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多層輕鋼結構樓蓋的設計與經濟性比較

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    　　一、 概述
    　　近年來輕鋼結構在我國的發展很快，其中包括多層輕鋼結構建筑和含夾層的門式剛架建筑。在這些結構當中樓蓋的合理選擇對整個結構的安全性、經濟性顯得至關重要，它不僅起到將豎向荷載傳給梁柱，保證抗側力結構的空間協同作用，而且還影響到建筑的使用功能和造價以及施工的進度，因此在確定多層輕鋼結構樓蓋的方案時，應主要考慮以下幾點要求：
    　　（1）保證樓蓋有足夠的平面整體剛度。
    　　在現代多高層建筑中由于其功能復雜，體系多樣且高度較大，為有效地抵抗水平地震及風荷載的作用，樓面必須有足夠的剛度，防止結構因較大的變形而發生整體失穩破壞。
    　　（2）減輕樓蓋結構的自重及減小樓蓋結構層的高度。
    　　在傳統的梁板結構形式中，梁高占建筑的層高較多，選擇適宜的組合樓蓋形式，可以有效地減小構件截面尺寸，增大使用空間，減輕結構自重。
    　　（3）有利于現場安裝方便及快速施工。
    　　由于鋼結構的制作安裝是工業化程度很高的一種結構形式，因此在設計時要考慮施工中盡可能不采取傳統模板支模拆模的繁瑣作業，以免影響鋼結構施工進度。
    　　（4）較好的防火、隔音性能，并便于敷設動力、設備及通訊等管線設施。
    　　樓蓋的設計在考慮結構安全性的同時，還應該充分考慮它的適用性，經濟性；使建筑中管線的鋪設同樓蓋的形式緊密的結合起來，既節約了造價，也美化了環境。
    　　從上述的四點要求可以看出，我們在選擇樓蓋時不能僅僅從結構的安全性出發，還要從建筑的整體性出發，綜合考慮。就目前工程中常用的輕鋼結構樓蓋，主要有以下四種形式：
    　　（1）壓型鋼板混凝土樓蓋。
    　　（2）現澆整體混凝土樓蓋。
    　　（3）SP預應力空心板樓蓋。
    　　（4）混凝土疊合板樓蓋。
    　　這四種樓蓋有著各自不同優勢和特點，我們在進行設計時可根據工程的使用功能，受力特點及經濟性要求進行合理的選取，使我們的樓蓋結構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做了一些對比和分析，并結合一個實際工程，對它們的經濟指標進行了比較。

    　　二、 輕鋼結構工程中常用樓蓋的類型和特點
    　　（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在鋼梁上，在壓型鋼板和鋼梁翼緣板之間用圓柱頭焊釘進行穿透焊接，壓型鋼板即可作為澆筑混凝土時的永久性模板，也可作為混凝土板下部受拉鋼筋與混凝土一起共同工作。
    　　在鋼結構設計中，采用壓型鋼板與混凝土組合樓蓋具有多項優點：
    　　（1）合理的設計后，可不設施工專業的模板系統，實現多層同時施工作業，大大加快施工進度。
    　　（2）壓型鋼板的凹槽內可鋪設通訊、電力、通風、采暖等管線，吊頂方便。
    　　（3）壓型鋼板便于運輸、堆放，安裝方便，不需拆卸，火災危險性小。
    　　（4）施工時可起增強鋼梁側向穩定性作用，在組合樓板中壓型鋼板可以作受拉鋼筋使用。
    　　在實際應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，合理設計后，不需要設置臨時支撐，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：
    　　（1）用壓型鋼板后，增加了材料的費用，尤其是鍍鋅壓型鋼板，本身造價較高，需要進行防火處理。
    　　（2）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。
    　　（3）壓型鋼板目前還沒有國家標準，每個生產廠商都有各自的一套技術資料，給設計人員帶來不便。
    　　（二）現澆整體混凝土樓蓋
    　　現澆整體混凝土樓蓋是結構設計中最常用的一種樓板，也是設計及施工人員最為熟悉的一種結構形式。它的一些主要優勢是：
    　　（1）施工工藝簡單，取材方便，造價低廉，適用范圍廣。
    　　（2）平面整體剛度大，抗震性能好。
    　　（3）和鋼梁共同工作，形成組合梁，可減小梁截面的高度。
    　　（4）不受房間形狀的限制，開洞方便，便于設備和管道的垂直鋪設。
    　　（5）取消了壓型鋼板，減少了用鋼量。
    　　盡管它有以上許多優點，但在多高層結構的樓板設計中并不常用，主要是由于以下幾點不利因素：
    　　（1）自重較大，現場濕作業多，現場凌亂。
    　　（2）它需要傳統的模板支撐系統，阻礙下部交通，支模拆模比較繁瑣。
    　　（3）混凝土澆筑完成后，不能及時為后續工作提供條件。
    　　（4）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預應力空心板樓蓋
    　　SP板是引進美國SPANCERETE公司的生產設備和生產技術生產的大跨度預應力混凝土空心板；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構的要求。
    　　以SP空心板做為樓蓋有以下一些優點：
    　　（1）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板采用預應力鋼絞線作為受力主筋，其最大跨度可達18米，可滿足各種結構的需要。
    　　（2）任意切割，不受建筑模數限制。建筑上布局靈活，造型美觀，設計多樣化。
    　　（3）外觀尺寸準確，平整度好。由于該板材為機械成形，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，長寬誤差也都均能控制3毫米以內。
    　　（4）施工安裝快捷，縮短施工期。
    　　（5）抗震性能強；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板房屋建筑做了調查，結果表明其抗震性能好，震害較輕。
    　　（6）用鋼量低。該板采用預應力鋼絞線，無分布筋和其它構造筋，與北京市相同規格和承載力的標準圓孔板相比，其用鋼量減少近一半。
    　　SP預應力空心板樓蓋也有一些不足之處:
    　　（1）跨度大，運輸和吊裝的難度也較普通的預應力圓孔板大，如果不加以注意，容易造成SP板意外的損壞。
    　　（2）現澆混凝土樓板相比，平面內的整體剛度較差，SP板之間是用細石混凝土或砂漿灌板縫的方式來連為一體的，質量不易保證。
    　　（3）SP空心板在使用過程中板與板之間易出現縱向裂縫，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，在鋪設完現澆層中的鋼筋之后澆灌混凝土，當現澆混凝土達到一定的強度時，栓釘連接件使槽口混凝土、現澆層及預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，預制板和現澆層相結合形成疊合板。預制板按照設計荷載配置了承受承受正彎距的受力鋼筋，并伸出板端，現澆層中在垂直于梁軸線方向配置了負彎距鋼筋。負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。預制板既作為底模承受現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。
    　　它的主要優點是：
    　　（1）用預制板代替了模板，取消了腳手架，使施工速度加快。
    　　（2）免去了支模的工序，不中斷下部交通，便于立體交叉施工。
    　　（3）取消了在預制板端預留凹槽，并附設構造鋼筋的傳統復雜構造作法。
    　　（4）疊合板組合樓蓋具備一般組合樓蓋（現澆混凝土樓蓋）的良好受力性能。
    　　（5）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，增加結構的穩定。
    　　（6）它具有輕型大跨，預制裝配，快速施工等特點，符合現代結構要求和我國基本建筑發展國情。
    　　根據以上的分析，我們對四種不同的樓蓋進行歸納、類比，見下表：
    　　表1 統計歸納表
    　　特點類型 平面剛度 模板支撐 施工進度 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
    　　現澆混凝土樓蓋 好 需要 慢 小 一般 好
    　　SP預應力空心板 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、 輕鋼結構中常用樓蓋的經濟性比較
    　　下面結合某工程的設計，對不同形式樓蓋的經濟性進行了比較。
    　　（一）設計的基本條件
    　　四川成都一家具展銷城，該工程為四層框架結構，總建筑面積為12668.8?，橫向柱距為4×7200mm+3×9000mm+4×7200mm。縱向柱距為6×6000mm。如，一層層高為4.5m，其余層高為3.9m。所示結構的樓面恒荷載為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，三類場地，框架的抗震等級為三級。采用普通鋼框架結構體系，主梁采用焊接工形截面；柱采用焊接箱型截面。框架的橫向和縱向梁柱按剛性連接設計，次梁為工字形截面單跨簡支梁；基礎采用柱下獨立基礎。
    　　（二）設計結果
    　　（1） 四種樓蓋用鋼量的比較（見表2）。
    　　在方案設計階段，對四種不同的樓蓋型式進行了設計比較，以便找出一個用鋼量最優，綜合性能較好的設計方案。為了能定量的比較不同樓蓋的用鋼量，在用鋼量統計中只考慮鋼柱、鋼梁的重量，未考慮壓型鋼板，栓釘，現澆板鋼筋的重量。鋼梁的應力比控制在0.7~0.9，撓度按L/400控制，鋼柱的應力比控制在0.6~0.8，并滿足穩定要求。
    　　表2 用鋼量統計表
    　　現澆混凝土非組合樓蓋壓型鋼板非組合樓蓋 名稱 類型 規格 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預應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預應力空心板組合樓蓋 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 綜合指標類比
    　　樓蓋類型 用鋼量kg/? 施工進度 施工費用防火費用樓板開洞 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、現澆混凝土組合樓板厚按120mm計，考慮支模費用。
    　　3、SP空心板和混凝土疊合板考慮了運輸和吊裝費用；SP空心板跨度按9m以內考慮。

    　　四、 結束語
    　　通過本工程實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論：
    　　（1） 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，使結構中梁的用鋼量較大，增加了造價，在工程應用中并不多見。
    　　（2） 壓型鋼板組合樓蓋它考慮混凝土和鋼梁的組合效應，可顯著提高結構的強度和剛度，使梁的撓度減少了1/3，用鋼量減少了15％，綜合效益好，在工程應用中較為廣泛。
    　　（3） 現澆混凝土樓蓋用鋼量與壓型鋼板樓蓋相當，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％，造價節約17％，不需支模，施工速度快，在多層輕型房屋鋼結構(包括輕鋼住宅)中將有廣闊的應用前景。
    　　（5） 混凝土疊合板樓蓋既有現澆混凝土的優勢，又有預制板快速裝配的特點，用鋼量與現澆板相同，造價是壓型鋼板樓蓋的72%，是多高層樓蓋的發展趨勢。

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