多層地下車庫的無梁樓蓋設計探討
2014-12-31 00:00:00智洪權
基層建設 2014年22期
摘要：近年來，隨著我國建筑行業的不斷發展與進步，無梁樓蓋作為一種常用的建筑結構體系，在我國建筑業得到廣泛應用。無梁樓蓋結構體系與普通梁板結構體系相比較，它具有整體性好、樓層凈高較高，有利于減小建筑層高，施工支模方便，鋼筋綁扎方便，施工速度快，管線布置、設備安裝方便等優點。文章結合筆者的工程實踐經驗，主要針對地下室采用普通梁板式結構與無梁樓蓋結構設計中方案比較、無梁樓蓋的計算方法、構造措施等方面的相關要點進行了探討與研究。
關鍵詞：多層地下室；無梁樓蓋；梁板結構；經濟性
近年來，隨著城市化進程的加快，大、中城市新增了大量的城市居民，因此勢必增加城市的住房用地，由于用地紅線和綠化率及開發商利益三者之間的矛盾，人防、停車位的需求使地下室成為現代建筑不可或缺的組成部分，因而大型地下車庫在各個小區大量出現。地下室結構形式常見的有普通梁板結構、寬扁梁結構、普通鋼筋無梁樓蓋結構、預應力無梁樓蓋結構等形式。地下室的層高的高低對地下室基坑的開挖量有重要的影響，尤其在地下水位較高沿海地區或堅硬巖石開挖成本較高地區，在滿足功能及基礎埋深前提下，地下室應盡量淺埋，以便減少支護與土方開挖成本，減少地下室外墻的土壓力和地下室側墻的計算截面高度，同時在水位較高地區減少底板水浮力，進而達到有效節約底板造價及地下室抗浮成本的目的。普通梁板結構形式主梁高度較高，無法降低地下室層高；寬扁梁結構雖能降低地下室層高，但梁柱節點處鋼筋太過集中且工程造價上不經濟；預應力無梁樓蓋結構，雖沒有梁，但板筋有預應力鋼筋需要增加一道預拉工序，整體會影響工期，并對建筑使用功能的改造有所限制且工程造價高；而無梁樓蓋是一種很好的結構形式，不僅能有效的減小層高，滿足各專業層高要求，從而節省了各主要材料的用料，而且能夠減少地下室基坑的開挖，與其它梁式樓蓋體系相比，具有板底平整、結構高度小、建造方便等特點，特別是在建筑物高度或層高受限的情況下，采用無梁樓蓋是增加樓層使用空間高度的最有效方法。同時，無梁樓蓋能充分利用建筑空間，有利于各種管道的敷設，也能滿足隔墻靈活布置的要求。常用于冷庫、商場、倉庫、車庫等建筑。
1.工程概況
該項目位于深圳市羅湖區，占地面積約5.3萬㎡，擬建4棟倉儲及辦公的建筑物，其中9層倉儲建筑高度為48m，擬采用框架結構；11層倉儲建筑高度為60m，擬采用框架-剪力墻結構；18層倉儲建筑高度為100m，擬采用框架-剪力墻結構；54層倉儲建筑高度為300m，擬采用框架-核心筒結構。地下室抗浮設防水位按未來室外地坪標高下1.00m考慮。對差異沉降敏感，設地下室5層，深約20m，總建筑面積約78萬㎡。地下室除人防區域，電梯、樓梯四周、樓板開較大洞口周邊、荷載較大的區域、作為地下室嵌固端的地下室頂板區域設置為普通梁板結構體系外，其余均為無梁樓蓋結構體系，其地下室層高為：負5層高為4.05米，；負4、負3、負2層層高均為3.5米；負一層層高為6.55米，地下室柱距大部分為9米X9米，按《建筑荷載規范》：1，單向板樓蓋（板跨不小于2m）和雙向板樓蓋（板跨不小于3mX3m）：客車取活荷載4.0KN/m2； 雙向板樓蓋（板跨不小于6mX6m）和無梁樓蓋（柱網不小于6mX6m）取活荷載為2.5KN/m2；無梁樓蓋板厚取200mm，局部取250mm，300mm，樓板混凝土等級取C30。經計算：柱帽寬度取3000mmX3000mm，高度（含板厚）取400mm，柱帽沖切滿足設計要求，有個別柱帽沖切不滿足設計要求時，在滿足混凝土極限抗沖切力的條件下，對柱帽增加抗沖切鋼筋，以滿足設計要求。
2.無梁樓蓋的計算分析
無梁樓蓋的內力計算一般較常用的方法有經驗系數法、等代框架法和有限元法等。前兩者是對無梁樓蓋滿足一定條件下的近似計算，常用于手工計算，較多地運用在規則結構中，否則會出現較大誤差。由于計算機及軟件技術的進步，有限元計算方法得到了迅速發展，它能夠較準確地計算無梁樓蓋的結構反應，滿足日益復雜的工程計算需要。本工程使用PKPM的復雜樓板分析與設計軟件SLABCAD進行無梁樓蓋的有限元計算。該軟件的計算流程如圖1所示：
圖1" 無梁樓蓋設計流程圖
2.1整體分析
本工程運用PKPM軟件中的PMCAD模塊對結構進行建模，在無梁樓蓋區域柱上板帶的位置輸入等代梁，梁寬取1/2柱距（即左右各1/4），梁高取板厚即200mm，其余梁板按普通梁板輸入。在模型建立后使用SATWE模塊對結構進行三維整體分析計算，由于SATWE具有考慮樓板彈性變形的功能，可采用彈性樓板單元6較真實地模擬樓板的剛度和計算變形。其內力結果將在后續的樓蓋計算中與有限元的計算結果按工況進行組合，用于無梁樓蓋的設計。
2.2樓蓋計算與設計
無梁樓蓋的整體分析計算完成后，運用PKPM軟件中SLABCAD模塊進行樓蓋的分析計算。在前處理中補充輸入柱帽和板上荷載等信息，定義樓板的約束條件，并進行有限元劃分，劃分單元的大小以邊長1000mm為宜。前處理完成后進行有限元分析，結果如圖2所示。
圖2 樓板彎矩圖
有限元計算的結果尚不能直接用于樓板設計，需要在板帶上進行積分，形成板帶內力，按照板帶彎矩進行樓板配筋，SLABCAD中“板帶交互設計及驗算”提供了這一功能。板帶的劃分以前面所述的等代框架梁為柱上板帶，其余板帶為跨中板帶，鋼筋強度等級選用HRB400（文中“φ”均表示HRB400）。程序分別給出了不同方向（X向與Y向）上柱上板帶與跨中板帶的配筋，共有4張圖，將圖形疊合一起，方便設計與核對，如圖3所示。
圖3 板帶配筋圖局部
計算結果顯示，無梁樓蓋柱上板帶：支座面面筋約為960mm2/m，跨中底筋計算配筋約為500mm2/m；跨中板帶：支座面面筋約為500mm2/m，跨中底筋計算配筋約為400mm2/m，，因而柱上板帶采用雙層φ12@200（565mm2/m）鋼筋網配合局部支座加筋的配筋方式；跨中板帶底筋采用φ10@180（436mm2/m），面筋采用φ12@200（565mm2/m）能夠較好地滿足計算要求，且便于施工。為了加強板與柱的連結，增強樓板的整體性與抗震性能，以及板系對沖切受剪的抵抗能力，無梁樓蓋設有暗梁，柱上板帶支座加筋可設于暗梁中。同時，暗梁支座上部鋼筋面積應不小于柱上板帶鋼件面積的50%，暗梁下部鋼筋不宜小于上部鋼筋的1/2[2]。
運用SLABCAD還可以對無梁樓蓋的板帶裂縫與柱帽抗沖切進行驗算。當裂縫寬度不滿足使用要求時，可查看板帶的內力準永久組合值按規范公式進行手算，進行人工復核。當柱帽抗沖切強度不足時，可以調節柱帽的尺寸，增大柱帽平面大小或增加柱帽厚度，重新驗算，以滿足強度要求；也可以在滿足混凝土極限抗沖切力的條件下，對柱帽增加抗沖切鋼筋，以滿足設計要求。
2.3 混凝土用量
普通梁板結構中，根據計算對每跨內縱橫分別設置兩道次梁（即井字梁）梁板結構、每跨內縱橫各設一道次梁（即十字梁）梁板結構、每跨內在縱或橫向設置兩道次梁（即單向板）梁板結構、每跨只在框架位置設置框架梁而不設次梁梁板結構初步比較，單向板梁板結構方案較經濟，因此，此文只對與無梁樓蓋結構空間高度相同的單向板寬扁梁板結構和無梁樓蓋做以下對比。
1.兩種樓板結構形式的混凝土用量如表1
表1" 混凝土用量表（單位.m3）
結構形式混凝土用量
樓板
柱帽
梁
總計
無梁樓蓋
14.4
3.2
—
17.6
普通寬扁梁板（單向板）
7.808
—
8.14
16.28
由上表可見，無粱樓蓋形式比普通寬扁梁板（單向板）形式的混凝土用量多 1.32m3。由于混凝土價格較低 ，從經濟角度來講，兩者差異不大。
2.4鋼筋用量
本文根據兩種模型的計算結果進行配筋 ，以配筋結果不超過規范相關限值的5％作為比較結果的前提。
無梁樓蓋底板計算配筋點值如圖4中的（a、b、c、d）所示，從配筋面積點值上看，柱上板帶：板底配筋為拉通筋（φ12@200），板面筋通長筋為（φ12@200）支座處附加筋（φ12@200）；跨中板帶：板底配筋為拉通筋（φ10@180），板面筋通長筋為（φ12@200），支座處無需附加筋。根據經驗，底板配筋基本由裂縫控制。本工程板底裂縫寬度限值為 ，板面裂縫寬度限值為 ，板底保護層厚度為15mm，板面保護層厚度為15mm。根據底板在荷載準永久組合下的彎矩，無梁樓蓋裂縫控制下的各段配筋結果如表2，平面布置如圖4。各配筋結果均大于不考慮裂縫寬度下的配筋值。
圖4
無梁樓蓋X 向板底計算配筋（a）無梁樓蓋 Y向板底計算配筋（b）
無梁樓蓋X向板面計算配筋（c）無梁樓蓋 Y向板面計算配筋（d）
表2" 無粱樓蓋裂縫控制下的配筋
柱上板帶上部支座
板上板帶跨中
跨中板帶上部
跨中板帶跨中
MK（KN.m）
-564
125.57
-75.05
106.7
A3（mm2/m）
1007
507
500
400
裂縫寬度（mm）
0.20
0.20
0.18
0.29
配筋（mm2）
Ф12@200（通長）+Ф12@200（附加筋）
Ф12@200
Ф12@200
Ф10@180
注：柱上板帶上部附加長度為自柱中心算起向柱兩邊各35OOmm長的頂板區域.
圖5" 無梁樓蓋配筋平面布置圖
根據混凝土構造手冊，無梁樓蓋柱帽配筋詳下圖6：
圖6" 無梁樓蓋柱帽大樣圖
表3" 無梁樓蓋裂縫控制下的含鋼量
承臺（柱帽底）
柱上板帶
跨中板帶
合鋼量（kg/m2）
用鋼量（kg）
170.5
1340.2
720.77
27.55
從 圖5和圖6可計算出無梁樓蓋底板的用鋼量如表 3。
普通寬扁梁板（單向板）結構體系的粱計算配筋如下圖7，板計算配筋如下圖8。
圖7 "梁計算配筋圖
圖8" 板計算配筋圖
在裂縫寬度控制下，普通寬扁梁板（單向板）結構體系的粱、板配筋詳表4。
表4" 普通寬扁梁板（單向板）裂縫控制下的配筋
橫向框架梁面支座
橫向框架梁跨中
橫向次梁支座
橫向次梁跨中
縱向梁面支座
縱向梁面跨中
板縱向受力底筋
Mk（KNm）
-219
195
-213
207
-690
526
12.17
A3（mm2）
2000
1800
2200
2100
6900
5800
429
裂縫寬度（mm）
0.20
0.14
0.17
0.10
0.18
0.12
0.129
配筋（mm2）
7Ф20
6Ф20
6Ф22
6Ф22
14Ф25
12Ф25
Ф10@180
由表4可以看出，普通寬扁梁板（單向板）裂縫控制下的配筋均大于計算配筋值，框架梁箍筋Ф8@100/200（4）， 次梁箍筋Ф8@150（4），板的其余鋼筋按構造配置。含鋼量如表 5。
表5" 普通寬扁梁板（單向板）梁板裂縫控制下的含鋼量
板
梁
總計
合鋼量（kg/m2）
用鋼量（kg）
542.7
1747.98
2290.68
28.28
由表 3和表5可知，無梁樓蓋結構形式比普通寬扁梁板（單向板）結構形式的底板含鋼量低28.28-27.55=0.73kg/m2。再考慮施工工作量，由于少了明梁的側模施工，無梁樓蓋結構形式的工作量明顯比普通梁板（單向板）結構形式的工作量少，因此，無粱樓蓋結構形式的樓板優于普通寬扁梁板（單向板）結構形式的樓板。
3、結語
對任一建筑物來講，都要對選擇的樓蓋體系方案的各個因素進行綜合考慮，這些因素包括：建筑空間的功能需求、結構形式決定的樓蓋支撐條件、荷載的大小等。因此，在具體工程項目中采用何種樓蓋形式應綜合具體建筑條件和場地實際情況以及施工條件等多方面、多角度因素。全面、客觀的比較決定，才能充分發揮各種樓板體系的優勢，體現建筑工程的經濟效益和社會效益。該工程地下室的樓板無梁樓蓋結構形式相比普通寬扁梁板（單向板）結構形式，雖混凝土多用1.32m3，但鋼筋節省了0.73kg/m2， 基坑的開挖工程量也大大減少，樓層施工工作量也減少了明粱側模的施工，因此，在該工程無粱樓蓋結構形式樓板的經濟性能還是優于普通寬扁梁板（單向板）梁板結構形式樓板。
參考文獻：
[1]《混凝土結構設計規范》.GB50010-2010.
[2]《現澆混凝土空心樓蓋結構技術規程》.CECS 175：2004.
