板樓蓋

　　混凝土疊合板是將預(yù)制鋼筋混凝土板支撐在工廠制作的焊有栓釘剪力連接件的鋼梁上，在鋪設(shè)完現(xiàn)澆層中的鋼筋之后澆灌混凝土，當(dāng)現(xiàn)澆混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度時，栓釘連接件使槽口混凝土、現(xiàn)澆層及預(yù)制板與鋼梁連成整體共同工作，形成鋼－混凝土疊合板組合梁，預(yù)制板和現(xiàn)澆層相結(jié)合形成疊合板。預(yù)制板按照設(shè)計荷載配置了承受承受正彎距的受力鋼筋，并伸出板端，現(xiàn)澆層中在垂直于梁軸線方向配置了負(fù)彎距鋼筋。負(fù)鋼筋和伸出板端的鋼筋（也稱胡子筋）還同時兼作組合梁的橫向鋼筋抵抗縱向剪力。預(yù)制板既作為底模承受現(xiàn)澆混凝土自重和施工荷載，又作為樓面板的一部分承受豎向荷載，同時還作為組合梁翼緣的一部分參與組合梁的受力。

　　它的主要優(yōu)點(diǎn)是：

　?。?）用預(yù)制板代替了模板，取消了腳手架，使施工速度加快。

　?。?）免去了支模的工序，不中斷下部交通，便于立體交叉施工。

　　（3）取消了在預(yù)制板端預(yù)留凹槽，并附設(shè)構(gòu)造鋼筋的傳統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)造作法。

　?。?）疊合板組合樓蓋具備一般組合樓蓋（現(xiàn)澆混凝土樓蓋）的良好受力性能。

　?。?）疊合板和鋼梁組合，可以提高了鋼梁的抗彎剛度，減少截面高度，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

　?。?）它具有輕型大跨，預(yù)制裝配，快速施工等特點(diǎn)，符合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)要求和我國基本建筑發(fā)展國情。

　　根據(jù)以上的分析，我們對四種不同的樓蓋進(jìn)行歸納、類比，見下表：

表1 統(tǒng)計歸納表

特點(diǎn)類型 平面剛度 模板支撐 施工進(jìn)度 樓板跨度 管線布置 防火性能

壓型鋼板組合樓蓋 最好 不需要 快 較小 好 差

現(xiàn)澆混凝土樓蓋 好 需要 慢 小 一般 好

SP預(yù)應(yīng)力空心板 較差 不需要 最快大 最好 差

混凝土疊合板 較好 不需要 快 較大 不好 好

三、 輕鋼結(jié)構(gòu)中常用樓蓋的經(jīng)濟(jì)性比較

　　下面結(jié)合某工程的設(shè)計，對不同形式樓蓋的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。

（一）設(shè)計的基本條件

　　四川成都一家具展銷城，該工程為四層框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積為12668.8㎡，橫向柱距為4×7200mm+3×9000mm+4×7200mm?？v向柱距為6×6000mm。如，一層層高為4.5m，其余層高為3.9m。所示結(jié)構(gòu)的樓面恒荷載為4.5kN/㎡，活荷載為5.0kN/㎡，屋面為屋頂花園上人屋面，恒荷載為5.0 kN/㎡，活荷載為3.5 kN/㎡，該工程位于7度抗震區(qū)，三類場地，框架的抗震等級為三級。采用普通鋼框架結(jié)構(gòu)體系，主梁采用焊接工形截面；柱采用焊接箱型截面?？蚣艿臋M向和縱向梁柱按剛性連接設(shè)計，次梁為工字形截面單跨簡支梁；基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。

（二）設(shè)計結(jié)果

（1） 四種樓蓋用鋼量的比較（見表2）。

　　在方案設(shè)計階段，對四種不同的樓蓋型式進(jìn)行了設(shè)計比較，以便找出一個用鋼量最優(yōu)，綜合性能較好的設(shè)計方案。為了能定量的比較不同樓蓋的用鋼量，在用鋼量統(tǒng)計中只考慮鋼柱、鋼梁的重量，未考慮壓型鋼板，栓釘，現(xiàn)澆板鋼筋的重量。鋼梁的應(yīng)力比控制在0.7~0.9，撓度按L/400控制，鋼柱的應(yīng)力比控制在0.6~0.8，并滿足穩(wěn)定要求。

表2 用鋼量統(tǒng)計表

現(xiàn)澆混凝土非組合樓蓋壓型鋼板非組合樓蓋 名稱 類型 規(guī)格 重量（T） 總計（T） 用鋼量

柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X10X10 107.61 518.46 40.9 kg/㎡

柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X12X12 40.36

主梁1 焊接H型鋼 H450X200X8X12 152.76

次梁 焊接H型鋼 H350X200X6X10 131.18

主梁2 焊接H型鋼 H550X200X8X12 86.55

現(xiàn)澆混凝土組合樓蓋壓型鋼板組合樓蓋 柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X10X10 107.61 440.75 34.7 kg/㎡

柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X12X12 40.36

主梁1 焊接H型鋼 H450X200X6X10 120.87

次梁 焊接H型鋼 H350X200X6X8 85.36

主梁2 焊接H型鋼 H550X200X8X12 86.55

SP預(yù)應(yīng)力空心板非組合樓蓋 柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X10X10 107.61 394.46 31.1kg/㎡

柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X12X12 40.36

主梁1 焊接H型鋼 H350X200X6X10 102.75

主梁2 焊接H型鋼 H750X200X8X12 47.00

主梁3 焊接H型鋼 H550X200X8X12 96.75

SP預(yù)應(yīng)力空心板組合樓蓋 柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X10X10 107.61 344.28 27.2kg/㎡

柱1 焊接箱型鋼截面 350X350X12X12 40.36

主梁1 焊接H型鋼 H350X200X6X10 102.75

主梁2 焊接H型鋼 H650X200X8X10 30.25

主梁3 焊接H型鋼 H450X200X8X10 63.31

混凝土疊合板樓蓋 同現(xiàn)澆混凝土非組合樓蓋(組合) 518.46440.75 40.9kg/㎡34.7 kg/㎡

（2） 綜合性能的比較：（見表3）

表3 綜合指標(biāo)類比

樓蓋類型 用鋼量kg/㎡ 施工進(jìn)度 施工費(fèi)用防火費(fèi)用樓板開洞 防水性能 樓蓋造價元/㎡ 樓蓋造價比

壓型鋼板非組合樓蓋(組合) 40.9(34.7) 快 小 小 不易 好 180 1.0

現(xiàn)澆混凝土非組合樓蓋（組合） 40.9(34.7) 慢 大 小 易 最好 110 0.61

SP空心非組合樓蓋（組合） 31.1(27.2) 最快 小小 不易 不好 150 0.83

混凝土疊合非組合樓蓋（組合） 40.9(34.7) 快 小 小 易 一般 130 0.72

注：1、樓面造價比以壓型鋼板組合樓板的樓面造價為參考基價。

2、現(xiàn)澆混凝土組合樓板厚按120mm計，考慮支模費(fèi)用。

3、SP空心板和混凝土疊合板考慮了運(yùn)輸和吊裝費(fèi)用；SP空心板跨度按9m以內(nèi)考慮。

四、 結(jié)束語

　　通過本工程實(shí)例對多層輕鋼體系中采用的組合樓蓋的對比和分析，我們可以得出以下一些結(jié)論：

　?。?） 壓型鋼板非組合樓蓋與組合樓蓋雖然在平米造價上相同，但它沒有考慮和鋼梁的組合效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)中梁的用鋼量較大，增加了造價，在工程應(yīng)用中并不多見。

　?。?） 壓型鋼板組合樓蓋它考慮混凝土和鋼梁的組合效應(yīng)，可顯著提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，使梁的撓度減少了1/3，用鋼量減少了15％，綜合效益好，在工程應(yīng)用中較為廣泛。

　?。?） 現(xiàn)澆混凝土樓蓋用鋼量與壓型鋼板樓蓋相當(dāng)，但它的造價卻只有壓型鋼板樓蓋造價的61％，而且施工工藝簡單，樓蓋開洞方便，適用于樓蓋開洞較多，施工工期較長的工程。

　　（4） SP空心板樓蓋它的跨度較大，可以省去次梁，是最省鋼的；和壓型鋼板樓蓋相比，用鋼量減少22％，造價節(jié)約17％，不需支模，施工速度快，在多層輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)(包括輕鋼住宅)中將有廣闊的應(yīng)用前景。

　?。?） 混凝土疊合板樓蓋既有現(xiàn)澆混凝土的優(yōu)勢，又有預(yù)制板快速裝配的特點(diǎn)，用鋼量與現(xiàn)澆板相同，造價是壓型鋼板樓蓋的72%，是多高層樓蓋的發(fā)展趨勢