汕尾某商業地產項目地下室結構設計與優化

文／禹曼琳 湖南省建筑設計院集團有限公司 湖南長沙 410000

1、工程概況

汕尾某高層商業地產項目，總建筑面積39.54 萬平方米，其中地下室面積約8 萬平方米，東側為兩層地下室，西側為單層地下室。地下室采用框架結構，頂板主要覆土厚度為1.2米，設計時以負二層頂板作為上部結構的嵌固端。

本工程所在地基本地震烈度為7 度（0.10g），地震分組為第一組，場地土類別Ⅱ類，場地特征周期0.35s。

2、基礎選型與優化

本項目建設場地土層分布不均勻，下部風化基巖巖面起伏變化大，軟硬相間。但總體來看，場地中西部微風化巖埋深較淺，場地東部相同標高處卻主要為殘積沙質粘土及全風化巖。考慮到首開區對工程造價和項目工期的控制非常嚴格，設計方建議將原定西側的兩層地下室移動至場地東側，調整后的西側一層地下室在基坑開挖后已達到地勘建議的微風化巖持力層。如此，可大大減少對場地西側大范圍微風化巖的爆破工作，同時也降低了兩層地下室區域基坑的開挖難度，節省了項目一期工程基礎部分的工期和造價。

針對場地中西部的一層地下室的基礎選型，因微風化巖層開挖爆破困難，在現場踏勘及與施工方溝通后，排除掉獨立基礎+防水板及筏板加下柱墩的基礎形式，采用較厚的平板式筏形基礎。雖然材料成本稍貴，但平板式筏形基礎相較其它基礎形式的實際操作性強，施工速度快。后施工現場反饋因巖石爆破深度和范圍難以精細化控制，現場各爆破點實際深淺不一，基坑表面凹凸不平，在清理完爆破殘渣后，采用了C15 素混凝土填平場地。

針對場地東部的兩層地下室基礎選型，考慮到底板標高處存在微風化巖或中風化巖、強風化巖、全風化巖及局部填土三種地質情況，為緩解不均勻沉降，微風化巖或中風化巖區域采用700 厚平板式筏基，強風化巖、全風化巖及局部填土區域均采用500 厚筏板加下柱墩的基礎形式，并用C15 素混凝土替換填平局部填土區域。

本工程的平板式筏基的厚度由沖切控制，通過計算比較發現，提高混凝土強度等級和設置抗沖切箍筋，均可以有效降低筏板的厚度，由于筏板的計算結果大部分為構造配筋，減小筏板的厚度可以有效地節約基礎造價。本工程實際選用了500 厚C35 混凝土并配置抗沖切箍筋的筏基形式。

表1 平板式筏基選型比較

3、地下室頂板選型與優化

3.1 頂板情況才紹

本工程地下室負一層結構層高為4.0m，典型柱網尺寸為8.1mx8.6m，框架柱截面尺寸為500mmx600mm，嵌固端在負二層頂板。頂板覆土厚度為1.2m，頂板方案選型時不考慮消防車荷載，板面附加恒載按22kN/m2，活載考慮施工荷載按5.0kN/m2考慮。梁板混凝土強度等級均為C35，鋼筋為HRB400。

根據《地下工程防水技術規范》GB50108-2008 中的要求，地下工程防水混凝土結構的結構厚度不應小于250mm，故本工程地下室頂板的板厚取為不小于250mm。

3.2 樓蓋選型測算

因甲方不考慮使用無梁樓蓋，故測算加腋大板、十字梁、井字梁及單向雙次梁四種梁板方案，選取5x5 跨（40.5mx43m）標準連續跨為研究對象，板厚均為250mm，相應的結構布置如圖1。造價計算時，C35 混凝土材料單價按645 元/m3，鋼筋材料單價按6100 元/t 取值，各體系的測算結果見表2。

表2 單位面積各種樓蓋形式的材料造價

圖1 各梁板方案結構布置

通過對不同樓蓋形式的模型計算及造價比較，得出的結論如下：

（1）四種梁板體系中，加腋大板的經濟性最好，單向雙次梁次之，井字梁造價最高。

（2）十字梁體系因雙向受力形式類似，主梁跨中受到集中荷載，導致兩個方向的主梁梁高均較大，對地下室凈高影響不利。但因次梁數較少，且互為支撐，梁的總體配筋量較小。

（3）單向雙次梁體系在平行于次梁方向的主梁梁高較小，可沿該方向布置設備管線。但另一向的主梁尺寸較大，影響地下室的凈高，且板跨較小，無法充分發揮250 厚頂板的強度作用。

（4）井字梁體系主次梁梁高適中且受力均勻，裂縫及撓度相對較小，但因梁數量較多，混凝土及鋼筋用量最大，經濟性不強。

（5）加腋大板體系充分發揮了250 厚樓板的強度和剛度作用，顯著減少了主梁梁高及配筋量，經濟性好，且柱跨內無次梁，整體空間通透，使用觀感較優。

這一測算結論與韓建飛[1]和張穎，文元[2]對地下室頂板不同梁板形式的經濟性對比中的得出的結論基本一致。故本項目地下室頂板最終選用加腋大板體系。

3.3 加腋大板的理論基礎

傅學怡在《實用高層建筑結構設計》[3]中提出，不考慮現澆梁板的相互作用，會無法正確反映因支座梁剛度不同導致的板塊內力的不同走向；不考慮樓板的實際翼緣作用，會造成實際設計的框架梁支座截面受彎承載力過高，從而使梁端的塑形耗能能力大為下降，不利于結構的安全性和經濟性。

加腋大板為雙向拱殼空間結構，通過板加腋段的斜向壓應力，抵消部分板面豎向荷載與板底拉應力，提高樓板抗彎和抗裂的性能[4]。同時，加腋大板支座處的水平加腋設置，使得樓板局部厚度增加，對應位置處的樓板負彎矩增大，而樓板跨中的正彎矩減小，使樓板的內力分布更均勻，有效提高了加腋大板的設計跨度與承載力；通過較厚的樓板以及樓板加腋的自身強度及剛度，將荷載較為均勻地傳遞給框架梁，有效降低框架梁的彎矩峰值，使框架梁的截面承載力得到充分均勻的使用[5]。

加腋大板通過梁板協同作用的計算模式，讓結構整體受力形態更均勻，有利于結構的安全性；同時充分挖掘結構構件各部分的承載能力，在混凝土用量增加不明顯的情況下，顯著優化了結構的用鋼量，提高了結構的經濟性。對于有板厚要求的地下室頂板來說，加腋大板體系是安全、經濟且美觀的選擇。

3.4 加腋大板的模型設置

本項目地下室使用YJK 建模計算，與傳統梁板結構不同的模型參數設置如下：

（1）加腋大板區域在前處理的板屬性模塊中需設置為彈性板6，考慮樓板面內、面外剛度；

（2）加腋大板區域在前處理的特殊梁模塊中修改梁扭矩折減系數為1，因拱殼結構受力形式對梁產生的扭矩較大，尤其對于邊跨梁扭矩按照默認的0.4 折減偏于不安全；

（3）在計算參數中，勾選“生成繪等值線用數據”，用于生成彈性板有限元的等值線計算結果；

（4）在計算參數中，仍然可以勾選“梁剛度放大系數按10 版《砼規》5.2.4 條取值”，已設置為彈性板6 的區域，YJK 會自動把梁剛度系數調整為1.0，即按照梁板實際剛度計算分配內力；

（5）在計算參數中，勾選“梁與彈性板變形協調”；

（6）在計算參數中，當計算梁配筋時，不勾選“彈性板與梁協調時考慮梁向下相對偏移”，提高梁配筋的安全儲備；當計算板配筋時，勾選此項，按照梁板實際偏移狀態模擬，避免板配筋偏少。

3.5 加腋大板的設計

3.5.1 加腋大板的尺寸設計

李光雨針對樓板加腋高度和加腋寬度對梁板配筋的影響進行了研究[6]，結果顯示隨著樓板加腋高度的增加，梁板配筋均會明顯變小；隨著樓板加腋寬度的增長，梁板配筋也會變小。李光雨建議板加腋的高度比板厚稍大即可，加腋寬度可取梁跨的1/9 ～1/7。

劉維亞等也針對加腋大板的尺寸設計進行了研究[4]，發現隨著板厚的增加，樓板的加腋效果會變弱，樓板的彎矩值會變大，反彎點會往支座方向移動；加腋寬度越大，板配筋越小，當加腋寬度為梁跨的1/4 時，樓板的跨中彎矩值最小。

本項目中，考慮到地下室的建筑觀感和使用凈高，普通地下室頂板處，樓板厚度為250mm，加腋高度為250mm，加腋寬度為1200mm，約為梁跨的1/7；在消防車道處，適當加大樓板尺寸，使樓板配筋量不至過大，樓板厚度取為300mm，加腋高度為300mm，加腋寬度為1500，約為梁跨的1/6 ～1/5。

3.5.2 加腋大板的設計細節

經過與設計同行和施工方的討論交流，針對加腋大板的細部設計，有如下幾條建議：

（1）同一柱跨內各個樓板加腋高度和寬度盡量保持一致，如此既可簡化圖紙表達，又方便施工時加腋斜板的模板制作與安裝；

（2）盡量避免單側加腋情況的發生，否則加腋側的樓板支座彎矩無法平衡；如存在大小板相連，交界處大板有加腋而小板加腋施工困難的情況，可以采用增加小板厚度的方法來平衡支座彎矩；

（3）邊跨可以不加腋，一則加腋后支座彎矩加大，不利于彎矩平衡；二則邊跨處可視為簡支段，加腋反而可能造成配筋結果加大；但對邊跨梁的抗扭箍筋和腰筋需適當加強；

（4）當因凈高要求，加腋大板的框架梁需上反時，應保證板下的梁剩余高度不小于兩個方向的樓板加腋高度，即框架梁無法像普通樓板一樣做到梁底平樓板底；

（5）地下室樓板后澆帶應盡量避免沿樓板加腋位置布置，以免施工不便；

（6）因框架梁配筋在采用彈性板6 計算后，計算配筋量只有剛性板方案計算結果的0.5 ～0.6 倍，考慮到框架梁可能出現的塑形受力狀態，實際配筋時可以將梁配筋計算結果放大1.2 倍作為安全儲備；

（7）因加腋大板的拱殼效應，為防止樓板支座處開裂，實際配筋時，可以適當放大支座處的樓板負筋；

（8）YJK 樓板有限元計算結果宜采用單元中心值進行配筋，且板單元尺寸宜劃分小一點，以使框架梁位置處的樓板計算結果能單獨成格顯示，避免拉大樓板配筋計算值；

（9）為實現框架梁兩側彎矩平衡，盡管梁兩側板加腋部分的底筋計算結果可能不同，但盡量人為調整成配筋一致。

3.5.3 加腋大板的構造與圖紙表達

目前加腋大板的施工圖表達尚沒有統一的規定，現才紹本項目使用的加腋大板表達方法，供各位同行交流指正。

本工程地下室頂板圖紙中，板加腋部分在垂直加腋寬度方向的配筋根據有限元計算結果確定，平行加腋寬度方向的板底配筋統一按構造設置 12@150，非加腋部分的樓板底筋按照列表法表達。因同一跨內樓板加腋的尺寸相同，故在列表法中通過加腋板編號，可以同時表達樓板的厚度、加腋尺寸及非加腋部分的鋼筋設置。加腋板的模板尺寸及板底配筋的具體表達方式詳圖2。

圖2 加腋板模板尺寸及板底表達示意

根據樓板有限元計算結果，加腋大板的內力分布與無梁樓蓋類似，存在類似“柱上板帶”的區域，故本工程地下室頂板板頂配筋使用“加強板帶”的形式，通過區分“加強板帶”與“其余區域”，并使用板頂通長筋和附加筋相結合的方式，較為經濟地設計和表達加腋大板的上層鋼筋。具體表達詳圖3。

圖3 加腋板頂筋表達示意

結語：

大型商業地產項目往往對工程造價控制嚴格，本文主要從基礎與地下室頂板兩方面才紹了一個大型商業地產地下室在結構設計過程中進行的選型、經濟性比較和設計細節思考，可供類似地下室項目參考。