多层地下车库的无梁楼盖设计探讨
2014-12-31 00:00:00智洪权
基层建设 2014年22期
摘要：近年来，随着我国建筑行业的不断发展与进步，无梁楼盖作为一种常用的建筑结构体系，在我国建筑业得到广泛应用。无梁楼盖结构体系与普通梁板结构体系相比较，它具有整体性好、楼层净高较高，有利于减小建筑层高，施工支模方便，钢筋绑扎方便，施工速度快，管线布置、设备安装方便等优点。文章结合笔者的工程实践经验，主要针对地下室采用普通梁板式结构与无梁楼盖结构设计中方案比较、无梁楼盖的计算方法、构造措施等方面的相关要点进行了探讨与研究。
关键词：多层地下室；无梁楼盖；梁板结构；经济性
近年来，随着城市化进程的加快，大、中城市新增了大量的城市居民，因此势必增加城市的住房用地，由于用地红线和绿化率及开发商利益三者之间的矛盾，人防、停车位的需求使地下室成为现代建筑不可或缺的组成部分，因而大型地下车库在各个小区大量出现。地下室结构形式常见的有普通梁板结构、宽扁梁结构、普通钢筋无梁楼盖结构、预应力无梁楼盖结构等形式。地下室的层高的高低对地下室基坑的开挖量有重要的影响，尤其在地下水位较高沿海地区或坚硬岩石开挖成本较高地区，在满足功能及基础埋深前提下，地下室应尽量浅埋，以便减少支护与土方开挖成本，减少地下室外墙的土压力和地下室侧墙的计算截面高度，同时在水位较高地区减少底板水浮力，进而达到有效节约底板造价及地下室抗浮成本的目的。普通梁板结构形式主梁高度较高，无法降低地下室层高；宽扁梁结构虽能降低地下室层高，但梁柱节点处钢筋太过集中且工程造价上不经济；预应力无梁楼盖结构，虽没有梁，但板筋有预应力钢筋需要增加一道预拉工序，整体会影响工期，并对建筑使用功能的改造有所限制且工程造价高；而无梁楼盖是一种很好的结构形式，不仅能有效的减小层高，满足各专业层高要求，从而节省了各主要材料的用料，而且能够减少地下室基坑的开挖，与其它梁式楼盖体系相比，具有板底平整、结构高度小、建造方便等特点，特别是在建筑物高度或层高受限的情况下，采用无梁楼盖是增加楼层使用空间高度的最有效方法。同时，无梁楼盖能充分利用建筑空间，有利于各种管道的敷设，也能满足隔墙灵活布置的要求。常用于冷库、商场、仓库、车库等建筑。
1.工程概况
该项目位于深圳市罗湖区，占地面积约5.3万㎡，拟建4栋仓储及办公的建筑物，其中9层仓储建筑高度为48m，拟采用框架结构；11层仓储建筑高度为60m，拟采用框架-剪力墙结构；18层仓储建筑高度为100m，拟采用框架-剪力墙结构；54层仓储建筑高度为300m，拟采用框架-核心筒结构。地下室抗浮设防水位按未来室外地坪标高下1.00m考虑。对差异沉降敏感，设地下室5层，深约20m，总建筑面积约78万㎡。地下室除人防区域，电梯、楼梯四周、楼板开较大洞口周边、荷载较大的区域、作为地下室嵌固端的地下室顶板区域设置为普通梁板结构体系外，其余均为无梁楼盖结构体系，其地下室层高为：负5层高为4.05米，；负4、负3、负2层层高均为3.5米；负一层层高为6.55米，地下室柱距大部分为9米X9米，按《建筑荷载规范》：1，单向板楼盖（板跨不小于2m）和双向板楼盖（板跨不小于3mX3m）：客车取活荷载4.0KN/m2； 双向板楼盖（板跨不小于6mX6m）和无梁楼盖（柱网不小于6mX6m）取活荷载为2.5KN/m2；无梁楼盖板厚取200mm，局部取250mm，300mm，楼板混凝土等级取C30。经计算：柱帽宽度取3000mmX3000mm，高度（含板厚）取400mm，柱帽冲切满足设计要求，有个别柱帽冲切不满足设计要求时，在满足混凝土极限抗冲切力的条件下，对柱帽增加抗冲切钢筋，以满足设计要求。
2.无梁楼盖的计算分析
无梁楼盖的内力计算一般较常用的方法有经验系数法、等代框架法和有限元法等。前两者是对无梁楼盖满足一定条件下的近似计算，常用于手工计算，较多地运用在规则结构中，否则会出现较大误差。由于计算机及软件技术的进步，有限元计算方法得到了迅速发展，它能够较准确地计算无梁楼盖的结构反应，满足日益复杂的工程计算需要。本工程使用PKPM的复杂楼板分析与设计软件SLABCAD进行无梁楼盖的有限元计算。该软件的计算流程如图1所示：
图1" 无梁楼盖设计流程图
2.1整体分析
本工程运用PKPM软件中的PMCAD模块对结构进行建模，在无梁楼盖区域柱上板带的位置输入等代梁，梁宽取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输入。在模型建立后使用SATWE模块对结构进行三维整体分析计算，由于SATWE具有考虑楼板弹性变形的功能，可采用弹性楼板单元6较真实地模拟楼板的刚度和计算变形。其内力结果将在后续的楼盖计算中与有限元的计算结果按工况进行组合，用于无梁楼盖的设计。
2.2楼盖计算与设计
无梁楼盖的整体分析计算完成后，运用PKPM软件中SLABCAD模块进行楼盖的分析计算。在前处理中补充输入柱帽和板上荷载等信息，定义楼板的约束条件，并进行有限元划分，划分单元的大小以边长1000mm为宜。前处理完成后进行有限元分析，结果如图2所示。
图2 楼板弯矩图
有限元计算的结果尚不能直接用于楼板设计，需要在板带上进行积分，形成板带内力，按照板带弯矩进行楼板配筋，SLABCAD中“板带交互设计及验算”提供了这一功能。板带的划分以前面所述的等代框架梁为柱上板带，其余板带为跨中板带，钢筋强度等级选用HRB400（文中“φ”均表示HRB400）。程序分别给出了不同方向（X向与Y向）上柱上板带与跨中板带的配筋，共有4张图，将图形叠合一起，方便设计与核对，如图3所示。
图3 板带配筋图局部
计算结果显示，无梁楼盖柱上板带：支座面面筋约为960mm2/m，跨中底筋计算配筋约为500mm2/m；跨中板带：支座面面筋约为500mm2/m，跨中底筋计算配筋约为400mm2/m，，因而柱上板带采用双层φ12@200（565mm2/m）钢筋网配合局部支座加筋的配筋方式；跨中板带底筋采用φ10@180（436mm2/m），面筋采用φ12@200（565mm2/m）能够较好地满足计算要求，且便于施工。为了加强板与柱的连结，增强楼板的整体性与抗震性能，以及板系对冲切受剪的抵抗能力，无梁楼盖设有暗梁，柱上板带支座加筋可设于暗梁中。同时，暗梁支座上部钢筋面积应不小于柱上板带钢件面积的50%，暗梁下部钢筋不宜小于上部钢筋的1/2[2]。
运用SLABCAD还可以对无梁楼盖的板带裂缝与柱帽抗冲切进行验算。当裂缝宽度不满足使用要求时，可查看板带的内力准永久组合值按规范公式进行手算，进行人工复核。当柱帽抗冲切强度不足时，可以调节柱帽的尺寸，增大柱帽平面大小或增加柱帽厚度，重新验算，以满足强度要求；也可以在满足混凝土极限抗冲切力的条件下，对柱帽增加抗冲切钢筋，以满足设计要求。
2.3 混凝土用量
普通梁板结构中，根据计算对每跨内纵横分别设置两道次梁（即井字梁）梁板结构、每跨内纵横各设一道次梁（即十字梁）梁板结构、每跨内在纵或横向设置两道次梁（即单向板）梁板结构、每跨只在框架位置设置框架梁而不设次梁梁板结构初步比较，单向板梁板结构方案较经济，因此，此文只对与无梁楼盖结构空间高度相同的单向板宽扁梁板结构和无梁楼盖做以下对比。
1.两种楼板结构形式的混凝土用量如表1
表1" 混凝土用量表（单位.m3）
结构形式混凝土用量
楼板
柱帽
梁
总计
无梁楼盖
14.4
3.2
—
17.6
普通宽扁梁板（单向板）
7.808
—
8.14
16.28
由上表可见，无粱楼盖形式比普通宽扁梁板（单向板）形式的混凝土用量多 1.32m3。由于混凝土价格较低 ，从经济角度来讲，两者差异不大。
2.4钢筋用量
本文根据两种模型的计算结果进行配筋 ，以配筋结果不超过规范相关限值的5％作为比较结果的前提。
无梁楼盖底板计算配筋点值如图4中的（a、b、c、d）所示，从配筋面积点值上看，柱上板带：板底配筋为拉通筋（φ12@200），板面筋通长筋为（φ12@200）支座处附加筋（φ12@200）；跨中板带：板底配筋为拉通筋（φ10@180），板面筋通长筋为（φ12@200），支座处无需附加筋。根据经验，底板配筋基本由裂缝控制。本工程板底裂缝宽度限值为 ，板面裂缝宽度限值为 ，板底保护层厚度为15mm，板面保护层厚度为15mm。根据底板在荷载准永久组合下的弯矩，无梁楼盖裂缝控制下的各段配筋结果如表2，平面布置如图4。各配筋结果均大于不考虑裂缝宽度下的配筋值。
图4
无梁楼盖X 向板底计算配筋（a）无梁楼盖 Y向板底计算配筋（b）
无梁楼盖X向板面计算配筋（c）无梁楼盖 Y向板面计算配筋（d）
表2" 无粱楼盖裂缝控制下的配筋
柱上板带上部支座
板上板带跨中
跨中板带上部
跨中板带跨中
MK（KN.m）
-564
125.57
-75.05
106.7
A3（mm2/m）
1007
507
500
400
裂缝宽度（mm）
0.20
0.20
0.18
0.29
配筋（mm2）
Ф12@200（通长）+Ф12@200（附加筋）
Ф12@200
Ф12@200
Ф10@180
注：柱上板带上部附加长度为自柱中心算起向柱两边各35OOmm长的顶板区域.
图5" 无梁楼盖配筋平面布置图
根据混凝土构造手册，无梁楼盖柱帽配筋详下图6：
图6" 无梁楼盖柱帽大样图
表3" 无梁楼盖裂缝控制下的含钢量
承台（柱帽底）
柱上板带
跨中板带
合钢量（kg/m2）
用钢量（kg）
170.5
1340.2
720.77
27.55
从 图5和图6可计算出无梁楼盖底板的用钢量如表 3。
普通宽扁梁板（单向板）结构体系的粱计算配筋如下图7，板计算配筋如下图8。
图7 "梁计算配筋图
图8" 板计算配筋图
在裂缝宽度控制下，普通宽扁梁板（单向板）结构体系的粱、板配筋详表4。
表4" 普通宽扁梁板（单向板）裂缝控制下的配筋
横向框架梁面支座
横向框架梁跨中
横向次梁支座
横向次梁跨中
纵向梁面支座
纵向梁面跨中
板纵向受力底筋
Mk（KNm）
-219
195
-213
207
-690
526
12.17
A3（mm2）
2000
1800
2200
2100
6900
5800
429
裂缝宽度（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，普通宽扁梁板（单向板）裂缝控制下的配筋均大于计算配筋值，框架梁箍筋Ф8@100/200（4）， 次梁箍筋Ф8@150（4），板的其余钢筋按构造配置。含钢量如表 5。
表5" 普通宽扁梁板（单向板）梁板裂缝控制下的含钢量
板
梁
总计
合钢量（kg/m2）
用钢量（kg）
542.7
1747.98
2290.68
28.28
由表 3和表5可知，无梁楼盖结构形式比普通宽扁梁板（单向板）结构形式的底板含钢量低28.28-27.55=0.73kg/m2。再考虑施工工作量，由于少了明梁的侧模施工，无梁楼盖结构形式的工作量明显比普通梁板（单向板）结构形式的工作量少，因此，无粱楼盖结构形式的楼板优于普通宽扁梁板（单向板）结构形式的楼板。
3、结语
对任一建筑物来讲，都要对选择的楼盖体系方案的各个因素进行综合考虑，这些因素包括：建筑空间的功能需求、结构形式决定的楼盖支撑条件、荷载的大小等。因此，在具体工程项目中采用何种楼盖形式应综合具体建筑条件和场地实际情况以及施工条件等多方面、多角度因素。全面、客观的比较决定，才能充分发挥各种楼板体系的优势，体现建筑工程的经济效益和社会效益。该工程地下室的楼板无梁楼盖结构形式相比普通宽扁梁板（单向板）结构形式，虽混凝土多用1.32m3，但钢筋节省了0.73kg/m2， 基坑的开挖工程量也大大减少，楼层施工工作量也减少了明粱侧模的施工，因此，在该工程无粱楼盖结构形式楼板的经济性能还是优于普通宽扁梁板（单向板）梁板结构形式楼板。
参考文献：
[1]《混凝土结构设计规范》.GB50010-2010.
[2]《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》.CECS 175：2004.
