现浇空心楼盖在多层物流仓库结构设计中的应用

刘艳萍 1 徐新峰 2

1. 中国海诚工程科技股份有限公司 200032 2. 上海建工集团股份有限公司 200080

摘要: 近年来随着物流行业的蓬勃发展，以及规划政策对土地资源利用要求的提高，多层物流仓库项目数量随之增长。因此类项目具有其自身特点，现浇空心楼盖在该类型结构中得到应用，并体现出增大净空和施工便利等优点。本文结合实际项目对现浇空心楼盖的工程特点和结构设计要点做出简要分析。

关键词: 现浇空心楼盖特点 结构设计要点

多层物流仓库项目结构设计具有如下特点：1. 楼盖荷载取值大。根据储存商品或物资不同，楼面荷载取值较常规工业或民用建筑大。其中按照《通用仓库及库区规划设计参数》GB/T 28581-2012规定，仓库承重根据存储货物类别、货架类型、装卸机械等因素进行设计，宜不小于3t/m²。 《冷库设计规范》 GB 50072-2010规定，冷却间、冻结间、运货穿堂、冷却勿冷藏间等楼面活载15kN/m²,冻结物冷藏间楼面活载20-30kN/m²,单层高货架库房根据货架平面布置和货架层数按实际情况计算取值。2.柱距较大。根据仓库功能、货架布局、作业流程等因素，并考虑经济性和安全性的需要，常用柱距为9m～12m，顶层设置轻钢屋盖时抽柱后跨度可达18~36m。3. 层高较高。考虑仓库容积率、储存货物类别、货架类型、作业机械、机电管线布置等因素，仓库层高较一般建筑高，常见层高不小于8m，高架仓库层高可达20~30m。 4. 底层地坪或楼盖标高有抬高需求。仓库卸货区平台楼盖高度根据运输车辆底板高度确定，相对车辆停放区域抬高1m～1．4m，相应升降平台处需配合做局部降板构造。同时地坪设计时如遇较大活荷，可结合岩土勘察资料中土层分布及特性，采取地基处理措施或设置结构地坪。

与多层仓库项目上述特点对应，近年来现浇空心楼盖技术因其对该类项目的大柱网、重荷载具有较好的适应性，得到了较多的应用。现浇混凝土空心楼盖的定义，是采用内置或外露填充体经现场浇筑混凝土形成的空腔楼板，和支承梁(或暗梁)等水平构件形成的楼盖结构。此类型楼盖用轻质材料以一定规则排列替代部分混凝土而形成空腔或轻质夹心，可在提供足够承载能力的条件下，有效减轻结构自重、增加楼板刚度。

下文以江苏省昆山市某食品加工及冷库项目为例，对普通梁板楼盖与现浇空心楼盖方案进行比选。本项目总建筑面积约45.4万平方米，50年基准期基本风压0.45kN/m²，地面粗糙度为B类，50年基准期基本雪压0.40 kN/m²，抗震设防烈度为7度, 设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为 0.10g，场地类别为Ⅲ类，场地的特征周期Tg为0.45s。项目包含生产车间、仓库、办公及设备用房等子项，其中仓库根据生产需要分为冷库、常温库，各仓库层数为5-6层，建筑高度约58.5m。仓库单体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级二级。仓库标准层柱网9mx12m为主，冷库、常温库楼面建筑面层及板底机电管线合计恒载取值分别为6.0、2.0kN/m²，楼面活载20-30kN/m²，楼盖梁板混凝土强度等级C40,主体结构纵筋强度等级HRB500，其余钢筋强度等级HRB400。以仓库3为例，设计前期按控制梁板合理配筋率原则进行楼盖方案比选，按沿柱网长向设置间距3.0m单向次梁时板厚130mm、140mm，设置间距4.5m单向次梁时板厚150mm、160mm，不设次梁现浇空心板时板厚350mm、400mm六种楼盖方案计算后比较设计方案合理性。典型柱距内梁板布置示意见附图1，空心楼板填充体布置见附图2。其中现浇空心板内填充体平面尺寸采用500x500mm, 填充体间实心混凝土形成的肋宽100mm，厚度方向自上而下为80mm+填充体厚度+70mm，混凝土容重取25kN/m³，填充体容重取5kN/m³。

附图1 楼板比选方案

附图2 空心楼板填充体布置

按照《现浇混凝土空心楼盖规程》JGJ／T 268，空心板楼盖分类如下：由墙或竖向刚度较大的梁作为楼板竖向支承的楼盖为刚性支承楼盖；由竖向刚度较小的梁作为楼板竖向支承的楼盖为柔性支承楼盖；由柱做为楼板竖向支承，且支承间没有刚性梁和柔性梁的楼盖为柱支承楼盖。周边刚性支承的内置填充体现浇混凝土空心楼板，可采用拟板法计算，也可采用拟梁法计算；周边刚性支承的外露填充体现浇混凝土空心楼板宜采用拟梁法计算； 柱支承、柔性支承及混合支承现浇混凝土空心楼盖竖向均布荷载下的内力宜采用经验系数法计算，当不符合经验系数法的规定时，可采用等代框架法按计算；承受地震及风荷载作用的柱支承、柔性支承及混合支承现浇混凝土空心楼盖，采用等代框架法计算。

根据上述规定，本项目按照刚性支承楼盖采用拟板法进行板抗弯承载力计算，其中现浇混凝土空心楼板的自重考虑空心的影响，即综合考虑实心钢筋混凝土与轻质填充体的单位面积实际重量输入计算模型。选取两相邻填充体中心线之间的范围作为一个计算单元，折实厚度计算公式如下：

G=(V_u-V_fil)*r+G_fil

G—空心楼板区格内自重(kN)； G_fil—区格内填充体的重量(kN)；

V_fil—区格内填充体的体积(m³)； V_u—区格内总体积(m³)；

γ—混凝土重度(kN/m³)。

现浇混凝土空心楼盖进行承载力计算时，取楼盖混凝土实际截面，当填充体为内置填充体时，将计算单元简化为“工”形截面计算其截面积A和截面惯性矩I。正截面受弯承载力计算时，位于受压区的翼缘计算宽度按《混凝土结构设计规范》GB 50010确定，受压区高度不宜大于受压翼缘的厚度，当混凝土受压区高度小于受压翼缘厚度时，可按与翼缘等宽矩形截面验算正截面抗弯承载力，即抗弯承载力计算时可取等厚度实心现浇板对应截面模量。

按照《现浇混凝土空心楼盖规程》JGJ/T 268，当在现浇混凝土空心楼盖的设计中采用了适宜的构件跨高比、周边约束条件和构件配筋特性，且有可靠的工程实践经验时，可不作结构构件的挠度和裂缝宽度验算。实际工程挠度验算时，板边为边跨、变标高等铰接支座板块，可能出现跨中挠度超出规范限值的情况，需按《混凝土结构设计规范》调整板厚或配筋并验算板挠度至满足规范。其中当现浇混凝土空心楼板做为各向同性板计算时，弹性模量E可按下式计算：

E=I*E_c/I_o

式中：I-计算单元截面惯性矩(mm4),填充体内置时简化为工字形截面；

I₀-计算单元等宽度实心板截面惯性矩(mm4)； E_c-混凝土弹性模量(N/mm²)。

按上述方案及截面特性计算规定，比选130、140、150、160mm厚现浇实心板与300、350、400mm厚现浇空心板自重、截面特性如表1，其中对应的现浇空心板几何参数如表2。

表1

表2

由表1、2数据可知，空心楼板因为上下翼缘实心混凝土与板厚中部轻质填充体材料的合理组合，随着空心板厚度增加，现浇空心板相对实心薄板单位自重对应截面惯性矩及抗弯承载力显著增加，对于大跨度、大荷载楼盖具有较好的适应性。

选取典型实心板130、160 mm厚与空心板400、350mm厚楼盖，采用PKPMV5.2版软件计算后统计楼层内梁板钢筋混凝土用量，数据如表3所示。

表3

对上述数据分析可知，现浇实心板方案中次梁间距3m板厚130mm楼盖相对次梁间距4.5m板厚160mm楼盖经济，其中单位面积梁板混凝土用量减小1.5%，钢筋用量减小4.0%。不设置次梁的现浇空心板方案中板厚400mm楼盖相对350mm厚楼盖经济，其中单位面积梁板混凝土用量增大4.5%，钢筋用量减小5.8%。板厚400空心楼盖相对板厚160实心楼盖混凝土用量增大10.2%，钢筋用量减小0.6%。因此，在选用合理板厚的情况下，现浇空心楼盖单位面积混凝土用量有所增加，钢筋混凝土用量可与次梁间距较大的实心楼盖相当。

本项目采用空心楼盖方案时，另有如下优点：柱网内部不设次梁，增加室内净空500~600mm，可增加仓库货架堆放高度；减小了冷库区域楼层间包裹楼面梁的保温层工程量；空心板内部采用轻质填充体提高隔声节能效果；不设次梁减少模板工程量、缩短施工工期；轻质填充体材料费占比较小。综上所述，空心楼盖方案增加了项目综合效益，经济技术指标较其它类型的楼盖体系具有一定优势。

附图3 空心楼板结构平面

项目采用附图3所示结构平面布置，进行结构整体分析时现浇空心楼板较常规板厚度大，楼板假定参照表4中楼盖计算假定适用原则选取400mm厚刚性板与400mm、371mm厚弹性板6计算，其中400mm、371mm厚弹性板分别对应与空心板等厚度的矩形实心截面弹性板、与空心板截面模量相等的弹性板，刚性楼板假定时按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010取梁刚度放大系数。对上述方案进行计算分析，比较结构整体动力特性、小震作用下楼层地震剪力及静震(规定水平力)工况下的倾覆力矩、框架与剪力墙承担弯矩百分比，结果如表5-7所示。

表4

表5

表6

由以上计算结果分析可知，本结构所采用现浇空心楼盖，在结构整体分析时按强制刚性楼板假定并考虑规范梁刚度放大系数时，计算所得结构基本周期与按弹性板6考虑楼板实际刚度所得周期相近，差值均小于4.0%。对于空心楼板采用等厚度实心板参与整体计算，或按楼板抗弯截面模量相等原则折算厚度参与整体计算，所得结构基本周期相当，差值不大于1.0%。整体分析对应的各楼层地震剪力，强制楼板刚性假定下所得剪力可包络弹性板6假定结果，且差值不大于1.0%。

表7

同时，因本结构受适用高度限制采用框架—剪力墙结构，比较不同楼板假定所得框架、剪力墙承担弯矩比例，刚性楼板假定下底部楼层框架部分承担弯矩比例略小，剪力墙承担弯矩比例略大；上部楼层框架部分承担弯矩比例略大，剪力墙承担弯矩比例略小；除顶层剪力墙弯矩占比差值约8%外，其余楼层框架、剪力墙弯矩占比差值均在3%以内。可认为刚性假定所得结果与弹性板计算结果相当。

另外，楼盖设计中需注意空心板抗剪承载力需做单独验算，必要时须按计算沿板横向设置拉筋或箍筋等抗剪钢筋。同时超长结构或工作温度较低的冷库等建筑，分析楼盖温度作用时板厚影响较为明显，因篇幅所限本文不做赘述。

综合以上方案比选、分析结果可知，现浇空心板楼盖相对实心板楼盖可在自重增加有限的条件下显著提高平面外抗弯承载力，且可有效增加室内净空、提高隔声节能效果、减少模板工程量、缩短施工工期，因此对于大跨度、重荷载的物流仓库项目具有较好的适用性，和相对经济的综合效益。

在现浇空心楼盖结构分析中，空心楼板的板厚与常规楼盖相比对于楼层刚度影响较小，取与空心板等厚实心板参与结构整体抗震计算，按所得主体结构动力特性、楼层地震剪力、框架与剪力墙承担倾覆力矩比例，与考虑空心板实际刚度的弹性板假定下所得结果相近。

同时，实际工程中对满足拟板法假定的楼盖，楼板抗弯承载力计算中按照与空心板等厚度实心板输入模型，并考虑空心部位填充体对板自重影响调整恒载，所得楼板抗弯承载力验算结果可满足规范条文要求。

参考文献：

《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012

《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010（2015年版）

《建筑抗震设计规范》 GB 50011-2010（2016年版）

《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ3-2010

《冷库设计规范》 GB 50072-2010

《现浇混凝土空心楼盖技术规程》 JGJ/T 268-2012

《现浇混凝土空心楼盖》 05SG343