無梁樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

吳欣珂

【摘要】無梁樓蓋結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于地下建筑。這種結(jié)構(gòu)體系不設(shè)置受力梁而使得房建凈高增大。在我國許多城市已經(jīng)開始普及使用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式能夠使建筑在有限的高度內(nèi)獲得更大的建筑空間。本文分析其受力機理，給出YJK軟件設(shè)計使用要點，分析柱帽對柱子剛度產(chǎn)生的影響，對從事結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)的工程師們有一定的參考意義，并對其經(jīng)濟性進行分析比較。

【關(guān)鍵詞】無梁樓蓋結(jié)構(gòu);柱帽;剛度;經(jīng)濟性

Abstract： beamless floor structure has been widely used in underground buildings。This structural system does not set up stress beams，which increases the net height of the building。Many cities in China have begun to popularize the use of beamless floor structure，which can enable buildings to obtain greater architectural space in a limited height。This paper analyzes its stress mechanism， gives the key points of YJK software design，analyzes the influence of column cap on column stiffness，has certain reference significance for structural designers，and analyzes and compares its economy。

Key words： beamless floor structure;Column cap;rigidity;Economy

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.06.

1、前言

隨著城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，大多數(shù)城市都已經(jīng)高樓林立，使得土地資源越來越緊缺，為了能夠更加有效的使用土地資源，專家們建議開發(fā)城市的地下空間。地下建筑的出現(xiàn)不僅可以有效的利用地下空間，還可以利用其地上空間建造公園、寫字樓、住宅、休閑廣場等建筑，既提高了土地利用率，又節(jié)省了土地資源。因此出現(xiàn)了越來越多的地下車庫、地下商城等地下建筑。這種不需要占用土地使用面積并且能滿足人們的使用要求和審美觀念的地下建筑結(jié)構(gòu)漸漸的被大眾群體所接受。

對建筑工程師們來說，建筑空間的大小，使用功能的要求，節(jié)能、環(huán)保的需求，規(guī)劃限定建筑物允許高度及，這些是他們所在意的。而恒活荷載的大小、各層使用的最小凈高，結(jié)構(gòu)受力的分析，柱網(wǎng)的布置，含鋼量的大小則是結(jié)構(gòu)工程師們所關(guān)心的。在建筑物高度或者層高受到限制時，采用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)可以有效增加使用空間，同時也能靈活劃分不同的功能性房間。因此，無梁樓蓋結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大型地下室、多層地下室、大底盤等建筑中。對于整個項目的經(jīng)濟性影響，地下室結(jié)構(gòu)工程造價較地面以上結(jié)構(gòu)工程造價大。合理結(jié)構(gòu)形式的選擇，是當(dāng)下結(jié)構(gòu)設(shè)計師們必須考慮的事，結(jié)構(gòu)形式的不同，會直接影響工程總體造價，對控制經(jīng)濟成本有著顯著的效果。不同的工程環(huán)境，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，會帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

本篇論文使用的軟件名為盈建科（YJK），以實際項目為例，分析混凝土用量、鋼筋用量和模板用量3個方面。對采用不同種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的地下室樓蓋進行對比分析，得出相應(yīng)結(jié)論。

2、工程概況

本工程為一層地下室，平面尺寸為128mx77.6m，地下室范圍內(nèi)上部有兩棟11層和15層的高層建筑及一棟4層的多層建筑。依據(jù)地勘報告，本工程地下室抗浮水位絕對標(biāo)高為31.50米，地下室底板底絕對標(biāo)高為29.30米，抗浮水位計算高度為2.20米。頂板覆土厚度為0.9～1.5m，地下室梁、板、柱混凝土強度等級為C35，場地類別為II類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第1組，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，抗震等級為四級，丙類建筑，鋼筋采用HRB400級螺紋鋼筋，地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端。

3、計算方法的選取、荷載的取值

3.1 計算方法的選取

在本工程中，地下室面積約為10000m2，柱跨多為均等分布置，考慮邊跨存在應(yīng)力集中，計算可能存在相對誤差，因此選取中間跨作為研究對象。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（盈建科V2020-3.0版本）建立結(jié)構(gòu)計算模型。

本文采用2種結(jié)構(gòu)形式方案進行分析、對比。（1）方案1為井字梁，荷載雙向傳導(dǎo)，樓蓋剛度較大，跨中梁截面高度較小，可以形成較大的使用空間，但梁間距太密。由于地下室會有風(fēng)管、水管等管線穿越，且為了降低造價，通長地下室不會采用吊頂，導(dǎo)致室內(nèi)空間的視覺觀感不好，且施工難度大，支模時間長，導(dǎo)致人工費過高，工期較長。（2）方案2為無梁樓蓋，因未設(shè)置梁構(gòu)件，傳力路徑不如井字梁傳力明確，基本靠大板受力，加上板自身混凝土、鋼筋、抹灰等自重，導(dǎo)致構(gòu)件自身變形大，裂縫不易控制，且抗震性能不如井字梁構(gòu)件。樓板支撐在剪力墻或柱子上時，相交位置處設(shè)置柱帽，柱帽通常分為2種，平板式柱帽和錐形柱帽，本項目采用平板式柱帽進行結(jié)構(gòu)計算分析，整體美觀、施工較為方便、底面平整。此結(jié)構(gòu)方案為設(shè)備管線提供了較大的布置空間，適用于層高受限，水文地質(zhì)條件嚴(yán)苛的情況。降低了地下室層高，減少開挖面，施工便捷，人工費用降低，工期得以保證，有著顯著的經(jīng)濟效益。

3.2 荷載的取值

結(jié)構(gòu)計算分析前，需要對每層梁、板進行準(zhǔn)確的荷載取值。地下室頂板考慮覆土厚度為0.9～1.5 m，地下室頂板（室內(nèi)及非消防車道）活載4 kN/m2，計算主梁地下室頂板（消防車道）活載16 kN/m2，計算板、次梁、地下室頂板（消防車道）活載30kN/m2，園林綠化無特殊大植被植物，按4.0kN/m2考慮，計算主、次梁和樓板時，考慮覆土和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012第5.1.2（3）條，對活載進行相應(yīng)折減。可變荷載根據(jù) 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012表5.1.1的要求，根據(jù)板跨大小不同，活荷載取值不同。不同覆土厚度下施工車輛等效均布荷載作用時的沖切力均大于不利布置作用時的沖切力，按此沖切力驗算板厚，可以保證板具有足夠的沖切承載力。gzslib202204031506

4、無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系受力特點分析及計算方法

4.1 結(jié)構(gòu)受力特點

目前我國常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，計算無梁樓蓋的方法有4中，有限單元法線、塑性極限分析方法、彈性分析法和考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法。其中，使用最為廣泛使用的是線彈性分析法中的經(jīng)驗系數(shù)法以及有限單元法。

對于支承在柱網(wǎng)上的柱帽， 簡易的理解可以認為梁的有效長度較低，受力形式可以簡化認為受到四個方向同時傳來的彎矩。模型假定簡化認為是一個長方形大開間，有四根柱子，四片梁和一塊板，當(dāng)四片梁突然抽離，只剩下一塊板和四根柱子受力，力的傳遞路徑由原來的板傳遞梁、梁傳遞柱改為板直接傳遞給柱子。因此，無梁平板的計算可以理解為像單向板那樣傳遞全部荷載。理論上可以理解為板柱結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

板柱結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下受力復(fù)雜，主要承受豎向荷載，抗震性能差。因此一般在上部結(jié)構(gòu)不太適用板柱結(jié)構(gòu)。地下室不受風(fēng)荷載和地震作用控制，因此無梁樓蓋結(jié)構(gòu)適用于地下室結(jié)構(gòu)。

4.2 YJK模型

根據(jù)工程建筑圖紙，本文采用平板式柱帽的無梁樓蓋結(jié)構(gòu)。截取一段中間跨為例：板厚250mm，柱距為7600mmX6400mm，柱帽尺寸2000mmX1600mm，柱帽高500mm。無梁樓蓋結(jié)構(gòu)與平時做地下室不同，柱與柱之間僅采用虛梁拉結(jié)，只是分割板帶和傳導(dǎo)荷載作用力。如圖2所示。

無梁樓蓋結(jié)構(gòu)通常采用彈性板3或彈性板6進行計算，這種計算方法考慮將樓板劃分成多個殼單元，與梁變形協(xié)調(diào)，共同承擔(dān)荷載。這樣建立模式，使得梁的中間節(jié)點與板的中間節(jié)點相互聯(lián)動，協(xié)調(diào)工作。對于和無梁樓蓋相連的墻或者柱，都需要驗算柱對板的沖切效應(yīng)。如圖3所示。計算值小于1滿驗算結(jié)果。

一般對無梁樓蓋按照柱上板帶和跨中板帶的方式配筋設(shè)計，和普通有梁樓蓋相比，柱上板帶的作用相當(dāng)于普通梁，只是它的梁寬要大得多、梁高和板厚度相同;跨中板帶的作用相當(dāng)于普通板，但是由于柱上板帶占據(jù)了房間很大的范圍，跨中板帶的范圍比普通板小得多。和普通有梁樓蓋相比，無梁樓蓋的配筋多了柱上板帶的配筋內(nèi)容。無梁樓蓋結(jié)構(gòu)柱帽處配筋比較大，如圖4、5所示。因此，一般在柱帽處需添附加鋼筋。

5、經(jīng)濟性對比

本文僅考慮無梁樓蓋與井字梁結(jié)構(gòu)體系下的鋼筋與混凝土用量比較。如表1所示。

從表一中可知，無梁樓蓋結(jié)構(gòu)混凝土用量較多，但總體經(jīng)濟性比井字梁結(jié)構(gòu)更好，并且無梁樓蓋結(jié)構(gòu)施工方便，模板用量較少。因其取消了梁的構(gòu)件，能夠降低層高或者增加凈高，減少地下室的開挖，降低基礎(chǔ)、側(cè)壁和支護結(jié)構(gòu)造價，且因為埋深減小導(dǎo)致水浮力減小，抗浮構(gòu)件也會相應(yīng)減少，抗浮成本降低，達到較好的經(jīng)濟效益。施工簡單，大大縮短工期，減少人工費用開支，并且視覺美觀。由于無梁樓蓋由大量的鋼筋、混凝土構(gòu)成，導(dǎo)自構(gòu)件自重較重，故對地下室抗浮有利。當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)較多（2層以上），可采用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)形式增加自重有效的抵抗水浮力以降低抗浮設(shè)計難度。

結(jié)語：

無梁樓蓋結(jié)構(gòu)正在慢慢被人們所接受，經(jīng)濟合理，方便施工。YJK軟件已慢慢普及，較pkpm中slabcad模塊計算無梁樓蓋結(jié)構(gòu)更加方便、簡潔。兩種計算結(jié)果與理論結(jié)果都相吻合。作為市場上通用的yjk軟件，通過有限元模擬無梁樓蓋結(jié)構(gòu)真實受力情況，工程師們可以更真實的建立受力模型，提供了一套系統(tǒng)的思維模式。

隨著社會的發(fā)展，科技的進步，結(jié)構(gòu)工程師們都在追求合理的含鋼量，盡可能的滿足經(jīng)濟效益。但是經(jīng)濟性指標(biāo)只能作為眾多結(jié)構(gòu)設(shè)計因素里面的其中之一，任何項目都需要具體問題具體分析，還需從水文地質(zhì)條件，材料供需環(huán)境，工期快慢，人文風(fēng)俗等綜合因素的影響。只有多方面考慮，才能確定最為合理的結(jié)構(gòu)方案。

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