地下室頂板采用加腋大板體系結構設計案例淺析

趙耀宗

摘 要：文章通過某高層建筑地下室工程實例，著重介紹了地下室頂板采用加腋大板體系的一般分析理論、有限元分析方法及施工圖設計流程，闡述了理論依據和設計要點，實踐證明該體系在項目中具有明顯的經濟優勢，可供相關建筑結構設計人員參考。

關鍵詞：地下室頂板；加腋大板體系；結構設計

中圖分類號：TU375.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0021-01

1 工程概況

某高層建筑項目，總建筑面積34.98 m2，其中單層地下室面積約7.8萬 m2，純地下室面積約5.8萬 m2。地下室采用框架結構，主要柱網尺寸為8.1 m×8.1 m，頂板主要覆土厚度1.5 m，設計時以頂板作為上部結構的嵌固端。常規的頂板樓蓋體系有：根據《建筑抗震設計規范》要求，地下室在地上結構相關范圍內應采用梁板結構。本工程頂板覆土厚度較大，且甲方對含鋼量有要求，故設計時采用變截面加腋大板體系，板支承在框架主梁上，不設次梁。

2 加腋大板體系的結構設計

2.1 加腋大板體系分析原理

根據結構力學及混凝土結構分析理論，對8.1 m跨的雙向板在均布荷載作用下，其板支座只在跨中1/3范圍內有較大彎矩分布，其余位置都較小，而實際施工圖設計中都是整跨按最大彎矩配置支座鋼筋，導致板支座兩端鋼筋沒有被充分利用，同時板支座彎矩相對跨中彎矩較大。若能增大支座受力截面減小支座彎矩，同時又不增加跨中板厚以減小自重，便能有效的減小結構用鋼量。加腋大板體系即能滿足以上要求，通過對等截面（等體積）厚板與加腋板的計算對比可知，在板各側取凈跨約1/5范圍內做加腋既能有效減小支座彎矩又不會明顯增加自重和混凝土用量。同時，有限元分析結果表明在此范圍內板底受壓，故板底筋可在此處斷開，該范圍底筋只需要滿足構造要求即可。加腋板構造如圖1所示。

由于加腋后板截面較大，對于尺度相近的框架梁來說，其剛度不可忽略，厚板與框架梁形成T型梁截面，T型截面的彎矩由板翼緣和矩形梁腹板共同承擔。計算結果顯示翼緣承擔的彎矩比例約占截面總彎矩的35%，此彎矩即包括作為梁翼緣承擔梁的彎矩，也包括作為大板的支座負彎矩。實際配筋時將翼緣與矩形梁配筋分別考慮，最多可節省35%的梁面鋼筋，同時此方法比傳統計算模式更加符合強柱弱梁的概念要求。

2.2 有限元分析方法

由于加腋板無法用常規的計算軟件進行分析，故本工程采用MIDAS GEN通過有限元方法進行分析計算。由于截面的漸進變化，最合適的是采用實體單元。MIDAS GEN可通過CAD軟件導入加腋板線模型，然后在軟件中轉為實體模型，并通過網格劃分形成實體單元，板單元平面最大尺寸取0.5 m，即可滿足工程精度要求。分析時，建立5×5柱跨的結構模型，板跨中等截面厚度取250 mm，加腋后板最厚處取450 mm，變截面范圍從板邊算起1.5 m，框架梁截面取550 mm×900 mm，框架柱截面取600 mm×600 mm，如圖2所示。

根據圖2的荷載工況要求加載并進行計算，圖3～圖5為某組合工況下結構的應力云圖，由圖可知：①變截面范圍內板面負彎矩較大，等截面范圍內負彎矩較小，加腋板翼緣承擔了很大一部分彎矩，符合加腋板體系設計，能夠充分利用截面；②板底變截面范圍內不存在正彎矩，底筋可在此不需要點斷開，驗證了構造設計能符合計算要求；③柱頂出現應力集中，同時梁支座鋼筋較大，計算時可適當考慮調幅，并加強柱頂位置的配筋構造。不同荷載工況及內力配筋結果見表1。

2.3 施工圖設計流程

通過積分運算提取不同截面的內力，根據混凝土設計理論即可進行配筋設計及裂縫驗算。對于不同柱跨尺寸的結構單元，可分別建立有限元模型或根據標準柱跨模型進行等效設計。加腋板體系設計的一般步驟可歸納如下：

①根據實際設計的梁截面和板截面建立有限元受力模型，輸入荷載工況進行受力分析；②根據一般方法采用常規結構設計軟件（如PKPM）建立等截面模型并計算；③根據有限元計算結果判斷梁腹板承擔總彎矩的比例，對結構設計軟件計算結果的彎矩進行折減再配筋，或者根據經驗直接對梁配筋數值進行折減，以此結果進行施工圖梁配筋。如果對裂縫有要求，按折減后的彎矩校核裂縫寬度；④根據有限元計算結果對加腋板進行配筋，同時驗算T型梁翼緣的配筋是否滿足，有裂縫控制要求時再進行裂縫寬度驗算。

經比較，本工程若采用井字梁或十字梁體系造價更高。造價相對較低的十字梁體系總成本約475元/m2，相比于加腋大板總成本433元/m2約高10%（相同荷載及相同裂縫寬度要求情況下）。本工程采用加腋大板體系可節約造價250萬元以上，經濟優勢很明顯。

3 結 語

對于大體量的地下室工程，頂板結構體系的選擇對工程整體造價具有非常重要的影響，如何選擇合理的結構體系成為設計的關鍵。本文介紹了地下室頂板采用加腋大板體系的一般設計方法，詳細論述了其設計原理，并通過有限元分析結合實際案例歸納了施工圖設計的主要流程。結果表明加腋大板體系在案例中具有明顯的經濟優勢，可為相關建筑結構設計人員提供參考。

參考文獻：

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