普通地下室樓板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：地庫(kù)樓板設(shè)計(jì)是地下室乃至整體建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要部分。為對(duì)比分析常用建筑地下室頂（樓）板結(jié)構(gòu)布置常見(jiàn)方案的最優(yōu)性。采用實(shí)際工程中的典型柱跨（5x5跨柱網(wǎng)）作為分析樣本，配以繪制配筋示意簡(jiǎn)圖以及Excel表格計(jì)算工程量方法，對(duì)比得出各常見(jiàn)地下室樓板結(jié)構(gòu)布置方案在不同工作條件下的經(jīng)濟(jì)性次序，為選擇適合工程實(shí)際情況的優(yōu)化方案提供參考。

關(guān)鍵詞：地下室樓板設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；工程量計(jì)算

引言

對(duì)于工程設(shè)計(jì)，有必要貫徹執(zhí)行安全、適用、經(jīng)濟(jì)的原則。經(jīng)濟(jì)性的控制（主要為用鋼量）是業(yè)主開(kāi)發(fā)商的要求以及設(shè)計(jì)人員的自主選擇。

高層住宅總體經(jīng)濟(jì)性控制主要涉及三個(gè)層面：決策、操作、技術(shù)。即分別為前期概念設(shè)計(jì)、實(shí)施方案的操作、施工圖設(shè)計(jì)。由于整體控制設(shè)計(jì)中的各個(gè)階段均對(duì)地下室設(shè)計(jì)均有關(guān)注。故此文僅以地下室設(shè)計(jì)中較為重要且普遍的環(huán)節(jié)——頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分類(lèi)討論（另外幾個(gè)重要的環(huán)節(jié)即基礎(chǔ)形式、底板、外墻等，但其均因我們國(guó)家復(fù)原遼闊致使各地工程地質(zhì)條件、氣候條件、經(jīng)濟(jì)水平等差異巨大等原因復(fù)雜難以一同分析討論）。

1.關(guān)于樓屋蓋體系

高層建筑的樓屋蓋體系種類(lèi)極其多樣，他們包括鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的各類(lèi)梁板體系、無(wú)量樓蓋體系、鋼結(jié)構(gòu)的鋼梁、混凝土組合樓板體系。結(jié)合地下室樓板的使用功能，決定了其形式常見(jiàn)為鋼筋混凝土梁板體系（包括單項(xiàng)次梁和雙向板）和鋼筋混凝土無(wú)梁樓蓋體系。其余的預(yù)應(yīng)力梁板體系、預(yù)應(yīng)力無(wú)梁樓蓋體系、鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)等因主要適用為辦公、商業(yè)或使用廣泛度不足的原因極少作為地下室樓板的選用形式。

2.地下室樓板

地下室樓板設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的形式有①.帶邊框梁的無(wú)次梁大板結(jié)構(gòu)，②.單向板（單、雙）次梁結(jié)構(gòu)，③.雙向板（十字梁、井字梁）結(jié)構(gòu)，④.無(wú)次梁大板（帶主框梁）。

3.影響因素

整體設(shè)計(jì)控制中，高層住宅的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（主要指用鋼量的控制）的影響因素有結(jié)構(gòu)布置、體型的判斷、建筑高度、所在地區(qū)、建筑方案、計(jì)量規(guī)則等。而下部即地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要受基礎(chǔ)形式、柱網(wǎng)、層數(shù)、是否有覆土及其厚度、是否有消防車(chē)道、人防等多個(gè)因素的影響。

要做到整體設(shè)計(jì)的合理性，需要控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)眾多。本文從多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)中選出地下室頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一單元分析討論。使之可以作為一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)化、可標(biāo)準(zhǔn)化、易于控制的參考。

4.工況分析

地下室樓板分地下室頂板和地下室中間層樓板兩部分，而每一部分常用樓板形式分為：

①單項(xiàng)雙次梁結(jié)構(gòu)；

②十字次梁雙向板結(jié)構(gòu)；

③井字次梁雙向板結(jié)構(gòu)；

④帶主邊框梁無(wú)次梁大板結(jié)構(gòu)。

以下將根據(jù)此四種樓板結(jié)構(gòu)形式逐次分類(lèi)展開(kāi)討論，每種結(jié)構(gòu)形式又分如下幾種工況：

a.一般荷載工況；

b.一般荷載工況+消防車(chē)荷載工況；

c.一般荷載工況+消防車(chē)荷載工況+人防荷載工況（此文僅以核六級(jí)荷載為例進(jìn)行討論，

對(duì)于更高抗力級(jí)別的人防荷載作用下的情況，可以在核六級(jí)荷載作用下的分析結(jié)果做一個(gè)推斷）；

d.一般荷載工況+人防荷載工況。

理論上講對(duì)于地下室頂板有16中組合；地下室中間層樓板因無(wú)消防車(chē)荷載參與組合，故其組合數(shù)量為8種。但實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，基于以上24中組合分析結(jié)果特點(diǎn)或趨勢(shì)，結(jié)合工程實(shí)際情況，可以輕松排除若干種組合可能，進(jìn)而將設(shè)計(jì)需要考慮的情況大大簡(jiǎn)少。故此分析討論對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)工作有一定參考意義。

5.方案對(duì)比

地下室概況：某兩層地下室，地下室頂板覆土1.20m，地下室標(biāo)準(zhǔn)跨柱網(wǎng)尺寸為8.1mx8.1m，局部邊跨柱網(wǎng)尺寸為8.1mx6.0m。梁板混凝土等級(jí)為C30，鋼筋均采用三級(jí)鋼HRB400、局部范圍有消防車(chē)道、計(jì)算不考慮地震作用。

5.1.地下室頂板

5.1.1單向雙次梁結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合1a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V1a。板配筋：雙層雙向10@170拉通設(shè)置。

組合1b（有消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V1b。板配筋：雙層雙向10@170拉通設(shè)置。支座處另附加Y向板面筋8@300板面筋。

此情況需要按照《建筑荷載規(guī)范》GB5009-2012中第5.1.2條第1款第3項(xiàng)折減輸入荷載（主次梁按不同折減系數(shù)分別計(jì)算其配筋），及5.1.3條和附錄B折減消防車(chē)荷載。

組合1c（有消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V1c（消防車(chē)部分的荷載折減同1b組合）。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。支座處另附加Y向板面筋10@280。

組合1d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V1d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。支座處另附加Y向板面筋10@280。

5.1.2雙向十字梁結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合2a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V2a。板配筋：雙層雙向10@170拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為8@170。

組合2b（有消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V2b。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為10@140。

組合2c（有消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V2c。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為10@140。

組合2d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V2d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為10@140。

5.1.3雙向井字梁結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合3a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V3a。板配筋：雙層雙向10@170拉通設(shè)置。

組合3b（有消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V3b。板配筋：雙層雙向10@170拉通設(shè)置

組合3c（有消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V3c。板配筋：雙層雙向10@130拉通設(shè)置

組合3d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V3d。板配筋：雙層雙向10@130拉通設(shè)置

5.1.4雙向無(wú)次梁大板結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合4a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V4a。板配筋：雙層雙向12@170拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為14@170。

組合4b（有消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V4b。板配筋：雙層雙向12@180拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為10@180。

組合4c（有消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V4c。板配筋：雙層雙向14@180拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為12@180。

組合4d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖V4d。板配筋：雙層雙向14@180拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為12@180。

5.2.地下室中間層板

5.2.1單向雙次梁結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合2V1a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V1a。板配筋：板底雙向6@140拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為6@140。

組合2V1d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V1d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。

5.2.2雙向十字梁結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合2V2a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V2a。板配筋：板底雙向8@180拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為8@360。

組合2V2d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V2d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。

5.2.3雙向井字梁結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合2V3a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V3a。板配筋：板底雙向8@200拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為8@140。

組合2V3d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V3d。板配筋：雙層雙向10@140拉通設(shè)置。

5.2.4雙向無(wú)次梁大板結(jié)構(gòu)

其詳細(xì)荷載組合工況如下：

組合2V4a（無(wú)消防車(chē)）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V4a。板配筋：板底雙向10@180拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為10@180。

組合2V4d（無(wú)消防車(chē)+有人防）——該方案的梁配筋示意簡(jiǎn)圖詳附圖2V4d。板配筋：雙層雙向14@180拉通設(shè)置。支座處另附加雙向板面筋均為12@180。

5.3.小結(jié)

5.1～5.2條分別列出了地下室頂板以及地下室中間層樓板共計(jì)24種荷載組合情況的實(shí)際配筋示意簡(jiǎn)圖，其中有關(guān)于板厚（僅對(duì)無(wú)次梁大板結(jié)構(gòu)布置而言）的最終取值的合理性或經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析取得，其取得過(guò)程可詳見(jiàn)下表一。表一對(duì)應(yīng)于地下室頂板之無(wú)次梁大板結(jié)構(gòu)的合理板厚取值過(guò)程，其余工況的合理板厚取值過(guò)程再此文不再贅述。

表一

6.結(jié)論

以上各工況對(duì)應(yīng)的材料用量匯總表詳見(jiàn)表二（地下室頂板），表三（地下室中間層樓板）：

表二

表三

通過(guò)以上工程實(shí)例的設(shè)計(jì)對(duì)比，可以比較得出一些基本結(jié)論，見(jiàn)表四、表五。

表四

樓板形式與荷載類(lèi)別（8.1mx8.1m柱距，頂板1.2m覆土）比較結(jié)果（以含筋量排序）選用形式

嵌固頂板，無(wú)消防車(chē)道，無(wú)人防單向雙次梁<十字梁<井字梁<無(wú)次梁大板單向次梁

嵌固頂板，有消防車(chē)道，無(wú)人防無(wú)次梁<單向次梁<井字次梁<十字次梁無(wú)次梁

嵌固頂板，有消防車(chē)道，有人防井字次梁<單向次梁<無(wú)次梁<十字次梁井字次梁

嵌固頂板，無(wú)消防車(chē)道，有人防井字次梁<單向次梁<無(wú)次梁<十字次梁井字次梁

中間層樓板，無(wú)消防車(chē)道，無(wú)人防單向次梁<井字次梁<十字次梁<無(wú)次梁?jiǎn)蜗虼瘟?/p>

中間層樓板，無(wú)消防車(chē)道，有人防單向次梁<十字次梁<井字次梁<無(wú)次梁?jiǎn)蜗虼瘟?/p>

表五

樓板形式與荷載類(lèi)別（8.1mx8.1m柱距，頂板1.2m覆土）比較結(jié)果（以綜合成本排序）選用形式

嵌固頂板，無(wú)消防車(chē)道，無(wú)人防單向雙次梁<十字梁<井字梁<無(wú)次梁大板單向次梁

嵌固頂板，有消防車(chē)道，無(wú)人防無(wú)次梁<單向次梁<井字次梁<十字次梁無(wú)次梁

嵌固頂板，有消防車(chē)道，有人防無(wú)次梁<單向次梁<十字次梁<井字次梁無(wú)次梁

嵌固頂板，無(wú)消防車(chē)道，有人防無(wú)次梁<單向次梁<十字次梁<井字次梁無(wú)次梁

中間層樓板，無(wú)消防車(chē)道，無(wú)人防單向次梁<十字次梁<無(wú)次梁<井字次梁?jiǎn)蜗虼瘟?/p>

中間層樓板，無(wú)消防車(chē)道，有人防無(wú)次梁<單向次梁<十字次梁<井字次梁無(wú)次梁

要點(diǎn)：

01.一般荷載作用下（無(wú)消防車(chē)荷載、無(wú)人防荷載），梁布置的數(shù)量越多，消耗的鋼筋越多。

02.當(dāng)板上作用有較大荷載（人防荷載，或同時(shí)有消防車(chē)荷載、人防荷載）時(shí)，厚板結(jié)構(gòu)形式有優(yōu)勢(shì)，此時(shí)厚板可以按有限元分析，塑性計(jì)算，按實(shí)際情況考慮板平面內(nèi)、外的剛度（荷載中一部分可直接通過(guò)板傳遞至豎向構(gòu)件墻或柱，從而梁的配筋可以減少）

03.以上表二、表三是以特定的材料價(jià)格（鋼筋、混凝土、模板）為計(jì)算基準(zhǔn)，綜合最終的成本后得出的結(jié)果（排序），實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，材料的價(jià)格會(huì)因所在地、市場(chǎng)價(jià)格等諸多因素而不同，致綜合成本的經(jīng)濟(jì)性次序不同。

04.不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案均有自己的特點(diǎn)，比如大板方案消耗的模板最小，施工速度最快。而表四給出的排序是以常用衡量標(biāo)準(zhǔn)，即單位面積的含筋量為依據(jù)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)以該項(xiàng)目的實(shí)際情況綜合考慮后選取適合自己的方案。

05.根據(jù)此對(duì)比分析，還可以根據(jù)不同的限制條件發(fā)展出更為詳細(xì)的對(duì)比方案。

①如在建筑層高限值了梁高的自由取值時(shí)，得出的經(jīng)濟(jì)性結(jié)果又會(huì)不同。

②對(duì)于長(zhǎng)方形柱跨，如8.1mx6.0m柱距時(shí)，同理可以得出較為經(jīng)濟(jì)的布置是——次梁平行于長(zhǎng)邊布置，讓短跨主梁作為該次梁的支撐。

③地下室頂板不作為嵌固端時(shí)。

④地下室頂板的厚度有變化時(shí)（如其不作為嵌固端時(shí)，或者審圖單位要求地庫(kù)頂板的厚度不得低于250mm等）對(duì)比的結(jié)果均會(huì)有一定程度的不同。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 江 淼，譚麗華.淺析高層住宅用鋼量的控制[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011年4月 第41卷增刊.611-614

作者簡(jiǎn)介：

錢(qián)軍，學(xué)士，工程師