关于无梁楼盖结构设计分析
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【摘要】无梁楼盖结构体系是近年来发展迅速的一项建筑结构技术,结构板底平整、构造简单、整体性好、建筑空间大、可有效地增加层高、施工方便等优点。但其同时也具有受力复杂, 抗震性能差等缺点。本文系统介绍了无梁楼盖的设计方法, 在设计中需要重点验算的部位和一些构造要求,供参考。
【关键词】无梁楼盖；等代框架法；不平衡弯矩；剪切
一、引言
无梁楼盖即是在楼盖中不设置梁肋, 将板直接支承在柱上, 楼面荷载直接通过柱子传至基础。无梁楼盖又分为板柱结构和板柱―剪力墙结构。板柱结构由楼板、柱和柱帽组成; 板柱―剪力墙结构由楼板、柱、柱帽和剪力墙组成。在我国, 无梁楼盖结构体系是近年来发展迅速的一项建筑结构技术, 常用于冷库、商场、仓库、书库等建筑。较之传统的密肋梁结构体系它具有结构板底平整、构造简单、整体性好、建筑空间大、可有效地增加层高等优点。并且, 采用无梁楼盖体系的建筑物的地震效应也要明显小于层高较大的梁板结构体系的建筑物。在施工方面, 采用无梁楼盖结构体系的建筑物具有施工支模简单、楼面钢筋绑扎方便, 设备安装方便等优点, 从而大大提高了施工速度。因此, 采用无梁楼盖结构具有明显的经济效益和社会效益。但无梁楼盖结构体系也有其自身的缺点: 由于取消了肋梁, 使无梁楼盖结构体系的抗弯刚度减小、挠度增大, 柱子周边的剪应力高度集中, 可能会引起局部板的冲切破坏; 侧向刚度比较差, 层数较少时可以设置板柱结构来抵抗水平荷载, 当层数较多或要求抗震时,一般需要设剪力墙、筒体等来增加侧向刚度。对无梁楼盖进行工程设计的研究具有一定的实际意义。
二、计算方法
1、等代框架法，即将整个无梁楼盖结构分为沿纵、横柱列方向划分为纵、横两个方向的等代框架。等代框架的梁的宽度为竖向荷载作用时，取板跨中心线之间的距离；为水平荷载作用时，则取板跨中心线之间距离的一半较为适宜。等代框架梁的高度取板的厚度。等代框架梁的跨度，取等于,或 ,c 为柱帽宽度。等代框架的计算高度为：对于楼层，取层高减去柱帽的高度;对于底层，取基础顶面至该层楼板底面的高度减去柱帽的高度。当仅有竖向荷载时,等代框架可近似的按分层法计算:所计算楼板均看作上层柱的固定远端.这就将一个等代的多层框架的计算变为简单的二层或一层(对顶层)框架的计算.计算中应考虑活荷载的不利组合.最后得出的等代框架梁弯矩值,按下表中的系数分配给柱上板带和跨中板带。
等代框架法的适用范围为任一区格的长跨与短跨之比不大于2;可用于经验系数法受到限制处,如双跨结构、不等跨结构、活荷载过大的结构、不同的竖向荷载和水平荷载等。
2、经验系数法经验系数法是最方便的方法，因而被广泛采用。经验系数法是在试验研究与实践经验的基础上提出来的，计算时只要算出总弯矩，再乘上弯矩分配系数，即得各截面的弯矩。但此法适用于比较规则的等代框架且必须符合下列条件：
2.1、 每个方向至少有三个连续跨;
2.2、 同一方向上的最大跨度与最小跨度之比应不大于1.2，且两端跨不大于相邻的内跨；
2.3、 任一区格的长边与短边之比应不大于1.5；
2.4 、活荷载与静荷载之比应不大于3。
经验系数法的计算荷载，按全部均布荷载计算，不考虑活荷载的不利组合。计算一个区格的跨中弯矩与支座弯矩的总和，对x 方向的总弯矩为：
（1）
对y 方向的总弯矩为：
（2）
式中c――柱帽宽度；q――均布荷载；板柱节点处上、下柱柱端弯矩之和可近似取以下数值：
中柱0.25Mox或0.25Moy
边柱0.40Mox或0.40Moy
上、下柱的弯矩，可按线刚度进行分配。如楼盖外边缘有悬臂伸出，则边柱节点弯矩可扣除由悬臂荷载引起的弯矩后再分配。
三、截面设计
对竖向荷载作用下有柱帽的板，考虑到板的穹顶作用，除边跨跨中及边支座外，其他截面的计算弯矩，均乘以0.8 的折减系数。板的有效高度，同一区格在两个方向的同号弯矩作用下，应分别采用不同的有效高度。当为正方形区格时，为了简化起见，可取两个方向有效高度的平均值。
四、无梁楼盖的冲切计算
在局部荷载或集中反力作用下不配置箍筋或弯起钢筋的板，其受冲切承载力应满足《混凝土结构设计规范》GB50010-2002 第7.7.1 的要求； 配置箍筋或弯起钢筋的板， 应满足《混凝土结构设计规范》GB50010-2002 第7.7.3 的要求。
当无梁楼盖的跨度大于6m，或其相邻跨度不相等时，按等效静荷载和静荷载共同作用下求得的冲切荷载，应乘以系数1.1 作为冲切荷载设计值。当无梁楼盖的相邻跨度不等，且长短跨之比超过4：3，或柱两侧节点不平衡弯矩与冲切荷载设计值之比超过0.05 （c+h0）（c 为柱边或柱帽边长）时，应设箍筋。
五、运用PKPM 软件进行无梁楼盖的设计
1、无梁楼盖的整体三维计算无梁楼盖结构的整体计算可通过PKPM 软件中的SATWE 软件进行。由于SATWE 软件具有考虑楼板弹性变形的功能，可以采用弹性楼板单元较为真实的模拟楼板的刚度和计算变形。在建模时应进行一定的处理：在PMCAD 人机交互式输入时，在软件中需输入框架梁的位置上布置截面尺寸为100*100 的矩形截面虚梁。（但在边界处及开洞处最好是布置实梁）。这里布置虚梁的目的有二： 其一是为了SATWE 软件在接力PMCAD 的前处理过程中能够自动读取楼板的外边界信息；其二是为了辅助弹性楼板单元的划分。当然，虚梁是不参与结构的整体分析的，实际上SATWE 的前处理程序会自动将所有的虚梁过滤掉。此外， 为了正确分析该结构，在SATWE 程序中还应将无梁楼盖的楼板定义为弹性楼板。
模型建立后就可使用SATWE 软件对无梁楼盖结构进行三维整体分析计算了。必须注意的是，由于在此定义了弹性楼板，我们必须选择“算法二”即总刚算法进行计算。
2、楼盖的设计计算。无梁楼盖的整体分析计算完成后，我们可以利用SATWE 软件中的“复杂楼板有限元计算”SLABCAD 模块进行楼盖的分析计算。首先点取“生成楼板有限元分析数据”菜单来生成有关的计算数据，并将相应的计算条件及计算参数进行定义。如果是预应力楼板的话还应选取预应力参数。当然，此时必须注意的是：由于有限元的计算原理所致，对于楼板的有限元划分长度不一样可能会对计算结果产生一定的影响。
同时我们还可补充输入无梁楼盖的其它数据，如楼板的洞口及柱帽等特殊构件。并可对楼板不同部位的板厚进修改：同时，我们还可以在楼板上添加任意的荷载，包括在PMCAD 建模时无法输入的板上的任意线荷载及点荷载。此外，我们还可以输入支座沉降及约束等补充数据。SLABCAD 的补充数据输入完毕后我们就可以通过“有限元分析和计算”菜单对无梁楼盖进行设计计算了。对无梁楼盖的计算内容主要包括楼板的内力、位移、配筋计算及板的冲切验算等。计算完毕后再通过“分析结果图形显示”菜单查询其计算结果。
六、构造要求
1、 抗冲切箍筋配置。按计算所需的箍筋及相应的架立钢筋截面面积应配置在与45 度冲切破坏锥体面相交的范围内， 且从集中荷载集中面或柱截面边缘向外的分布长度不应小于1.5h0； 箍筋应做成封闭式，箍筋直径不应小于6mm，也不宜大于12mm，其间距不应大于2h0/3。
2、抗冲切弯起钢筋配置。按计算所需的弯起钢筋其弯起角度可根据板的厚度在30～45 度之间选取；弯起钢筋的倾斜段与冲切破坏锥体斜截面相交，其交点应在集中荷载作用或柱截面边缘以外1/2～2/3 板厚的范围内。弯起钢筋直径不宜小于12mm，且每一方向不宜小于三根。
3、楼板配筋形式。楼板配筋一般采用双向配筋。支座上承受负弯矩的钢筋，宜采用不小于直径为12mm 的钢筋。考虑抗震的无梁楼板。板顶面应配置抗震钢筋，其配筋率应大于0.25ρ（ρ 为支座处负钢筋的配筋率）。
4、设置抗震墙的板柱结构抗震设计要求。房屋的周边和楼梯、电梯洞口周边应采用有梁框架；抗震烈度8 度时宜采用有托板或柱帽的板柱节点，托板或柱帽根部的厚度（包括板厚）不宜小于柱纵筋直径的16 倍。托板或柱帽根的边长不宜小于4 倍板厚及柱截面相应边长之和；房屋的屋盖和地下一层顶板，宜采用梁板结构等
5、圈梁配筋形式。当无梁楼板不伸出外柱外侧时，在板的周边应设置圈梁，圈梁截面高度不应小于板厚的2.5 倍。圈梁按计算配筋，抗扭箍筋不应小于A6@200 或A6@150,且做成封闭式，搭接长度不小于锚固长度，抗扭纵筋不宜小于4B12，圈梁下部纵向钢筋的两端伸到柱外边，上部纵向钢筋须通长布置，且搭接点宜在跨中。
七、结束语
无梁楼盖较之传统的梁柱结构体系具有建筑空间大，施工支模简单，钢筋绑扎方便，施工速度快等优点，但受力复杂、抗震性能差。本文总结以往实际工作，以SATWE 软件为例，系统的介绍了此类工程的结构设计情况，可为同类工程实际设计参考。
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