非预应力大跨度混凝土空心现浇楼板设计

李 乐，赵静涛

（北京华咨工程设计公司，北京100000）

最近几年，随着经济发展，人们对建筑功能的要求越来越多元化。旧有的办公及居民住宅建筑的房间布局、居室面积、房间功能等指标基本已经全部淘汰更新了。现今的建筑设计者，为了满足使用者也许各不相同的要求，力求使建筑设计具有更大的兼容性。

要做到建筑兼容性，目前最流行的做法就是将建筑空间尽量加大，让业主自行决定所属空间内的布局。这就使现代建筑空间跨度越来越大。由此对结构设计就提出了一个尖锐的问题：一方面，结构设计原则应该是尽量减轻建筑自重；另一方面，板跨加大势必导致板厚增大，加重建筑自重。

大跨楼板采用预加应力是最常用的做法。一般来讲，大跨楼板的承载能力很容易通过计算满足，所以大跨板计算指标应该是由挠度或裂缝控制。预应力技术对于控制裂缝及挠度是最为有效的。但是预应力构件在某些情况下，使用上也有局限性。

首先，预应力楼板一般采用的是无粘结预应力，预应力筋靠两端锚具锚固在板边。钢筋与混凝土无粘结，如遇外界破坏（装修及安装吊件时，在楼板上的钻孔操作难以避免伤及钢筋）；受热（失火，致使钢筋应力松弛）等，板的承载会受损，不易修复。而且，预应力构件造价较高，技术要求严格。一般工程对于采用预应力技术都是要很慎重地论证的。实际在设计中也是会遇到这样情况：大跨板在整个工程中比例很小时，或者其跨度处于预应力使用经济跨度的下限，介于可用可不用之间。这时要确定设计方案，就会很困难。况且，预应力楼板对于减少结构自重并无明显效果。

我们在某幼儿园（两层）的结构设计中（图1），就遇到了上述难题：板跨对于预应力楼板来讲，大多小于经济跨度（9米）；整个建筑只有局部楼板属于大跨度（＞7米），这种情况下采用预应力技术，必定会增加平均施工费用。因此，在设计上，我们就想通过其他途径解决这一问题。

图1 某幼儿园首层结构平面示意图

众所周知，混凝土受弯构件受力原理为：正弯矩区，上部混凝土受压，下部钢筋受拉，共同抵抗弯矩。而中性轴范围混凝土对于构件抗力能力的贡献几乎没有。由此，我们就想去掉这部分混凝土，这样既可以减小设计弯矩，又可以保持构件抗力能力。实际上是通过减小构件自重，来提高构件使用跨度。这种思路由预应力预制空心板而来，应该说不是什么新技术。但要实现现浇空心工艺，还需要解决一些设计、施工上的问题。主要是浇筑方法和裂缝控制等问题。

思路确定后，再下一步，就需要着手进行理论分析。

分析可知，只要空心板截面满足第一类T形截面，承载力计算方法就与一般楼板的计算完全相同。虽然说实际并不需要一定是第一类截面，构件计算只要其受压区高度小于ζb，也就是第二类T形截面也能满足要求，这样还能进一步压缩板厚或提高承载力。但考虑到，应该使板具有一定的塑性变形能力，以及实际计算上的简便和施工可行性等综合因素，就将板控制在第一类截面（图2）。

针对本工程，取最大跨楼板计算（图3），以探明构件配置规律（算1）。

图3 空心楼板计算单元剖面图

计算前，首先需要说明，由于楼板计算中，裂缝指标起控制作用，而且由于空心楼板的开裂形式，不同于一般的混凝土板的塑性变形理论，所以，结构计算按完全弹性考虑。

通过以上的两次计算分析，板T形截面尺寸与板跨及设计弯矩间应存在对应关系。

荷载：

恒载：（按0.205m折合板厚）5.13＋1.50＝6.62KN／m2

活载：2.00KN／m2

q设计＝6.62×1.2＋2.00×1.4＝10.74KN／m2

q标准＝6.62＋2.00＝8.62KN／m2

q准永久＝6.62＋2.00×0.5＝7.62KN／m2

截面承载探究：

为使计算方便于工程设计，应使截面属于Ⅰ类T型截面。就可以直接按等厚实心板设计。

M＜a1fcb′fh′f（h0－h′f／2）＝11.9×300×60×（228－60／2）＝42.4KN.m

满足截面条件限制

M＞a1fcb′f（2a′）（h0－2a′／2）＝11.9×300×44 ×（228－44／2）＝32.4KN.m

下面列出一些常用情况，以供结构方案估算时参考（表1）。

表1 空心楼板方案估算表

注：实际工程中，满足表中弯矩范围时，设计可以直接按普通板的计算方法计算空心板配筋。仅配筋率按T形计算。

可以看出，本工程的大跨度板基本可以采用此方案。计算反映出，一般板跨在7～10米之间都可以采用，且板跨越大，经济效果越明显。

对于10米跨板，空心，采用250mm板厚，其实际楼板自重折合成普通板应为205mm（算2）。

减轻自重

此板按10m×13m等效矩形板。共排布29× 39块填料。

混凝土自重减轻18.%。折合板厚0.045。

那么，在同等条件下，直接采用205mm普通板是否能够满足计算要求呢。以下就对这两种情况分别验算承载力（算3）；裂缝（算4）；挠度（算5）。

由于板支座一定范围不做空心处理，负弯矩同一般楼板，不做比较，

取u＝1／6

截面型比较

空心板：1承载力验算

实配：Ø14＠150 As＝1026mm2

普通板：

实配：Ø14＠150 As＝1026mm2

裂缝控制

表2 板裂缝计算结果对比

挠度控制：

构件实际挠度

不满足部分可靠支模时起微拱解决。

表3 板挠度计算结果对比

比较发现，空心板三项指标均满足要求，且提高较多，扣除施工条件的不定因素后，还可以保证一定的安全储备；普通板计算就比较接近限值，富余不大。尤其是挠度，较之空心板降低很多，难以满足平时使用的舒适度要求。这样可以得出结论，采用空心楼板可以有效地控制楼板裂缝及挠度，完全可以达到或接近预应力的使用效果。板跨较大时，是一种很经济的做法。

计算满足后，实际绘制施工图时，还要考虑构造要求，并结合施工可行性综合设计。下面分别论述。

首先要实现楼板现浇空心，实际是通过在板内预设轻质填料实现的。本工程采用聚苯板，制成小块（200×200×130），每9块一组，布于板内（图4）。

图4 聚苯板填料平面布置图

填料分区的目的，一方面不影响板内电管施工；另外也是混凝土浇筑的要求，保证混凝土骨料可以通过振捣，在板内均匀分布。

钢筋保护层根据环境类别取用，一般室内情况较多，以此为例：保护层厚度15mm。此时的保护层对于上下翼缘的上下面都要满足。而且，为了保证施工质量，以及满足温度应力对截面变化部位的不利影响，建议加设钢丝网固定填料块（图5）。

图5 空心楼板填料固定钢丝网布置图

最后，从对施工的要求上，还应有几点说明：（1）这种板对施工振捣及养护的要求较高，为了确保施工质量，尽量加大翼缘厚度是有利的，但这与设计目的（减轻自重）是矛盾的，实际操作中，设计方应该同施工单位协商，找出一个最优的截面形式，预先确定合理施工方案。（2）聚苯块的大小应该根据钢筋间距确定，见图5。（3）混凝土浇筑时最好分批进行，先浇筑下翼缘及腹板区，振捣密实后，再浇筑上层翼缘。但要注意时间间隔不可超过初凝。

施工中，对空心楼板应加强养护措施，混凝土强度达到100%时再拆模。建议此类楼板采用微膨胀混凝土，一方面可进一步减小楼板裂缝，另一面还可以弥补一些施工质量上的不确定性。

总结：不论是预制空心板，还是预应力空心现浇楼板，其做法早已有之。而不配置预应力筋的现浇空心做法还未见论述。本工程设计于2003年，结构施工过程约为两个月。由于设计与施工对此项技术都属于尝试性阶段，我们对全程施工现场进行跟踪作业。现场支模，绑筋，浇筑，养护，拆模等各过程均无异常，结构完活效果良好。板面无蜂窝、麻面、漏振现象。实测楼板挠度（恒荷作用下）小于10mm。混凝土感官质量均匀，超声波测量钢筋保护层均满足设计要求。至此，可以确定，这种设计方法是可行的。