Design of Long-Span Tow-way Prestressing Ribbed Floor-shear Wall Structure System
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摘要: 大跨度双向预应力密肋楼盖-剪力墙结构作为一种新型结构体系具有其显著特点及不同于普通密肋楼盖结构的设计方法。本文以实际工程为例，在计算分析数据及现有理论的基础上，探讨了此新型结构体系用于实际工程的设计思路和具体方法，并通过AUTOCAD VBA编程实现密肋楼盖密肋梁精细化配筋方法，为同行提供相关设计思路。
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关键词:
- 预应力 /
- 密肋楼盖 /
- 设计方法 /
- AUTOCAD VBA
Abstract: As one kind of new structure system, long -Span tow-way prestressing ribbed floor-shear wall structure has its remarkable characteristic, and is different with the ordinary ribbed floor structure. This article took an actual project as an example, discussed the design mentality and the design method of this new structure system used in the actual project based upon computation analysis data and existing theory. Moreover, it realized refine reinforcement of ribbed floor by AutoCAD VBA, provided the correlation design mentality for colleagues.-
Keywords:
- Prestress /
- Ribbed Floor /
- Design /
- AUTOCAD VBA
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引言
当前, 随着我国建筑业的蓬勃发展，各种新型结构体系日益增多，这对建筑结构设计带来了新一轮的挑战。密肋楼盖是一种比较经济合理的楼板体系，在日常工程中有较多应用，不仅自重轻，还有较好的净空高度。常规工程中密肋楼盖一般应用于跨度或柱网小于或等于12 m的结构体系中，但是当跨度大于12 m甚至达到26 m，且存在14 m悬挑结构时，密肋梁如何布置，如此大跨度密肋楼盖挠度裂缝如何保证，结构施工图如何设计等一系列问题成为技术难点。本文以实际工程为例，结合近几年大跨度密肋楼盖的研究成果，探索大跨双向预应力密肋楼盖-剪力墙结构体系的设计方法。
1. 工程概况
某项目位于上海市嘉定区，拟建项目以研发办公、产品试制用房为主，配合部分园区服务中心和商务配套用房。地上总建筑面积约16 m2，地下总建筑面积约4.5万m2。整个项目分为A、B、C、D和E等5个地块，各地块均包含若干单体。其中B地块包括1T座、2T座、3T座、4T座共4个组合，每个组合包括若干栋楼，共计15栋小面积的3层塔楼、7栋大面积的5层塔楼，以及包围塔楼的2层裙房。本地块无地下室。每栋楼标准层平面形状为不规则多边形，仅在周边布置有墙，中间无柱，楼盖跨度从12 m到26 m。典型楼面形势、典型剖面、典型立面如图 1、2、3所示。
根据建筑设计，立面窗洞呈不规则的形式，上下不对齐，如图 3所示。
本地块各单体均由2层裙房作为各塔楼的底盘。裙房呈方形，边长约50~70 m。其中二层楼面为室外平台，三层楼面则为轻型屋面(无防水、保温功能)。根据建筑设计要求，首层柱应尽量少，故造成二层楼面有大量悬挑，最大悬挑跨度达9~14 m。
2. 大跨双向预应力密肋楼盖-剪力墙结构体系受力分析及设计
本地块建筑单体楼盖跨度大，且不能立柱，因此需要一种有效的梁板楼盖体系以承受竖向荷载并传递水平力。由于密肋楼盖有良好的整体性，且刚度大，承载力高，抗震性能好，因此楼盖采用双向密肋楼盖。根据本地块建筑设计特点，塔楼部分结构选型采用剪力墙结构体系，裙房部分布置跨度不等的柱仅传递竖向荷载。整体结构抗侧力为剪力墙体系以承担密肋梁在水平荷载作用下所产生的弯矩和剪力。剪力墙主要沿外立面布置，内部电梯井道、楼梯间、设备管井等亦布置有剪力墙。由于楼盖跨度达12~24 m，故拟采用双向预应力密肋体系，如图 4所示。裙房二层结构的密肋体系如图 5所示。
结构整体计算采用SATWE进行结构整体分析。裙房三层则采用钢管柱+H型钢梁+压型钢板轻型屋面体系，不参与整体抗侧作用，仅考虑竖向荷载和风荷载。由于外立面窗洞上下错位，因此墙板须进行细致的有限元分析，于是采用PMSAP进一步分析，找出应力集中部位，并予以加强。具体做法为沿外墙在楼面标高处设置圈梁，厚度大于墙厚，作为洞口加强。在SATWE中完成整体结构分析后，将模型转入复杂楼板有限元计算模块(SLABCAD)进行密肋楼盖的分析计算，以保证复杂楼盖板计算分析的准确性及精度。
本地块各单体不规则性主要表现为：1)二层外挑超过4 m；2)二层平面处，分裂为多个塔楼，4T塔楼偏置；3)二层平面有楼面大开洞；4)外墙洞口上下不对齐，形成竖向不规则。针对所存在的不规则性，结构设计采取以下措施以保证计算分析的准确性和结构的安全合理性：1)整体计算时将按弹性楼板、多塔进行，充分考虑多塔、楼板洞口的不利影响；2)错洞墙板进行有限元分析，配筋设计考虑应力分析结果；3)靠近凹口两侧的暗柱箍筋全高加密；4)二层楼面作为上部多塔的底盘屋面将予以加强，特别是多塔之间的连接屋面将予以加强；5)密肋楼盖跨度较大，采用双向预应力密肋梁以满足挠度要求。结构整体计算分析主要结果如表 1所示。图 6为4T楼最大楼盖PKPM梁平法施工图模块梁板共同作用计算挠度，均满足规范要求，后期进行预应力设计便能满足舒适度要求。
表 1 结构整体计算分析主要结果3T 4T 地震作用 周期(s) T1 0.17(Y平动0.95) 0.18(Y平动0.99) T2 0.16(X平动0.81) 0.17(X平动0.99) T3 0.14(Y平动0.73) 0.14(Y平动0.97) 地震作用最大的方向 14.53度 -39.34度 最大层间位移角 X向 1/9999 1/9999 Y向 1/9999 1/9999 最大层间位移与平均层间位移之比 X向 1.31(1层)(X+5%) 1.46(3层)(X+5%) Y向 1.29(1层)(Y+5%) 1.19(4层)(Y+5%) 基底剪力
(kN)X向 8215 2742 Y向 7062 2913 倾覆弯矩
(kN-m)X向 140560 79454 Y向 132073 85448 报型数 24 27 剪重比 X向 5.10% 3.98% Y向 4.79% 4.28% 质量参与系数 X向 99.77% 99.50% Y向 99.42% 99.50% 风荷载作用 层间位移角 X向 1/9999 1/9999 Y向 1/9999 1/9999 基底剪力
(kN)X向 1574 1621 Y向 1322 1782 倾覆弯矩
(kN-m)X向 21519 21618 Y向 17942 23759 结构总质量
(T)(地上部分)19869 14971 3. 结构施工图设计
本工程剪力墙众多，从而导致大量边缘构件设计，虽然数量众多，但比较常规，不难下手。但是密肋楼盖的配筋难度较大，由于楼盖跨度较大，从而导致密肋梁跨中及支座处配筋较大，且楼盖平面形状不规则，无规律可循，因此一般的梁平法标注及统一说明无法应用，再者考虑到经济性要求，不宜对密肋梁全跨拉通配筋。密肋楼盖配筋的合理性将会直接影响工程整体楼盖的经济性、楼板面混凝土开裂状况以及施工的便利性。密肋楼板的配筋也不同于常规工程中的普通梁板楼盖体系的板配筋，其主要的受力钢筋为梁跨中下部受拉钢筋及支座处负筋。若对密肋梁逐根配筋，又会带来较大工作量，因此需要一种快捷且准确的配筋方法来解决以上问题。
本工程通过AUTOCAD VBA编程，直接利用PKPM生成的结构平面梁配筋结果图，读取其中的梁配筋面积，自动分析配筋面积值，并将定义区间的配筋面积数值转变为预先定义的特殊符号，用以表示具体的梁配筋方案，具体编程思路及实现方式如图 7所示。
通过该VBA程序，生成的密肋梁"配筋云图"，不仅能够快速完成梁配筋，而且能够保证配筋的准确性，同时保证了图面的简洁明了，不同颜色错落有致，具有一定的美观性，如同应力云图一般。图 8为最终的结构梁板配筋施工图。
4. 结论
(1) 大跨双向预应力密肋楼盖-剪力墙结构体系具有良好的空间整体性，各阶自振周期短，结构侧移小，抗震性能优越。
(2) 对于复杂楼盖体系，需要分析精度更高的软件进行计算分析，避免计算结果的失真。
(3) 密肋楼盖应采用有效的措施加强梁支座刚度及合理的配筋方案，以避免支座及大跨梁梁底混凝土开裂。
(4) 利用AUTOCAD VBA编程，快速高效准确地完成密肋梁配筋，能将结构工程师从繁琐重复的施工图中解放出来，将更多的静力用于结构分析，提高结构整体的安全性及经济性。
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表 1 结构整体计算分析主要结果
3T 4T 地震作用 周期(s) T1 0.17(Y平动0.95) 0.18(Y平动0.99) T2 0.16(X平动0.81) 0.17(X平动0.99) T3 0.14(Y平动0.73) 0.14(Y平动0.97) 地震作用最大的方向 14.53度 -39.34度 最大层间位移角 X向 1/9999 1/9999 Y向 1/9999 1/9999 最大层间位移与平均层间位移之比 X向 1.31(1层)(X+5%) 1.46(3层)(X+5%) Y向 1.29(1层)(Y+5%) 1.19(4层)(Y+5%) 基底剪力
(kN)X向 8215 2742 Y向 7062 2913 倾覆弯矩
(kN-m)X向 140560 79454 Y向 132073 85448 报型数 24 27 剪重比 X向 5.10% 3.98% Y向 4.79% 4.28% 质量参与系数 X向 99.77% 99.50% Y向 99.42% 99.50% 风荷载作用 层间位移角 X向 1/9999 1/9999 Y向 1/9999 1/9999 基底剪力
(kN)X向 1574 1621 Y向 1322 1782 倾覆弯矩
(kN-m)X向 21519 21618 Y向 17942 23759 结构总质量
(T)(地上部分)19869 14971 
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[1] 中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司设计软件事业部, SATWE(2010版)用户手册及技术条件[M]. 北京: 中国建筑科学研究PKPM CAD工程部, 2010. [2] 中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司设计软件事业部, SLABCAD(2010版)用户手册及技术条件[M]. 北京: 中国建筑科学研究PKPM CAD工程部, 2010. [3] GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S]. 北京, 2010. [4] GB 50010-2010, 混凝土结构设计规范[S]. 北京, 2010. [5] 张帆, AutoCAD VBA二次开发教程[M].北京:清华大学出版社, 2006. https://book.douban.com/subject/1728074/ [6] 张帆, 郑立楷.AutoCAD VBA开发精彩实例教程[M].北京:清华大学出版社, 2004. http://www.bookask.com/book/19080.html [7] 步瀛, 王祎.与土木工程专业相结合的VB教学[J].高等建筑教育, 2007, 16(3):120-123. http://www.cqvip.com/QK/72003x/201548/epub1000000100146.html [8] GB/T 50001-2010, 房屋建筑制图统一标准[S]. 北京, 2011. [9] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京, 2010. [10] 曾洪飞.AutoCAD VBA&VB.NET开发基础与实例教程[M].北京:中国电力出版社, 2013
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