地下車庫樓蓋結構體系分類及應用

孫 振 許婷華

(青島理工大學土木學院，山東青島 266033)

伴隨城市化進程的加快，地下空間，特別是大空間、大跨度地下空間的開發和利用越來越倍受關注。城市地下資源的開發和利用，是解決城市發展與有限用地之間突出矛盾的最有效途徑之一［1］，對于解決城市化進程中出現的土地緊張、交通擁堵、環境污染、能源浪費等問題發揮了積極作用。與此同時，現代高層建筑由于基礎埋深的需要，往往會附帶開發一部分的地下空間，且這部分地下空間大多被利用開發為停車設施［2］。發展地下停車場既能節約用地，又能起到美化城市的功效。種種現狀和條件都為地下車庫的建設帶來機遇，開發建設地下停車設施成為當前國內各大城市的主導發展方向。為滿足現代建筑大空間、大荷載靈活布置及限制層高的技術要求，相關部門和專家研究并提出了多種新型適用、技術經濟效果好的結構體系。樓蓋體系是地下車庫最基本、最主要的組成部分之一。選擇合理的地下車庫樓蓋體系不僅可以改善整個結構的力學性能，還可以降低工程材料的造價。因此，大力研究和改進樓蓋結構體系，使其向體輕、多功能、裝飾型等方向發展以滿足人們對建筑使用功能和節能環保的要求，適應國民經濟發展對建筑業的要求，已成為當務之急。

1 地下車庫樓蓋作用及特點

地下車庫樓蓋指地下停車設施中的樓蓋體系，由承受上部荷載等作用的實心或空心板及支撐板的主梁、次梁或暗梁等構件組成的整體受力結構體系。樓蓋不僅將其上荷載傳遞給豎向承重結構，而且與豎向承重結構一起形成地下車庫的空間承重骨架，共同抵抗荷載等各種作用。作為水平受力構件，地下車庫樓蓋結構首先應滿足自身的強度、剛度和穩定性的要求，同時保證與豎向受力構件的可靠連接，形成一個整體共同受力。其次，地下車庫樓蓋結構直接承受上部荷載，完成自身力的傳遞，將上部荷載傳遞至柱或墻，進而將荷載向下傳遞至基礎及地基，完成結構受力。地下車庫樓蓋結構與豎向承重結構應有可靠的連接，增加結構的整體剛度，減小變形，更好地發揮受力性能，實現結構的功能，發揮其效用。樓蓋結構的選型是否得當，布置是否合理，不僅關系到結構受力的好壞，而且對結構的正常使用、工程造價、室內景觀效果及施工是否方便等均有重大影響。地下車庫樓蓋作為一種特殊的樓蓋，其上部承擔的荷載主要有覆土和消防車荷載。其中覆土由于綠化、景觀及埋設管道的要求，厚度一般為1.5 m～2.2 m，部分工程覆土厚度甚至更大，設計時考慮的消防車荷載，其值大于普通樓面的屋面活荷載。覆土較大、荷載較大是該類樓蓋荷載的主要特點。

2 地下車庫樓蓋結構體系分類

2.1 地下車庫樓蓋整體分類

1)按施工工藝可分為裝配式、裝配整體式和現澆式;2)按結構形式可分為肋梁式和無梁式;3)按有無預應力可分為普通鋼筋混凝土樓蓋和預應力鋼筋混凝土樓蓋。

近幾年地下車庫工程的調查研究分析表明，現澆地下車庫樓蓋的整體性和受力性能比裝配式、裝配整體式性能均好，同時現澆式地下車庫樓蓋具有整體剛性好、抗震性能強、結構布置靈活等優點，因此應用范圍較廣。采用預應力技術可以提高結構構件的承載能力，實現地下車庫樓蓋的大跨度、大空間的性能要求。但是預應力設計計算復雜、施工質量控制要求高，在一定程度上限制了其應用和發展。因此，目前地下車庫樓蓋多采用現澆普通鋼筋混凝土技術。

2.2 地下車庫樓蓋主要結構形式

地下車庫樓蓋按結構形式分為肋梁式和無梁式兩種。肋梁式地下車庫樓蓋一般根據板、梁和柱或墻的結構布置情況，劃分為一般肋梁式地下車庫樓蓋和密肋式地下車庫樓蓋。其中一般肋梁式地下車庫樓蓋有單向肋梁、雙向肋梁、井字梁地下車庫樓蓋等幾種主要結構形式;密肋式地下車庫樓蓋主要為各類一次性或周轉性模殼結構樓蓋。無梁式地下車庫樓蓋不設梁或在空心板內設置暗梁或扁梁，地下車庫頂板直接支撐在豎向受力構件上，通常豎向受力構件為混凝土柱或剪力墻。無梁式樓蓋包括實心板無梁樓蓋和空心板無梁樓蓋。目前，常用的現澆空心板無梁樓蓋主要有BDF薄壁箱、蜂巢芯、GBF薄壁管、疊合箱等;實心板無梁樓蓋多為由實心大板與柱組成的板柱結構。

對近幾年29項工程的地下車庫樓蓋工程結構形式調查與研究，常用地下車庫樓蓋工程結構形式有雙向板、模殼結構、蜂巢芯、BDF方箱、井字梁、GBF薄壁管及疊合箱等。各結構形式所占比重如圖1所示。

圖1 地下車庫樓蓋結構形式所占比重

3 合理選擇地下車庫樓蓋結構形式

地下車庫樓蓋結構形式包括:肋梁式地下車庫樓蓋，如雙向板、井字梁樓蓋等;密肋式地下車庫樓蓋，各類一次性、周轉性的模殼密肋樓蓋等;空心無梁式地下車庫樓蓋，如BDF方箱、蜂巢芯樓蓋等。面對眾多的結構形式，如何合理選擇是難點，更是重點。

文獻［3］中，對多層地下室樓蓋結構形式的選擇，從綜合效益的角度衡量，主要焦點在于盡量減小樓層高度，從而減小地下室總埋深，分析總結采用無梁樓蓋柱上板帶加厚形式受力更合理，結構材料更節省，無梁樓蓋為其最佳結構形式。文獻［4］對現澆混凝土空心樓蓋的技術特點進行了系統分析，總結了現澆混凝土空心樓蓋的施工工藝流程及對混凝土的技術要求，分析了現澆混凝土空心樓蓋在應用中的優點。文獻［5］對三種結構形式地下車庫樓蓋進行設計，從經濟角度進行對比分析，現澆混凝土空心樓板結構比普通樓蓋結構綜合造價節約30%，比鋼結構綜合造價節約50%以上。計算結果顯示，在地下車庫柱網較大、樓面荷載較大或對層高有限制的結構設計中，無論從技術方面，還是從經濟方面，現澆空心樓板結構均具有較大優勢，對于地上多層結構工程，也具有較大的參考價值。

文獻［6］對BDF高強薄壁空心樓板進行經濟技術分析，該結構形式樓蓋隔音效果好、自重較輕、建筑功能較高、施工簡便(只需平模安裝)、節省模板并縮短模板施工周期的優勢，且綜合造價低、經濟效益十分顯著。文獻［7］對蜂巢芯樓蓋體系與無梁樓蓋體系進行對比分析。結論顯示，蜂巢芯樓蓋體系具有節省材料、增大樓層空間、隔音隔熱效果好、空間布置靈活等顯著的特點;同時蜂巢芯減輕結構自重，使整個建筑結構具有良好的抗震性能;蜂巢芯樓蓋體系節約建筑材料，施工便利，具有良好的經濟效益，應用前景廣闊。

選擇合理的地下車庫樓蓋結構形式，應綜合地下車庫工程設計方案的經濟效果、生命周期、施工難度、投資狀況、管理水平、質量要求、安全環保等一系列比選因素。并使經濟效益、社會效益、環境效益相結合，統籌規劃，因地制宜，選擇合理的地下車庫樓蓋結構形式。

4 地下車庫樓蓋設計方法及設計軟件

4.1 地下車庫樓蓋設計方法

地下車庫樓蓋設計內力分析方法如下:

1)線彈性分析方法。該設計方法假定材料為彈性，結構或構件未達到極限狀態前應力與應變成比例，可按荷載疊加原理由結構力學方法計算內力和變形，并可利用建筑結構靜力計算手冊和混凝土結構設計手冊查表求解。

2)考慮塑性內力重分布的分析方法。該方法考慮結構開裂以后的情況，能較好的反映混凝土構件的真實受力。在設計階段如果能較好控制內力重分布的大小，既能使結構構件充分發揮其承載能力滿足安全的要求，又能保證結構構件在使用過程中撓度和裂縫得以控制滿足適用性的要求。

3)塑性極限分析方法。該方法以結構形成幾何可變體系和進一步加載時將導致結構破壞為前提，如果結構采用塑性很好的鋼材配筋，混凝土的強度等級和截面的配筋率都不是很高，塑性鉸具有很大的轉動能力，可以使整個結構或其一部分形成可動機構，則可用靜力法或機動法等極限分析方法求得其極限荷載值;該方法特別適用于估算結構構件的極限承載能力，應用此方法時要特別注意正常使用狀態下的撓度和裂縫滿足規范要求。

4.2 地下車庫樓蓋設計軟件

目前結構設計領域應用有限元分析技術進行結構力學計算，并滿足結構設計要求。常用的結構設計有限元軟件包括ANSYS，SAP，ABAQUS，MIDAS，PKPM，TBSA，STRAT，廣廈等。每個通用有限元軟件都可以采用相應的計算方法完成結構分析，供設計和施工使用。國內較多運用PKPM和STRAT等完成各類肋梁式地下車庫樓蓋設計。早期無梁樓蓋常采用WGCorley和J.O.Jirsa提出的等代框架梁法［8，9］。等代框架梁法是一種簡化設計方法，其計算結果受梁扭轉剛度折減系數的取值影響顯著，折減系數不同，其結果差別很大。而STRAT有限元軟件獨有的受力島設計理論，針對板式結構內力的島狀特征，采用加強受力島區域的優化設計方法，合理的板式樓蓋配筋方式，有效、全面降低樓蓋各部位的配筋量，且降低配筋峰值。因此，眾多的結構工程師更多運用STRAT有限元軟件提供的超單元命令進行無梁樓蓋的內力分析和結構計算。

5 結語

地下車庫樓蓋作為一種較特殊的樓蓋體系，具有大跨度、大荷載的特點。地下車庫樓蓋工程結構形式多樣，施工較復雜，工程造價差異較大，其前期的技術經濟分析極為重要。合理選擇地下車庫樓蓋結構體系，是影響工程可行性的關鍵性戰略問題，比設計和施工階段對工程的合理性及經濟性影響更大。地下車庫樓蓋結構形式的設計與選擇是一門綜合性科學，受多種因素的影響和制約。做到地下車庫樓蓋結構形式設計與選擇的合理性和科學性，要充分掌握各種樓蓋結構體系的特點，針對具體情況具體分析，權衡利弊，因地制宜，從而確定地下車庫樓蓋結構形式。

［1］趙建彬.論城市地下空間規劃與發展［J］.山西建筑，2005，31(21):25-26.

［2］胡 靜.城市地下車庫設計研究［D］.鄭州:鄭州大學碩士學位論文，2012.

［3］印江濤，張元坤.多層地下室樓蓋結構型式經濟技術綜合分析［J］.廣東土木與建筑，2009(2):37-38.

［4］鐘勝華.對現澆混凝土空心樓蓋結構的應用與施工的探討［J］.中國住宅設施，2009(6):66-67.

［5］丁 銳.現澆空心樓板技術在地下車庫中的應用［J］.建筑科學，2009(22):101-102.

［6］陳笑瓊.BDF高強薄壁空心樓板的經濟分析及施工要點［J］.福建工程學院學報，2005，3(3):79-80.

［7］岳鐵平.蜂巢芯空心樓蓋施工技術的工程應用［J］.四川建筑，2010(2):47-48.

［8］Corley WG，Jirsa JO.Equivalent Frame Analysis for Slab Design［J］.In:ACIPro，1970，67(11):875-884.

［9］Simmonds S，Misie J.Design Faetoes for the Equivalent Frame Method［J］.In:ACIPro，1971，68(11):68-71.