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空心楼盖与实心楼板在高层结构设计中的对比

近几年，在建筑行业中开始推广使用空心楼盖结构，尤其对于高层结构。在高层建筑中，空心楼盖结构的优点很显著。它的结构自身重量较小，需要使用的钢筋量也比较小，施工过程简单。同时，空心楼盖有利于节约施工材料与工程成本，降低工程造价，缩短工程时间等。但是和实心楼板相比，二者在结构上有明显的不同。本文主要以一算例，针对空心楼盖与实心楼板结构进行建模、运算，按照所得数据，对比二者的各项功能。详细内容如下。

       一、空心楼盖与实心楼板的结构概述

       在高层建筑建设过程中，空心楼盖结构具备很多优点。包括：它有利于增加楼层的净高，大空间现浇空心楼盖体系中，楼盖结构的厚度在250与500毫米之间。能够促使楼层净高提高250到700毫米；不需要使用吊顶，也可以保证建筑物的室内顶棚更加美观；室内的空间会更广，经济跨度能够达到8到12米之间；有利于增加楼层的数量，在确保楼层的基本净高的基础上。利用对层高的压缩，增加更多的楼层；空心楼板结构的应用，有利于增强建筑物的隔热与隔音功能。在内置的空腔内，也可以增强楼板的隔热功能。楼板的平均厚度会大于常规楼板，达到更好的隔音效果。另外，在结构方面，空心楼板自身的重量较小，需要使用钢筋量也较小，施工过程不复杂。在工程成本方面，空心楼板有利于节约各类施工材料，减少模板的用量，降低工程造价，缩短工程时间，减少各项费用等

       在传统的高层建筑中，都会应用到实心楼板结构。这是因为实心楼板的厚度较小，刚度较小。因此，如果在研究受力情况时，只顾及楼板可能会框剪结构内的梁或者框架，可能会存在局限性。而且，楼板与框剪结构内的梁或者框架之间是互相对立的，需要从不同角度分析。不应该考虑二者的变形，以及关于楼板的问题。但是，尽管空心楼板结构属于空心的。然而，它的厚度比较大，而且扁梁较多，有时还存在梁高和板厚相同的情况，楼板会在很大程度上影响到梁。另外，空心楼板内模中是肋梁，如果将肋梁作为结构梁，那么空心楼盖结构可以被当做密肋梁结构。因此，空心楼板结构与实心楼板之间有明显的不同之处。

       二、算例说明

       本算例为13层框剪结构，各层高为3.3m，X向36m，Y向27m。结构安全等级为二级，结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，基本风压为

       0.5kN/m2，场地类别为Ⅱ类，地震设计分组为一组，结构阻尼比0.05。荷载按 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》取值。两种结构的混凝土等级均为C30，剪力墙和柱子的位置和尺寸均一样，不同之处是每一层的梁板。空心楼盖的扁梁尺寸为900mm×300mm，板厚300mm；实心楼板的主梁为250mm×800mm，井字梁为200mm×600mm，板厚为100mm。

       三、计算比较分析

       1、楼层测向刚度

       由所得数据可知，在空心楼板结构中的隔层测向刚度只有实心楼板的一半。高层结构的竖向构件和它们之间的关系会直接影响到高层结构的抗侧刚度。本文所举的空心楼盖和实心楼板的竖向构件是一致的，因此如果它们的测向刚度存在不同，必然是梁板因素的影响。与空心楼盖相比，实心梁板结构的梁高大于扁梁，抗弯刚度比较强。如果在保持竖向构件一直的前提下，实心梁板的抗侧刚度必然会比空心楼盖更大。相关人员应该深入分析二者之间相差的程度大小。

       因目前结构计算分析软件的限制，楼板与结构梁独立计算，未能充分考虑到厚度大的空心楼板对整体结构的刚度贡献，故计算出来的侧向刚度会比实际的要小。如果按照实际情况分析，空心楼板里面大量的肋梁与扁梁整体浇筑，紧密相连，对整体刚度有一定的增大，应参与到整体的受力分析中。

       2、地震作用下*大层间位移

       首层两种结构的*大层间位移几乎相等，随着楼层增加，空心楼盖结构的*大层间位移开始大于实心楼板结构，而且相差的幅度也随着楼层的增加而增大，在*高层的位置空心楼盖结构的*大层间位移是实心梁板的两倍多。首层的层间位移几乎相等是因为受到了基础的强约束，随着层数增加，受到的约束越来越小，在地震作用下层间位移便越来越大了。在较高楼层，空心楼盖结构的*大层间位移之所以远大于实心楼板结构的两倍有余是因为上述的侧向刚度计算结果所导致的。值得注意的是，空心楼盖*大层间位移出现在楼层的位置与实心楼板的不一样。空心楼盖结构的*大层间位移出现在第7层附近，而实心楼板结构的出现在第5层附近。这说明空心楼盖结构*薄弱的位置比实心楼板结构的要高，应注意薄弱位置的加强。

       3、*大层间位移角

       空心楼盖结构的*大层间位移角都比实心楼板结构的要大，且*大层间位移角出现的位置也都比实心楼板结构的要高，与上述的计算结果保持一致。高层建筑*大层间位移角限值为1/800，两者均满足此限制，同时可以看出实心楼板结构的偏于安全，而空心楼盖结构偏于经济。这里还值得分析的地方是，风荷载导致空心楼盖结构的*大层间位移角大于实心楼板结构的两倍，而地震作用产生的*大层间位移角却少于实心楼板结构的两倍，这里的原因是空心楼盖结构的整体质量小于实心楼板结构，地震作用就会相对较小，因此两者地震作用下的*大层间位移角会相差得比较小。这里可以体现空心楼盖结构能够减小地震作用的特点。

       4、前三振型的自振周期与振型参与质量

       空心楼盖结构的前三个振型自振周期都比实心梁板的要大，比后者大30%左右，但是振型的参与质量比实心梁板的要小。自振周期长，说明空心楼盖结构的整体刚度较柔，与上述的计算数据是吻合的，实心梁板结构整体刚度大，较为吸收地震作用，产生的地震力大，为了保证结构安全会提高整体造价，这里再次体现空心楼盖减小地震作用，降低造价的特点。

       5、结构地震作用下地震力及地震剪力

       两种结构在底部3层的地震力相差无几，从第4层开始空心楼盖结构的地震力小于实心梁板结构，随着楼层增加，相差幅度越来越大，在第11层达到*大，然后两者的地震力又开始趋向一致。结构顶层地震力突然增大，是鞭梢效应的影响导致地震力放大的结果。空心楼盖结构首层地震剪力比实心梁板结构小，相差幅度大约为28%。随着楼层增加，相差幅度逐渐减小，到顶层两者的地震剪力几乎相等。空心楼盖结构的地震力比实心梁板的小缘于其整体质量比较小，虽然前面其他数据分析这样会减小整体刚度，抵抗力会下降，位移会增大，但是地震力减小，能够大大提高结构的经济性，而且还能保持结构在规范的安全范围内，这是空心楼盖结构得以逐渐推广的重要原因之一。

       四、结语

       综上所述，空心楼板结构中，结构梁有所减少，刚度也不够大。与实心楼板相比，它的刚度较小，在*大层间的位移和产生的位移角度都偏大，处于的位置也偏高。另外，空心楼板的质量也比较小，这会在一定程度上削弱地震力，有利于降低高层建筑物的工程成本，降低工程造价，从而增强建筑物建设的经济性。

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