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空心楼盖体系设计原理
高强薄壁管及现浇砼空心楼盖
设
计
原
理
深圳市星百胜建筑科技开发有限公司
空心无梁楼盖体系设计原理
深圳市星百胜建筑科技开发有限公司持有的专利技术空心无梁楼盖进行了大量的材料试验、结构试验和工程实践，并结合近年来积累的工程设计、施工经验，广泛征询有关单位和专家意见，特编制本技术资料。
一、空心无梁楼盖设计及施工简介：
现浇空心无梁楼盖应归类于现浇空心平板之中，是采用与混凝土紧密结合的高强复合薄壁管现浇成型的空心平板，空心无梁楼盖是集新技术、新材料及新施工方法于一身的高新技术产物之一。
高强复合薄管是一根一定长度两端封闭、壁厚3~5mm的高强空心管。
与混凝土共同工作具有优良的特性。
施工时薄壁管沿一个方向布置，管与管之间对接且留有一定长度的肋，其施工构造如下图：
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设计计算方面，空心无梁楼盖体系按照“空间等代框架”的原则进行计算，柱与柱之间布置暗梁，通过现浇实心暗梁与现浇空心楼盖上下翼缘紧密接合形成加强的扁框架梁。
空心开梁楼盖沿顺管方向为“工”字形截面，有可靠的传力保证。
在垂直管方向楼板内配置了肋间钢筋可形成空间桁架的传力构件，垂直管方向最薄弱处仅存在上下翼缘，为了保证上下翼缘共同工作且在垂直管方向有可靠的传力途径，必须采取相应措施提高楼板的整体性，所以空心管的排放为一根根对接，中间留肋以增强楼板整体性，使楼板形成明显的双向受力特性。
二、空心无梁楼盖抗力侧力设计：
采用空心无梁楼盖结构体系的工程由于其自重轻，板厚h很大，建筑物抗侧移刚度也较大，采用空心无梁楼盖的建筑工程具有较好的抗震性能，空心无梁楼板不同于普通有梁楼板体系中的楼板，普通有梁楼板体系中的楼板参与抵抗水平地震作用是通过调整梁刚度放大系数考虑，在设计计算和构造措施方面楼板本身是不做抗震设计的，仅考虑承担垂直荷截，其内力可通过静力计算手册查得，而空心无梁楼盖由于板厚h很大，它本身可直接参与抵抗水平地震作用，通过暗梁和现浇的空心楼盖形成加强的扁框架梁。
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楼板其本身在靠近柱和暗梁的一定范围内是框架梁的一部分，此范围内的楼板具有框架梁的受力特性，应满足框架梁的受力要求。
柱与柱之间形成加强的扁框架梁自身有足够的刚度传递水平地震力，关键在于板柱节点处如何进行“强柱弱梁强剪弱弯”的延性设计，保证水平地震力可靠传递。
楼板与柱联结点如下图所示：
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以Y方向框架梁与柱联结为例：
Y方向的“工”字形框架梁上的弯距一部分通过柱宽范围内的暗梁直接传递给柱，柱宽范围外的等代框架梁的弯矩先传至X方向的框架梁上，在X方向框架梁上（Y方向框架梁的宽度范围内）产生一个等同梁端弯矩的扭矩，通过此扭矩Y方向框架梁的内力可有效传递给柱采用空心无梁楼盖体系必须考虑柱周围实心暗梁内抗扭承载力，通过计算后在实心暗梁内配置相应的抗扭箍筋和纵筋，就能够保证水平力有效传递，相应板柱节点构造大样见附图。
从抗震构造设计方面考虑，空心无梁楼盖体系尚应归入扁框架梁体系中，柱与柱之间由实心暗梁与楼板上下翼缘对实心暗梁形成大“工”字形的等代框架梁实际上是一个空心楼盖上下翼缘对实心暗梁形成加强约束的扁框架梁。
它的受力状态介于普通梁柱结构和平板结构之间，其板厚的要求不受扁框架梁的限制，但应比平板结构的板厚要求高，通常空心无梁楼盖结构的板厚取长边尺寸的1/25～1/30。
建筑物的总抗侧移刚度包括水平构件与竖向构件两部分的刚度贡献。
在水平地震荷载作用下，楼板与柱子共同工作的范围是有限的，愈接近柱子的楼板转动越大，愈远的地方转动逐渐减小，柱与柱之间存在多少刚度相当于框架梁？
这涉及到等代框架的取值。
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参照《钢筋混凝土升板结构技术规程》其板厚取长边尺寸的1/35，其等代框架的取值如下：
by=1/2（lx+bcc）
取较小值
by=3/4ly
经大量的工程实践和试验表明，空心无梁楼盖其等代框架的取值为每边1/6L～1/4L的范围。
空心无梁楼盖的板厚取值很大，且自重比实心平板轻，其等代框架的影响范围应比实心平板宽，按每边1/6L～1/4L范围取等代框架有较大的安全储备。
采用空心无梁楼盖体系的工程从设计计算方面分析，其具有明显的延性框架的受力特征，符合抗震设计“强柱弱梁”的要求，建筑物的抗震设计总的来说刚度越大越有利于抗震，但刚度越大地震力也随之增大，建筑物刚度超过一定程度对抗震反而不利，而且浪费资源。
空心无梁楼盖体系的抗震设计首先应满足抗震计算的要求，应符合《建筑抗震设计规范》的有关规定，从抗震构造设计方面考虑应注意板柱节点的构造处理，此外应适当增加剪力墙和柱子竖向构件的配筋率，即按照普通钢筋混凝土结构确定的抗震等级提高一度设防，且应满足同一节点上下柱端正截面抗弯承载力的总和大于左右梁端正截抗弯承载力的总和，符合《抗震设计规范》第6.6.2条公式的要求。
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三、空心无梁楼盖单向受力设计：
根据工程实际情况，现浇空心楼板分单向受力和双向受力两种情况进行设计，单向受力设计通常适用于以下三种情况：
1）板跨度很大，按双向受力计算时暗梁受力太大，采用单向板受力模式，可大幅度减少暗梁上的荷载。
如工业厂房的平面，纵向柱距较小，横向柱距很大，如按常规结构的导荷方式，暗梁受力很大，难以计算下来，如采用空心楼板导荷方式，楼板荷载可由空心楼板直接传至纵向短跨度的梁上，其导荷模式如下图所示：
计算时柱与柱之间按图中所示阴影范围宽度等代框架梁输入计算，楼板的导荷方式改为单向布置次梁，把荷载传至纵向短柱距的边梁上，这样一来，横向柱与柱之间的暗梁受力减少小了，主要起拉结作用，传递水平地震力。
暗梁的配筋应按等代框架的原则计算，每侧1/6L～1/4L取等代框架梁，通过整体分析后可得出等代梁的配筋。
此配筋按一排布筋的原则，选择合适的实心暗梁的宽度布置于内，此等代框架梁对房屋的抗侧移刚度有直接的影响，计算出建筑物的位移和地震力等参数符合实际受力状态。
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2）建筑平面布置中板区格的长短边之比大于2且布管方向与短边平行及楼板内开较大洞口的情况可按单向受力计算。
楼板的长短之比大于2且布管方向与短边平行时其非主导受力方向的受力很小，可忽略垂直管方向的受力。
楼板内开较大洞口时也难以形成双向受力特性，当洞口别字长长超过1.5m时，楼板须考虑单向受力，单向受力布置如下图所示：
3）建筑物XY方向平面刚度相差悬殊，从抗震概念设计出发楼板截面刚度大的方向应沿建筑物总抗侧移刚度小的方向布置，但对单块楼板而言，其布管方向又沿短向布管，对于单块楼板而言，截面刚度大的方向又是楼板平面线刚度大的方向，其另一个方向（即垂直管方向受力）的受力将减少很多，这种情况下也考虑单向受力，下图所示平面布置考虑为单向受力：
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四、空心无梁楼盖双向受力设计：
现浇空心楼板双向受力适应范围非常广泛，大多数建筑工程均适用双向受力设计。
通常楼板区格的长边与短边之比小于2，通过力学计算和合理的构造设计可使现浇楼板形成明显的双向受力特性。
到目前为止，双向受力设计，已应用于大市场、高层综合楼、大跨度展厅、停车场等各类工业与民用建筑工程中，取得了良好的社会效益和经济效益。
空心无梁楼盖与实心楼板相比，既有一些自身的特点又有共同之处，从受力计算的材质假定方面考虑，空心无梁楼盖是非匀质的，两方向的刚度不同，其两方向的受力情况也有区别，而实心混凝土的材质假定为匀质材料，具有各向同性的受力特点。
从受力计算方面它们有共同的特点，就是楼板各方向先产生变形，再各方向变形协调一致，再产生楼板的边界内力。
现以常规结构6m×8m的柱网为例来导出楼板的计算假定：
6m×8m柱网的结构平面布置如下图所示：
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如果按以往平面导荷计算模式，容易让人产生误解，即250×600为一级次梁，250×400为二级次梁，C、D两承力很小，AB梁为主导受力方向。
而实际受力情况并非如此，经精确计算，CD梁在E点的位移要比AB梁小。
两根梁在E点的变形终须协调一致，实际情况此两根梁没有主次梁之分，互相支承，ABCD梁刚度的变化势必导致四边荷载分配的变化。
空心无梁楼盖双向受力设计也是根据楼板两方向刚度的不同而最终变形协调一致的原理作出计算假定。
空心无梁楼盖的计算分为两部分，一是柱与柱之间等代框架梁的计算，此等代框架梁权考虑实心暗梁与空心楼板上下翼缘形成的工字形等代梁，不考虑空心板中的肋，按最小刚度参与模框架整体分析，其计算结果是偏于安全的。
二是楼板本身的计算为跨中板带按等刚度的原则简化为交叉梁结构计算，此计算假定符合楼板平面内线刚度变化的实际情况，而且次梁是经集中荷载向四周传递，具有一定的安全储备，跨中交叉次梁的间距通常取3~4m左右，次梁根数及宽度取法见后。
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由于空心楼板两方向存在刚度的的差异，为保证空心楼板形成可靠的双向受力，从构造设计方向有如下几点要求：
1）高强复合薄壁管通常顺长边方向布置，以均匀楼板两个方向的线刚度，通过长向布管，可命名得垂直管方向的荷载多分配一些。
空心无梁楼盖楼面荷载的分配不同于普通现浇楼板，通常情况顺管方向为主受通过下图实心板与空心板荷载分配简图的比较，我们不难感觉到空心楼板荷载分配情况：
2）垂直管方向板上下受力钢筋应配置在最外排，楼板变形时配置在最外排的钢筋应力增长最快，让刚度弱的方向最先产生应力应变，钢筋可充分发挥强度，同时钢筋如此布置其保护层厚度及握裹力均可满足要求，垂直管方向受力有可靠保证，板钢筋布置示意如下图：
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3）高强复合薄壁管长度通为1.25m左右，管与管之间留肋宽度应满足此方向抗剪强度的要求，抗弯计算通常受压区高度在楼板上翼缘中，属第一类T型截面，可按矩形截面进行抗弯计算。
4）空心无梁楼盖其它构造措施参见有关技术规范，附后“构造措施”中的规定及附后“设计说明”中的规定。
为进一步说明空心无梁楼盖双向受力计算方法，现以12m*12m柱网为例介绍暗梁及楼板配筋的计算，楼板与柱子共同工作的范围取每侧跨度的1/6L。
12m*12m柱网的双向受力空间等代框架的取法如下图所示：
斜线范围内的楼板不是单纯意义的楼板，它们参与空间分析，事实上是框架梁的一部分。
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按上图所示，两个方向的等代框架形成了双向受力体系，暗梁的配筋是由等代框架计算出来的，楼木板以的配筋由跨中板带简化成次梁进行计算。
我们在双向受力体系的计算上仅考虑楼板的上下翼缘作用，不考虑腹板的刚度，无论是从理论计算还是在实验验证方面，考虑腹板的刚度与体系中的传力骨架事实上是实心暗梁与空心楼盖上下翼缘紧密接合的扁框架梁。
实际情况中等代框架梁的截面取值如下：
仅考虑上下翼缘的空心楼板按等刚度的原则代换成同厚实心板的宽度可
按乘折减系数0.6估算，等效刚度代换成实心板截面如下图：
实际输入计算程序中的梁截面尺寸为3600*450，算得配筋结果即
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为柱上板带楼板的配筋，按《升板规范》此配筋应均匀颁布在柱上板带的范围内，采用空心楼盖体系则集中配置在暗梁内，通常取此配筋的70%分配到暗梁内，此计算配筋结果的70%按一排布筋所需要的合适宽度即为暗梁的宽度。
楼板的计算按交叉梁结构计算，以12m*12m的柱网尺寸为例，次梁把12m等分为3格，输入电算程序中实心次梁宽度取：
（12000-4000）/2×刚度折减系数=次梁宽度
注：
刚度折减系数沿顺管方向及垂直管方向均应计算出来，
以顺管方向为例，450mm厚空心楼板的刚度折减系数按如下计算：
I=4503/12-0.0491×3504=230069
按等刚度的原则代换成同厚度的矩形截面，
矩形截面宽度为：
B=12×I/4503=303mm
顺管方向400mm宽度的空心楼板
等刚度代换成矩形实心截面时，其刚度折减系数为：
r=303/400=0.758
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12m*12m的柱网其跨中交叉次梁宽度为4m，顺管方向按等刚度的原则代换成实心矩形截面的宽度即为4000×0.758=3032mm。
垂直管方向仅考虑楼板上下翼缘的刚度，其刚度折减系数也可按上述方法得出，在垂直管方向也可算得两根次梁的宽度。
输入程序后算得此两根次梁的配筋结果相加之后分配到8m范围内即为楼板的配筋：
B=（As1+As2）/B（mm2/m）
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空心无梁楼盖体系构造措施
1、框架梁柱节点处理：
对于梁宽小于柱宽的框架暗梁，按普通框架梁有关规定处理，对于梁宽大于柱宽的框架暗梁，参见设计说明中大样图。
2、框架暗梁构造要求：
a.框架暗梁宽度不宜大于柱宽+3倍暗高度。
b.框架暗梁纵筋应一排放置，且应保证不少于50%的纵筋穿过柱子。
c.框架暗梁支座纵筋在梁跨度的1/3，1/4处分两次截断。
d.框架暗梁箍筋加密区长度抗震等级二、三级取2.0h，一级取2.5h，且应满足楼板抗冲切及抗扭验算要求。
e.暗梁内箍筋闭合处应设置混凝土受压区内。
3、空心楼板的构造要求：
a.楼板中薄壁管净距取50mm；管顶长底砼厚取0.1~0.2h（h为板厚），且不少于40mm，对于有暗埋线管的楼面不得少于50mm，管离梁边预留孔应不少于50mm。
b.空心楼板中给排水管预留洞，烟道预留洞处管断开，板钢筋绕预留洞伸入支座，对于钢筋无法绕过预留洞的可将钢筋切断，但应在预留洞两边补足钢筋，且伸入支座。
c.卫生间楼板下凹时，则在下凹板边设暗梁，与管平行的暗梁伸至框架梁支承，另一方向设至凹板边，凹板用吊梁支承。
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空心无梁楼盖体系荷载取值及计算方法
1、空心楼板面荷载
恒载：
空心楼板自重、上下层抹灰荷载。
活载：
按规范取用。
2、暗梁线荷载：
次梁上反向荷载：
q=-（b×h×25）
b为虚拟次梁宽度，h为楼板厚度（单位：
米）
框架梁上反向荷载：
（估计实心暗梁宽度1000mm）。
q=-[（b-1）×h×25+1×0.17×25]
0.17为300mm厚空心楼板折算砼厚度（单位：
米）
b为等代框架梁宽度，h为楼板厚度（单位：
米）
3、梁上荷载加入顺序：
首先输入虚设次梁的反向荷载，消除次梁全部自重。
然后输入框架扁梁的反向荷载，消除框架梁局部自重。
最后输入框架填充墙荷载，大多数情况下此荷载可直接输至梁上，
如不能直接输至梁上，可在输入楼板恒载时在局部楼板范围内按等效荷载输入。
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