不同柱跨下地下室頂板的樓蓋選型研究

劉樹之 俞昔非 肖啟仁 李永德 陳 良

地下室柱網(wǎng)布置形式可分為大柱網(wǎng)、中柱網(wǎng)和小柱網(wǎng)。如何選擇最佳的樓蓋類型是設(shè)計人員關(guān)心的重要問題。許開成等[1]通過計算和分析地下車庫常見的樓蓋體系，得出了樓蓋體系的層高、造價和材料用量等指標(biāo)。田繼平[2]結(jié)合武漢某高層地下室設(shè)計，比較和分析了大面積地下室中的梁柱體系和板柱體系，給出了面積規(guī)模較大的地下室建造的經(jīng)濟(jì)性和合理性建議。何銳等[3]對某多層廠房框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行樓蓋選型分析，得出了樓蓋選型設(shè)計和思路。選定大、中、小3 種不同的柱網(wǎng)，采用控制變量法，即除樓蓋形式外其他設(shè)計條件都相同，每種樓蓋形式均按照符合規(guī)范的最低要求設(shè)計。選擇多種樓蓋形式，并比較材料用量、模板費(fèi)用和施工便利性。

1 比選條件

地下室為1 層的地下室，其層高為3.9 m，將3 種柱網(wǎng)均在2 個方向各取5跨作為計算模型，設(shè)防烈度為6度，框架抗震等級為4 級，梁、板、柱的混凝土等級均為C35，鋼筋規(guī)格均為HRB400[4]。地下室頂板覆土的常規(guī)厚度為1.2 ～1.8 m，本文的覆土厚度取1.5 m 計算，覆土容重取18 kN/m2，頂板活荷載為5 kN/m2。頂板分別考慮有消防車荷載和無消防車荷載，荷載按板跨和覆土厚度折減。基礎(chǔ)采用獨(dú)立柱基，因底板不考慮人防荷載，可采用300 mm 防水板，不考慮抗浮設(shè)計，以盈建科YJK5.3.1 作為計算軟件。

2 樓蓋選型

大柱網(wǎng)尺寸為8.1 m×7.8 m，柱跨間滿足停放3 輛車的要求；中柱網(wǎng)尺寸為8.0 m×6.3 m / 5.3 m；小柱網(wǎng)尺寸為5.8 m×6.1 m / 5.0 m，柱跨間滿足停放2 輛車的要求。根據(jù)規(guī)范要求，以結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性為前提選用樓蓋形式，包括單向雙次梁（以下簡稱雙次梁）、單向單次梁（以下簡稱單次梁）、井字梁、十字梁、無梁樓蓋（板柱結(jié)構(gòu)，非空心樓蓋）、大板以及加腋大板。根據(jù)計算和設(shè)計，確定合理的梁板截面尺寸與配筋。

3 樓蓋方案對比

工程量統(tǒng)計內(nèi)容包括混凝土、模板和鋼筋，價格均依據(jù)《湖南省建設(shè)工程計價辦法》和《湖南省建設(shè)工程消耗量標(biāo)準(zhǔn)》來確定，混凝土單價為890 元/m3、模板單價為80 元/m3、鋼筋7.5 元/kg，材料單價均包含人工費(fèi)。

3.1 地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計對比

工程量與造價統(tǒng)計表的單位造價包含基礎(chǔ)與底板的造價。大柱網(wǎng)采用單次梁方案與十字梁方案時配筋過大，不將其納入對比。無消防車荷載時大柱網(wǎng)地下室頂板工程量與造價統(tǒng)計如表1 所示。表2 為有消防車荷載時，大柱網(wǎng)地下室頂板工程量與造價統(tǒng)計。

表1 無消防車荷載大柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計

表2 有消防車荷載大柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計

中柱網(wǎng)一般不采用井字梁樓蓋和十字梁樓蓋，故不將其納入對比；當(dāng)采用雙次梁時富余量較大，也不將其納入對比。無消防車荷載時，中柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計，如表3 所示,由表可知有消防車荷載時，中柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計，如表4 所示。小柱網(wǎng)，采用雙次梁時富余量一般較大，不將其納入對比。以大板方案替換加腋大板方案，十字梁方案替換井字梁方案，進(jìn)行不同樓蓋形式的工程量和造價對比。表5 為無消防車荷載時小柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計。表6 為有消防車荷載時小柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計。

表3 無消防車荷載中柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計

表4 有消防車荷載中柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計

表5 無消防車荷載小柱網(wǎng)地下室頂板的工程量與造價統(tǒng)計

3.2 樓蓋形式對比分析

地下室頂板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):頂板荷載大及地下室的設(shè)備管道密集，對凈高控制較為嚴(yán)格，梁高較大會壓縮地下室凈高。因此可從受力合理性、經(jīng)濟(jì)性、施工便利性以及快速建造等方面分析各類樓蓋形式。

3.2.1 無梁樓蓋最經(jīng)濟(jì)

無梁樓蓋無須使用梁模板，其模板用量最少，施工簡便、速度最快，層高相同的情況下地下室凈高最高，管道鋪設(shè)最方便，功能最優(yōu)。無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系簡單，傳力途徑直接，即荷載由板直接傳遞給柱，無須主梁過渡。即使按照規(guī)范要求在柱上板帶中設(shè)置暗梁，暗梁上部鋼筋面積為柱上板帶鋼筋面積的50%，下部鋼筋面積為其上部鋼筋的1/2，其配筋量也遠(yuǎn)小于框架梁的配筋量[5]，因此是5 種方案中用鋼量最少的樓蓋形式。

雖然無梁樓蓋板厚較大，因減少主梁的混凝土量，所以混凝土用量在5 種方案中為中等水平。無梁樓蓋與柱之間僅由節(jié)點(diǎn)連接，結(jié)構(gòu)連續(xù)性較差，柱的四周剪力和彎矩過于集中，易發(fā)生沖切破壞，即脆性破壞。近年，無梁樓蓋安全事故頻發(fā)，我國對其施工質(zhì)量和施工組織管理都出臺了嚴(yán)格的要求。

3.2.2 雙次梁方案混凝土用量最省

雙次梁方案可有效減小板跨，板厚滿足嵌固端要求（180 mm 即可），因此混凝土用量最省。樓板為單向板，樓板鋼筋在滿足最小配筋率的要求后，只需要在受力方向配置附加鋼筋，另一方向則不需要設(shè)置附加鋼筋。作為次梁支座的主梁，由于承擔(dān)大部分荷載，其配筋較大。而另一方向的主梁受荷面積很小，故該方向的主梁配筋較小。該方案主梁傳力路徑相對較好，支模量較小，梁系布置有利于布置設(shè)備管線，混凝土和鋼筋用量經(jīng)濟(jì)，施工速度快，但缺點(diǎn)是支撐次梁的主梁高度相對較高，對空間和層高有影響。

3.2.3 井字梁方案的次梁數(shù)量最多

井字梁方案的模板量最多，施工速度最慢。雖然此方案計算板跨最小，但板厚必須滿足嵌固端的要求，無法充分發(fā)揮混凝土應(yīng)有的強(qiáng)度，因此其混凝土用量略大于雙次梁方案。樓板為雙向受力，配筋滿足最小配筋率的要求即可，無須設(shè)置附加鋼筋。該方案傳力模式簡單清晰，但雙向的主梁共同承擔(dān)荷載，2 個方向主梁配筋均較大，次梁數(shù)量最多，用鋼量最大。在有消防車荷載的情況下，相較雙次梁方案，井字梁方案用鋼量更大，主梁梁高略小，可增加地下室的凈高。

3.2.4 大板與加腋大板的配筋較小

大板與加腋大板為相同類型，主梁不受集中力的影響，其受力更均勻，配筋也較小。由于加腋的存在，樓板跨度減小，板厚也相應(yīng)減小，加腋大板方案的通長鋼筋配筋量小于大板方案。因為加腋存在，加腋大板方案樓板負(fù)彎矩鋼筋減少，同等截面下主梁配筋也較小。與大板方案相比，加腋大板模板用量相近，混凝土用量略大，但用鋼量減少，且遠(yuǎn)比雙次梁方案少。加腋大板主梁截面較小，有利于布置設(shè)備管線，使用方便。恒載起控制作用時，大柱網(wǎng)+雙次梁或井字梁具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因為次梁存在使荷載傳力路徑更合理。在活載起控制作用時，大板方案經(jīng)濟(jì)性更好，因為板跨增大導(dǎo)致活荷載減小，配筋更小。

4 對比分析結(jié)果

在地下室面積相同、基礎(chǔ)和底板的造價基本一致的情況下，小柱網(wǎng)的頂板造價最低，經(jīng)濟(jì)性最好。對于大柱網(wǎng)來說，無梁樓蓋的經(jīng)濟(jì)性、施工簡便性和功能性表現(xiàn)優(yōu)異，但受力合理性和安全性不夠，不推薦使用。相反，井字梁方案在經(jīng)濟(jì)性、施工簡便性和功能性上不占優(yōu)勢，但受力合理性和安全性均最佳；加腋大板方案在各方面表現(xiàn)均衡，其他結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)劣，但差異較小。對中柱網(wǎng)來說，無梁樓蓋的受力合理性和安全性較差，其他方面表現(xiàn)優(yōu)異；單次梁方案在經(jīng)濟(jì)性、施工簡便性和功能性上表現(xiàn)較差；大板方案各項表現(xiàn)較均衡，井字梁方案不推薦使用。對小柱網(wǎng)來說，無梁樓蓋在各表現(xiàn)較為優(yōu)異，但不推薦在地下室頂板中使用；對無梁樓蓋有限制的地區(qū)，大板方案可作為替代方案；單次梁方案經(jīng)濟(jì)性較好，但功能性較差；十字梁方案各方面較為均衡。

5 結(jié)語

地下室頂板結(jié)構(gòu)選型的影響因素眾多，沒有哪種結(jié)構(gòu)形式具有廣泛的適用性，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的地庫頂板結(jié)構(gòu)。本文所列出的各種樓蓋方案對比結(jié)果僅適用于特定條件和情況。