大跨度楼盖结构研究与应用现状

近年来，我国经济社会高速发展，大型公共建筑在全国范围内大规模建设。同时，现代公共建筑的功能逐渐呈现多样化特点，如：现代交通枢纽逐渐成为集成机场、高铁、地铁等交通功能的大型综合体，现代大型购物中心集成了购物、餐饮、影音娱乐等多种建筑功能，现代酒店集成了住宿、餐饮、会议等多项功能，这些复杂多样的建筑功能大大提升了现代公共建筑对多层大空间的需求度，多层大跨度结构体系相应出现。多层大跨度结构对楼盖的跨越能力提出了更高的要求，当楼盖跨度达到30 m以上时，常规楼盖结构形式往往无法经济合理地实现跨度要求。目前尚没有针对大跨度楼盖结构方面的系统梳理和总结，导致实际工程在结构设计选型时概念较为混乱，给实际工程设计带来不便，因此亟待对现有适用于大跨度楼盖的结构形式及研究现状进行归纳总结，以便为工程实践提供参考。国内外学者针对大跨度楼盖结构，围绕结构形式、力学性能、工程应用等方面开展了一定规模的研究工作。本文系统梳理了大跨度楼盖结构的发展历程，总结了大跨度楼盖结构相关研究及工程应用现状，并初步探讨了大跨度楼盖结构领域存在的问题及可能的研究方向。

1 大跨度楼盖结构研究现状及应用

在楼盖结构领域，由于以往建筑中楼盖对大跨度的需求较小，大量研究集中在中、小跨度楼盖结构，国内外学者围绕混凝土楼盖、钢-混凝土组合楼盖、预应力混凝土楼盖及木结构楼盖等开展了大量研究，内容涉及子结构形式开发、抗弯承载力、面外刚度、面内刚度、抗火性能、振动特性、抗腐蚀性能、疲劳特性及隔声性能等方面，极大地丰富了楼盖结构形式，推动了楼盖结构在工程实践中向更大跨度发展。较为典型的如：周绪红等［1］对冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖的受弯承载力的研究；聂建国等［2］对组合楼盖水平荷载传递性能的研究；Liu等［3］对混凝土空心楼盖结构的动力特性的研究；Li等［4］对组合楼盖的抗火性能的研究；Martins等［5］对木结构楼盖及混凝土-木组合楼盖结构的隔声性能的研究；Yeoh等［6］对混凝土-木组合楼盖结构的疲劳性能的研究；何敏娟等［7］对轻型钢木混合楼盖平面内刚度及其对水平荷载分配的研究；Estévez等［8］提出一种新型自张紧木结构楼盖并对其力学性能展开了研究；Flint等［9］通过有限元模拟研究了火灾对组合桁架楼盖体系的影响；操礼林等［10］对随机行走人群-楼盖耦合振动理论的研究；宋志刚等［11］对行走激励下大跨度楼盖振动的最大加速度响应谱方法的研究；秦敬伟等［12］对人体-结构系统静态耦合模态参数的研究；高延安等［13］对行走人群-结构相互作用模型的研究等。

现有公开发表资料显示，目前楼盖跨度大于30 m已建成的代表性实际工程如表1所示，同时结合楼盖结构方面的研究现状可知，适用于大跨度楼盖的结构体系主要有6类，即：预应力混凝土楼盖、钢-混凝土组合楼盖、钢网架组合楼盖、空腹楼盖、弦支组合楼盖以及装配式楼盖。

表1　大跨度楼盖典型工程案例

1. 1　预应力混凝土楼盖

1.1.1　结构概念

预应力混凝土是改善构件抗裂性能的有效途径。在混凝土楼盖承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力而形成预应力混凝土楼盖［14］。预应力混凝土楼盖按结构形式可分为无梁楼盖、肋梁楼盖；按传力路径可分为有黏结预应力楼盖和无黏结预应力楼盖。 

1.1.2　发展历程 

1886年，美国的杰克逊首先提出预应力混凝土的概念［15］。20世纪30—40年代，德国的霍友、法国的弗莱西奈、比利时的麦尼尔分别提出几种可行的预应力混凝土生产工艺，这使得预应力混凝土楼盖的大规模工程应用成为可能［15］。1950年国际预应力协会（FIP）成立，促进了世界各国预应力技术的发展。也正是在20世纪50年代，我国参考欧洲经验将预应力技术引入国内。与此同时，我国在发展国民经济“一五”计划中提到借鉴苏联和东欧各国经验，在我国推行标准化、工厂化、机械化的预制构件和装配式建筑［16］，预应力混凝土楼盖开始在我国逐步发展。

1.1.3　研究现状 

施加预应力最早应用于楼盖跨度的增加。20世纪80年代初至90年代末，我国成功突破高强预应力钢材的规模化生产、应用和施工的关键技术，极大地促进了我国预应力楼盖的大规模应用［17］。 

目前，在大跨度预应力混凝土楼盖的力学性能、施工技术方面已经积累大量的试验数据和工程案例，同时建立了完善的设计理论。不少学者针对结构体系优化、人致振动等问题进行了研究。 

1）结构形式及承载性能。 

白福波［18］介绍了一种预应力混凝土刚架索梁楼盖，如图1所示［19］。该楼盖将抗拉强度很高的索结构和混凝土刚架进行组合，充分发挥混凝土的抗压性能和索结构的抗拉性能，可有效减轻梁体自重。但该楼盖结构复杂，施工周期长，模板与钢筋工程精细化程度要求高。

图1　预应力混凝土刚架索梁楼盖［19］

Li等［20］通过数值模拟及现场实测的方法对该楼盖结构的动力特性进行了研究，并通过敏感性分析研究了参数对动力特性的影响，结果显示该楼盖属于低自振频率结构。 

周绪红等［21］通过SAP 2000建立计算模型和现场落足试验的方法对该楼盖的振动舒适度展开研究，结果表明该楼盖在落足激励下具有良好的舒适度。

2）人致振动规律。 

叶龙等［22］以重庆巴蜀中学校运动场楼盖为对象进行了动力特征和时程响应有限元分析，并与现场实测数据进行了对比。结果表明：该楼盖在人数较少的激励下能够满足舒适度要求，但当运动场人数超过250人时，将不满足振动舒适度要求。

熊仲明［23］结合工程案例，对3种人行激励工况下的动力响应进行了有限元分析。计算结果表明：楼盖的初始状态对楼盖振动的峰值加速度有很大影响。 

陈隽等［24］通过建立竖向振动舒适度长期监测系统对青岛体育中心综合训练馆大跨度预应力混凝土楼盖展开振动舒适度测试与分析。结果表明：人致激励的类型和行走路线对楼盖动力响应影响显著。

陈宏湛［25］在对比国内外振动舒适度设计标准的基础上，提出了计算大跨度预应力混凝土楼盖基频的简易公式。 

符胜男等［26］使用动态信号采集分析系统对河北省衡水市桃城区某小学体育馆楼盖进行人致激励作用下的振动响应分析。分析显示：不同的激励位置是决定能量分布规律的主要因素。付章建等［27］采用瞬态动力学方法对该楼盖开展了跳跃和屈伸激励下的试验测试和有限元分析。研究表明：实际楼盖在2种激励形式下能量均以复合正弦波形式传播。 

卢爱贞等［28］对某大型室内主题乐园楼盖舒适度进行了测试分析，提出了适用于游乐设备的楼盖振动舒适度评价方法及峰值加速度限值。 

综上可知，我国预应力技术已有近60年的发展。大跨度预应力混凝土楼盖在工程中得到广泛使用，其技术成熟、设计规范完善，能够达到30 m以上跨度并满足舒适度要求，但30 m以上跨度的预应力混凝土楼盖往往存在自重大、裂缝难以控制、空间利用效率不高等问题。 

1.1.4　典型工程应用

国内大跨度预应力混凝土楼盖典型工程应用详见表2。

表2　大跨度预应力混凝土楼盖典型工程案例

1. 2　钢-混凝土组合楼盖

1.2.1　结构概念

钢-混凝土组合楼盖主要由混凝土板、钢梁（型钢或矩形钢）或桁架等构件组成。常见的钢-组合楼盖结构形式有型钢-混凝土梁组合楼盖、型钢梁-混凝土楼盖、矩形钢-混凝土组合楼盖［31］。 型钢梁-混凝土组合楼盖构造如图2所示。

图2　型钢梁-混凝土组合楼盖基本组成［32］

1.2.2　发展历程 

相对于发展较为成熟的钢筋混凝土楼盖，钢混凝土组合楼盖出现较晚。20世纪30年代，国内外学者开始研究组合楼盖。在这一时期，“型钢梁-混凝土板”体系形成［32］。这种结构既具备钢材的抗拉性能，又能发挥混凝土良好的抗压性能。21世纪初，聂建国等［33-34］对钢-混凝土组合楼盖展开大量试验模拟研究，建立起钢-混凝土组合楼盖较为完善的计算理论。通过武昌火车站、山东滨州会展中心等工程项目，完善了钢-混凝土组合楼盖设计理论和评价体系。

1.2.3　研究现状 

钢-混凝土组合楼盖结构形式多样、组合方式灵活，不少学者在传统钢-混凝土组合楼盖的基础上进行了技术创新。同时，钢-混凝土组合楼盖在工程实践中积累了大量监测数据。目前的研究集中在依托工程的舒适度分析、振动控制等方面。 

1）结构形式及承载性能。 

聂建国等［35］在山东滨州国际会展中心超大跨五边形楼盖工程设计中，对现有大跨度楼盖形式进行对比。发现，采用钢-混凝土组合楼盖能够显著降低该项目梁高和结构自重。 

郭磊等［36］结合南京一中体育馆实际工程，对新型开槽预制板（图3）楼盖进行有限元分析。结果表明：该楼盖整体刚度大，基本满足楼盖舒适度要求，但该楼盖主要竖向自振频率与人员运动频率范围重合，楼盖在使用过程中易发生共振效应。 

图3　新型开槽预制板［36］

吴一凡等［37］借助广义梯度算法研究大跨度钢混凝土组合楼盖的优化设计问题。研究表明：对于该类型楼盖，可以通过降低腹板区域用钢比例达到减少用钢量、提高承载效率的目的。

近年来，还出现了通过钢构件搭建悬挂体系，将楼盖吊挂以实现大跨度的悬吊楼盖。悬吊楼盖的悬挂系统一般采用钢柱和拉索，它是对原有钢-混凝土组合楼盖形式上的创新。芮佳等［38］对甘肃省体育馆悬吊楼盖人致振动舒适度进行了现场测试研究，结果表明：该悬吊楼盖满足JGJ/T 441—2019《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》中竖向自振频率不低于3 Hz的要求，但由于悬吊楼盖特有的边界条件、吊挂形式，使其支承条件小于普通楼盖弹性刚度的弹性支座，故在人行激励下峰值加速度就会超过JGJ/T 441—2019限值。

卢宇杰等［39］通过试验对悬挂楼盖在人致荷载下的振动响应展开了研究，如图4所示。经初步评估，除个别极端工况外，该楼盖在大部分工况下均小于居住的均方根加速度限值。

（a） 悬挂结构组成示意

（b） 悬挂楼盖构造示意 

图4　卢宇杰等进行试验的楼盖［39］

2）楼盖舒适度。

吕佐超等［40］对北京银泰中心工程3座主塔楼楼盖做了舒适度分析计算。计算结果显示：楼盖的刚度、阻尼和有效重量对其竖向振动加速度起决定作用。 

蒲师钰等［41］对贵州省图书馆大跨度钢-混凝土组合楼盖进行了有限元分析。结果显示：该项目楼盖满足JGJ/T 441—2019的楼盖舒适度要求，关键部位节点均达到性能目标要求。 

黄健等［42］以某多层体育健身场馆钢-混凝土组合楼盖为例进行舒适度分析。计算表明：多层体育场馆和健身中心的舒适度标准对结构刚度的要求远大于保证结构正常使用的挠度标准。 

鲍华等［43］依托武昌火车站西站房实际工程，通过ANSYS以及SAP 2000对武昌站西站房大跨度钢-混凝土组合楼盖展开舒适度分析。结果显示：武昌站双向大跨度钢-混凝土组合楼盖的竖向自振频率大于3 Hz，满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》要求。 

余志伟［44］对南昌国际会展中心二期楼盖进行人致振动分析与实测。研究表明：与常规方案相比，实腹钢梁+调谐质量阻尼器（TMD）楼盖结构方案在满足建造净高的同时结构经济性最优。

汤凯峰［45］通过SAP 2000对大沙河文体中心钢混凝土组合楼盖进行振动舒适度分析。结果表明：该楼盖竖向振动频率较低，接近人行走和室内体育活动的频率，容易产生共振，但通过TMD进行减振控制，能够达到预期设计目标。 

王明珠等［46］以采用TMD进行振动控制的某小学大跨度钢梁-混凝土楼盖为背景（图5），分别在施工阶段和正常阶段对其进行了现场振动测试，并利用MIDAS/Gen软件对TMD的减振效率进行了分析。结果表明：当外部激励的频率与楼盖自振频率接近时，TMD对楼盖的减振效果最为显著。胡丹［47］对3个商场大跨度钢-混凝土组合楼盖结构模型进行了变形和时程分析。结果表明：为保证大跨度钢-混凝土组合楼盖的舒适度，设计中除了控制挠度外，还应对其进行时程加速度验算。 

图5　某小学体育馆实景图［46］

综上所述，钢-混凝土组合楼盖形式多样，能够充分发挥钢和混凝土两种材料各自的优点。经工程检验，钢-混凝土组合楼盖不仅具有良好的静力性能，在多种应用场景下还满足舒适度要求，对人致振动相对不敏感，其工程应用广泛，有完善的设计理论，目前已有超过50 m的超大跨度钢-混凝土楼盖投入工程应用。

1.2.4　典型工程应用

大跨度钢-混凝土组合楼盖典型工程应用详见表3。