地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)體系分類及應(yīng)用

孫 振 許婷華

(青島理工大學(xué)土木學(xué)院，山東青島 266033)

伴隨城市化進(jìn)程的加快，地下空間，特別是大空間、大跨度地下空間的開發(fā)和利用越來越倍受關(guān)注。城市地下資源的開發(fā)和利用，是解決城市發(fā)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(jìn)程中出現(xiàn)的土地緊張、交通擁堵、環(huán)境污染、能源浪費(fèi)等問題發(fā)揮了積極作用。與此同時(shí)，現(xiàn)代高層建筑由于基礎(chǔ)埋深的需要，往往會附帶開發(fā)一部分的地下空間，且這部分地下空間大多被利用開發(fā)為停車設(shè)施［2］。發(fā)展地下停車場既能節(jié)約用地，又能起到美化城市的功效。種種現(xiàn)狀和條件都為地下車庫的建設(shè)帶來機(jī)遇，開發(fā)建設(shè)地下停車設(shè)施成為當(dāng)前國內(nèi)各大城市的主導(dǎo)發(fā)展方向。為滿足現(xiàn)代建筑大空間、大荷載靈活布置及限制層高的技術(shù)要求，相關(guān)部門和專家研究并提出了多種新型適用、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果好的結(jié)構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，還可以降低工程材料的造價(jià)。因此，大力研究和改進(jìn)樓蓋結(jié)構(gòu)體系，使其向體輕、多功能、裝飾型等方向發(fā)展以滿足人們對建筑使用功能和節(jié)能環(huán)保的要求，適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對建筑業(yè)的要求，已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 地下車庫樓蓋作用及特點(diǎn)

地下車庫樓蓋指地下停車設(shè)施中的樓蓋體系，由承受上部荷載等作用的實(shí)心或空心板及支撐板的主梁、次梁或暗梁等構(gòu)件組成的整體受力結(jié)構(gòu)體系。樓蓋不僅將其上荷載傳遞給豎向承重結(jié)構(gòu)，而且與豎向承重結(jié)構(gòu)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(gòu)件，地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)首先應(yīng)滿足自身的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，同時(shí)保證與豎向受力構(gòu)件的可靠連接，形成一個(gè)整體共同受力。其次，地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)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(jìn)而將荷載向下傳遞至基礎(chǔ)及地基，完成結(jié)構(gòu)受力。地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)與豎向承重結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠的連接，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小變形，更好地發(fā)揮受力性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能，發(fā)揮其效用。樓蓋結(jié)構(gòu)的選型是否得當(dāng)，布置是否合理，不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)受力的好壞，而且對結(jié)構(gòu)的正常使用、工程造價(jià)、室內(nèi)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(dān)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(shè)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(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)。

2 地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)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(xiàn)澆式;2)按結(jié)構(gòu)形式可分為肋梁式和無梁式;3)按有無預(yù)應(yīng)力可分為普通鋼筋混凝土樓蓋和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓蓋。

近幾年地下車庫工程的調(diào)查研究分析表明，現(xiàn)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(shí)現(xiàn)澆式地下車庫樓蓋具有整體剛性好、抗震性能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍較廣。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，實(shí)現(xiàn)地下車庫樓蓋的大跨度、大空間的性能要求。但是預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜、施工質(zhì)量控制要求高，在一定程度上限制了其應(yīng)用和發(fā)展。因此，目前地下車庫樓蓋多采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土技術(shù)。

2.2 地下車庫樓蓋主要結(jié)構(gòu)形式

地下車庫樓蓋按結(jié)構(gòu)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(jù)板、梁和柱或墻的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式;密肋式地下車庫樓蓋主要為各類一次性或周轉(zhuǎn)性模殼結(jié)構(gòu)樓蓋。無梁式地下車庫樓蓋不設(shè)梁或在空心板內(nèi)設(shè)置暗梁或扁梁，地下車庫頂板直接支撐在豎向受力構(gòu)件上，通常豎向受力構(gòu)件為混凝土柱或剪力墻。無梁式樓蓋包括實(shí)心板無梁樓蓋和空心板無梁樓蓋。目前，常用的現(xiàn)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(shí)心板無梁樓蓋多為由實(shí)心大板與柱組成的板柱結(jié)構(gòu)。

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

圖1 地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式所占比重

3 合理選擇地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式

地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式，如何合理選擇是難點(diǎn)，更是重點(diǎn)。

文獻(xiàn)［3］中，對多層地下室樓蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇，從綜合效益的角度衡量，主要焦點(diǎn)在于盡量減小樓層高度，從而減小地下室總埋深，分析總結(jié)采用無梁樓蓋柱上板帶加厚形式受力更合理，結(jié)構(gòu)材料更節(jié)省，無梁樓蓋為其最佳結(jié)構(gòu)形式。文獻(xiàn)［4］對現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，總結(jié)了現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋的施工工藝流程及對混凝土的技術(shù)要求，分析了現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］對三種結(jié)構(gòu)形式地下車庫樓蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)，從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行對比分析，現(xiàn)澆混凝土空心樓板結(jié)構(gòu)比普通樓蓋結(jié)構(gòu)綜合造價(jià)節(jié)約30%，比鋼結(jié)構(gòu)綜合造價(jià)節(jié)約50%以上。計(jì)算結(jié)果顯示，在地下車庫柱網(wǎng)較大、樓面荷載較大或?qū)痈哂邢拗频慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無論從技術(shù)方面，還是從經(jīng)濟(jì)方面，現(xiàn)澆空心樓板結(jié)構(gòu)均具有較大優(yōu)勢，對于地上多層結(jié)構(gòu)工程，也具有較大的參考價(jià)值。

文獻(xiàn)［6］對BDF高強(qiáng)薄壁空心樓板進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，該結(jié)構(gòu)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(jié)省模板并縮短模板施工周期的優(yōu)勢，且綜合造價(jià)低、經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。文獻(xiàn)［7］對蜂巢芯樓蓋體系與無梁樓蓋體系進(jìn)行對比分析。結(jié)論顯示，蜂巢芯樓蓋體系具有節(jié)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(diǎn);同時(shí)蜂巢芯減輕結(jié)構(gòu)自重，使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能;蜂巢芯樓蓋體系節(jié)約建筑材料，施工便利，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。

選擇合理的地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)綜合地下車庫工程設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)效果、生命周期、施工難度、投資狀況、管理水平、質(zhì)量要求、安全環(huán)保等一系列比選因素。并使經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益相結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃，因地制宜，選擇合理的地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式。

4 地下車庫樓蓋設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)軟件

4.1 地下車庫樓蓋設(shè)計(jì)方法

地下車庫樓蓋設(shè)計(jì)內(nèi)力分析方法如下:

1)線彈性分析方法。該設(shè)計(jì)方法假定材料為彈性，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件未達(dá)到極限狀態(tài)前應(yīng)力與應(yīng)變成比例，可按荷載疊加原理由結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算內(nèi)力和變形，并可利用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊查表求解。

2)考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法。該方法考慮結(jié)構(gòu)開裂以后的情況，能較好的反映混凝土構(gòu)件的真實(shí)受力。在設(shè)計(jì)階段如果能較好控制內(nèi)力重分布的大小，既能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件充分發(fā)揮其承載能力滿足安全的要求，又能保證結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)形成幾何可變體系和進(jìn)一步加載時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞為前提，如果結(jié)構(gòu)采用塑性很好的鋼材配筋，混凝土的強(qiáng)度等級和截面的配筋率都不是很高，塑性鉸具有很大的轉(zhuǎn)動能力，可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部分形成可動機(jī)構(gòu)，則可用靜力法或機(jī)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載能力，應(yīng)用此方法時(shí)要特別注意正常使用狀態(tài)下的撓度和裂縫滿足規(guī)范要求。

4.2 地下車庫樓蓋設(shè)計(jì)軟件

目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用有限元分析技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，并滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元軟件包括ANSYS，SAP，ABAQUS，MIDAS，PKPM，TBSA，STRAT，廣廈等。每個(gè)通用有限元軟件都可以采用相應(yīng)的計(jì)算方法完成結(jié)構(gòu)分析，供設(shè)計(jì)和施工使用。國內(nèi)較多運(yùn)用PKPM和STRAT等完成各類肋梁式地下車庫樓蓋設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)方法，其計(jì)算結(jié)果受梁扭轉(zhuǎn)剛度折減系數(shù)的取值影響顯著，折減系數(shù)不同，其結(jié)果差別很大。而STRAT有限元軟件獨(dú)有的受力島設(shè)計(jì)理論，針對板式結(jié)構(gòu)內(nèi)力的島狀特征，采用加強(qiáng)受力島區(qū)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)工程師更多運(yùn)用STRAT有限元軟件提供的超單元命令進(jìn)行無梁樓蓋的內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算。

5 結(jié)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(diǎn)。地下車庫樓蓋工程結(jié)構(gòu)形式多樣，施工較復(fù)雜，工程造價(jià)差異較大，其前期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析極為重要。合理選擇地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)體系，是影響工程可行性的關(guān)鍵性戰(zhàn)略問題，比設(shè)計(jì)和施工階段對工程的合理性及經(jīng)濟(jì)性影響更大。地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)與選擇是一門綜合性科學(xué)，受多種因素的影響和制約。做到地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)與選擇的合理性和科學(xué)性，要充分掌握各種樓蓋結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，針對具體情況具體分析，權(quán)衡利弊，因地制宜，從而確定地下車庫樓蓋結(jié)構(gòu)形式。

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