地下車庫頂樓蓋結構形式的經濟性對比分析

黃明波

【摘要】在常用的幾種地下車庫頂樓蓋結構形式里，在滿足安全合理的前提下，何種結構形式更為經濟，成為地下車庫樓蓋結構選型的關鍵。本文應用PKPM計算軟件對地下車庫頂樓蓋結構形式進行計算分析對比，并選取頂板覆土厚度、層高、跨度等主要影響因素進行經濟性優選分析，便于日后實際工程設計選取適合的頂板樓蓋結構形式。

【關鍵詞】樓蓋結構形式；十字梁；井式梁；大板主梁；經濟性分析

中圖分類號：TU318.2 文獻標識碼：A

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.063

1、引言

地下車庫頂樓蓋結構形式一般有大板、無梁樓蓋、井式梁、十字梁、單向次梁、空心樓蓋等。影響地下車庫頂樓蓋結構形式的因素主要有：埋深、層高、樓板厚度、柱網尺寸、頂板覆土厚度、施工荷載、消防車荷載、人防等級、吊掛荷載等。在常用的幾種樓蓋結構形式里，何種結構形式布局更合理，更經濟，將成為地下車庫樓蓋結構選型的關鍵。根據大量工程統計數據，地下車庫頂樓蓋結構的材料用量最大，不論是混凝土還是鋼筋用量都占到總用量50%左右甚至更多（舉例見下表1）。

注：（1）以下各表的材料用量統計，均為直接材料用量或成本，均未含損耗、措施等費用。

（2）鋼筋價格按3000元/t；混凝土價格按350元/m3。

2、主要分析內容

由于無梁樓蓋結構安全冗余度和延性較低，且近年無梁樓蓋地下車庫工程事故頻發，故本文僅選用了有梁樓蓋進行分析。又主梁+單向次梁（下文簡稱：單向次梁）此布置形式會使得一個方向的主梁截面過大，通長用在兩個跨度相差較大的車庫。為此，本文僅選取主梁+十字次梁（下文簡稱：十字梁）、主梁+井字次梁（下文簡稱：井式梁）、主梁+大板（下文簡稱：大板主梁）等三種梁板結構形式進行分析。分析和比較幾種樓蓋在不同的跨度和不同的荷載下的經濟性，為了滿足車庫的使用要求，選用的常用的柱距分別為7.8m×7.8m，8.1m×8.1m，8.4m×8.4m等三種跨度，附加荷載選用0.6m～2.0m覆土之間的形式，在經濟性比較過程中，并考慮土方開挖的因素。

通過對幾種樓蓋的經濟性進行比較，結合安全性考慮，尤其是有梁樓蓋的比較，最后得出結論，在什么樣的柱距、荷載下選用哪種樓蓋是較為經濟的，可以方便設計人員在設計地下車庫樓蓋之前作為參考，并進行定量化的概念設計，使得選取的樓蓋形式合理經濟且縮短設計周期。

3、工程概況

本文算例均按設計基準期為50年，設計使用年限為50年；抗震設防分類為丙類，基本抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第一組[1]，框架抗震等級為四級；計算模型中不考慮風荷載。根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012表5.1.1項次8和附錄B進行消除車荷載考慮板跨、覆土厚度影響的折減[2]。構件混凝土強度等級為C40，鋼筋等級為HRB400。

頂板最小厚度要求：《地下工程防水技術規范》第4.1.7條規定地下工程防水混凝土結構厚度不應小于250mm[3]。

頂板最小配筋率要求：《混凝土結構設計規范》第8.5.1條規定板類受彎構件的受拉鋼筋，當采用強度等級400MPa的鋼筋時，其最小配筋率百分率應允許采用0.15和45ft/fy中的較大值[4]。

由于時間和篇幅有限，本文僅選取頂板覆土厚度、層高、跨度等主要影響因素進行優選分析研究，也作為日后更多的方案優選的一個方法參考。

假定地下車庫比選方案有以下的相同設計條件：位于邯鄲市內，柱網8.1m×8.1m，10跨×10跨，層高均為3.9m（均需滿足凈高大于2.2m）。選取不同的頂板覆土厚度（0.6m、1.2m、1.8m）、不同的消防車荷載（根據結構板跨和覆土調整），頂板結構形式依次取十字梁、井式梁、大板主梁等三種結構形式，每種結構型式計算三套方案（構件截面不同），總共需計算3×3×2=18個模型[5]。

4、地下車庫頂樓蓋結構形式的優選分析

本算例計算采用了PKPM2010V4.3系列進行計算分析。

根據上文論述，對多種結構形式地下車庫頂板結構進行模型設計。選取柱網尺寸，分別為7.8m×7.8m、8.1m×8.1m、8.4m×8.4m，均為10×10跨，四周設置地下外墻。

根據覆土厚度和板跨不同考慮消防車荷載確定荷載折減，僅布置在部分板跨中。

從每種結構型式的三種方案中選出最優的一種，繪制出墻柱梁板配筋圖（不含基礎），統計出鋼筋量、混凝土量的單位面積材料用量，以此找出不同覆土厚度下最經濟的結構型式。統計結果見表2～5。

從統計結果表2可見，所有方案的混凝土用量相差不大，但用鋼量相差較大。單位面積材料用量十字梁最小，井式梁次之，大板主梁最大。可見覆土厚度在2m以內，十字梁布置最為合理。當覆土厚度較小時（<1.0m），大板主梁的經濟性更突出。

選取表2中方案2十字梁，進行更進一步的分析研究，即：選取不同的頂板覆土厚度（0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m），統計結果見表3。由此可見，每減小0.10m覆土厚度，可以減少鋼筋約2kg/m2（混凝土用量均相同）。覆土厚度直接影響結構設計結果，而地下車庫頂板的覆土厚度一般根據三點確定。首先，地下室頂板覆土厚度應結合景觀方案精細化設計，不同種植區域覆土厚度應不同。也可采用樹池或堆土來種植，目的是盡量減少覆土荷載優化成本。其次，如采用覆土種植，建議覆土厚度為：種植大樹處覆土局部1200mm高，普通喬木處800mm，草坪一般300～400mm高。第三，方案階段，給排水專業應給出排水方案，根據水管布置長度及上方有無行車情況確定所需覆土厚度，進行局部調整。因此有必要在方案階段或者初設階段，建筑和規劃專業、景觀專業對覆土厚度做比較精細的確定，有利于控制成本。

仍選取表2中方案2十字梁，在滿足凈高要求2.2m的前提下，選取不同的層高（3.6～4.2m）作為影響因素，統計結果見表4。可見，增加層高單位面積材料用量增加不大，但可增加凈高和車庫使用的舒適度，當然也會增加一定的模板量和土方量等。

最后選取表2中方案2十字梁，在滿足每跨停放車輛為3輛的前提下，選取不同的跨度（7.8m、8.1m、8.4m）作為影響因素，統計結果見表5。可見，每增加跨度0.1m，單位面積混凝土用量基本不變，但鋼筋用量增加約0.82kg/m2，但可增加車庫使用的舒適度，當然也會增加一定的模板量和土方量等。

5、結語和展望

本文重點討論了影響地下車庫頂板結構形式的主要因素：層高、柱網、地下室頂板覆土、消防車荷載等。設計人員應該在方案確定時深刻推敲各因素，以降低項目的整體成本，提高項目效益。根據以上的計算對比結果，總結如下：

（1）所有方案的混凝土用量相差不大，但用鋼量相差較大。單位面積材料用量十字梁最小，井式梁次之，大板主梁最大。可見覆土厚度在2m以內，十字梁布置最為合理。當覆土厚度較小（<1.0m）或跨度較小（<6.0m）時，大板主梁的經濟性更突出；

（2）每減小0.10m覆土厚度，可以減少鋼筋約2kg/m2（混凝土用量均相同）；

（3）增加層高單位面積材料用量增加不大，但可增加凈高和車庫使用的舒適度，當然也會增加一定的模板量和土方量等；

（4）每增加跨度0.1m，單位面積混凝土用量基本不變，但鋼筋用量增加約0.82kg/m2，但可增加車庫使用的舒適度，當然也會增加一定的模板量和土方量等。

本文僅選取頂板覆土厚度、層高、跨度等主要影響因素進行優選分析研究，后續研究還可以從以下幾方面進行：第一、可以根據不同的層數、混合柱網、施工荷載、人防等進行更進一步比選；第二、還可對普通無梁樓蓋及現澆空心無梁樓蓋作更多研究；第三、增加更多的比選結果，如土方開挖、基礎、模板、凈空等；第四、將上述各影響因素以列表或者圖表的形式直觀表達，方便設計選取；第五、其他專業如水專業、景觀專業、道路等綜合管線的影響。

參考文獻：

[1]建筑抗震設計規范（2016年版）：GB50011-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]地下工程防水技術規范：GB50108-2008[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[4]混凝土結構設計規范（2015年版）：GB 50010-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]許愛國.地下車庫頂板在不同樓蓋結構形式下的經濟性對比分析[J].四川建筑，2017.06，第37卷3期，245-249.