黄明波
【摘要】在常用的几种地下车库顶楼盖结构形式里,在满足安全合理的前提下,何种结构形式更为经济,成为地下车库楼盖结构选型的关键。本文应用PKPM计算软件对地下车库顶楼盖结构形式进行计算分析对比,并选取顶板覆土厚度、层高、跨度等主要影响因素进行经济性优选分析,便于日后实际工程设计选取适合的顶板楼盖结构形式。
【关键词】楼盖结构形式;十字梁;井式梁;大板主梁;经济性分析
中图分类号:TU318.2 文献标识码:A
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.063
1、引言
地下车库顶楼盖结构形式一般有大板、无梁楼盖、井式梁、十字梁、单向次梁、空心楼盖等。影响地下车库顶楼盖结构形式的因素主要有:埋深、层高、楼板厚度、柱网尺寸、顶板覆土厚度、施工荷载、消防车荷载、人防等级、吊挂荷载等。在常用的几种楼盖结构形式里,何种结构形式布局更合理,更经济,将成为地下车库楼盖结构选型的关键。根据大量工程统计数据,地下车库顶楼盖结构的材料用量最大,不论是混凝土还是钢筋用量都占到总用量50%左右甚至更多(举例见下表1)。
注:(1)以下各表的材料用量统计,均为直接材料用量或成本,均未含损耗、措施等费用。
(2)钢筋价格按3000元/t;混凝土价格按350元/m3。
2、主要分析内容
由于无梁楼盖结构安全冗余度和延性较低,且近年无梁楼盖地下车库工程事故频发,故本文仅选用了有梁楼盖进行分析。又主梁+单向次梁(下文简称:单向次梁)此布置形式会使得一个方向的主梁截面过大,通长用在两个跨度相差较大的车库。为此,本文仅选取主梁+十字次梁(下文简称:十字梁)、主梁+井字次梁(下文简称:井式梁)、主梁+大板(下文简称:大板主梁)等三种梁板结构形式进行分析。分析和比较几种楼盖在不同的跨度和不同的荷载下的经济性,为了满足车库的使用要求,选用的常用的柱距分别为7.8m×7.8m,8.1m×8.1m,8.4m×8.4m等三种跨度,附加荷载选用0.6m~2.0m覆土之间的形式,在经济性比较过程中,并考虑土方开挖的因素。
通过对几种楼盖的经济性进行比较,结合安全性考虑,尤其是有梁楼盖的比较,最后得出结论,在什么样的柱距、荷载下选用哪种楼盖是较为经济的,可以方便设计人员在设计地下车库楼盖之前作为参考,并进行定量化的概念设计,使得选取的楼盖形式合理经济且缩短设计周期。
3、工程概况
本文算例均按设计基准期为50年,设计使用年限为50年;抗震设防分类为丙类,基本抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g,设计地震分组为第一组[1],框架抗震等级为四级;计算模型中不考虑风荷载。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表5.1.1项次8和附录B进行消除车荷载考虑板跨、覆土厚度影响的折减[2]。构件混凝土强度等级为C40,钢筋等级为HRB400。
顶板最小厚度要求:《地下工程防水技术规范》第4.1.7条规定地下工程防水混凝土结构厚度不应小于250mm[3]。
顶板最小配筋率要求:《混凝土结构设计规范》第8.5.1条规定板类受弯构件的受拉钢筋,当采用强度等级400MPa的钢筋时,其最小配筋率百分率应允许采用0.15和45ft/fy中的较大值[4]。
由于时间和篇幅有限,本文仅选取顶板覆土厚度、层高、跨度等主要影响因素进行优选分析研究,也作为日后更多的方案优选的一个方法参考。
假定地下车库比选方案有以下的相同设计条件:位于邯郸市内,柱网8.1m×8.1m,10跨×10跨,层高均为3.9m(均需满足净高大于2.2m)。选取不同的顶板覆土厚度(0.6m、1.2m、1.8m)、不同的消防车荷载(根据结构板跨和覆土调整),顶板结构形式依次取十字梁、井式梁、大板主梁等三种结构形式,每种结构型式计算三套方案(构件截面不同),总共需计算3×3×2=18个模型[5]。
4、地下车库顶楼盖结构形式的优选分析
本算例计算采用了PKPM2010V4.3系列进行计算分析。
根据上文论述,对多种结构形式地下车库顶板结构进行模型设计。选取柱网尺寸,分别为7.8m×7.8m、8.1m×8.1m、8.4m×8.4m,均为10×10跨,四周设置地下外墙。
根据覆土厚度和板跨不同考虑消防车荷载确定荷载折减,仅布置在部分板跨中。
从每种结构型式的三种方案中选出最优的一种,绘制出墙柱梁板配筋图(不含基础),统计出钢筋量、混凝土量的单位面积材料用量,以此找出不同覆土厚度下最经濟的结构型式。统计结果见表2~5。
从统计结果表2可见,所有方案的混凝土用量相差不大,但用钢量相差较大。单位面积材料用量十字梁最小,井式梁次之,大板主梁最大。可见覆土厚度在2m以内,十字梁布置最为合理。当覆土厚度较小时(<1.0m),大板主梁的经济性更突出。
选取表2中方案2十字梁,进行更进一步的分析研究,即:选取不同的顶板覆土厚度(0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m),统计结果见表3。由此可见,每减小0.10m覆土厚度,可以减少钢筋约2kg/m2(混凝土用量均相同)。覆土厚度直接影响结构设计结果,而地下车库顶板的覆土厚度一般根据三点确定。首先,地下室顶板覆土厚度应结合景观方案精细化设计,不同种植区域覆土厚度应不同。也可采用树池或堆土来种植,目的是尽量减少覆土荷载优化成本。其次,如采用覆土种植,建议覆土厚度为:种植大树处覆土局部1200mm高,普通乔木处800mm,草坪一般300~400mm高。第三,方案阶段,给排水专业应给出排水方案,根据水管布置长度及上方有无行车情况确定所需覆土厚度,进行局部调整。因此有必要在方案阶段或者初设阶段,建筑和规划专业、景观专业对覆土厚度做比较精细的确定,有利于控制成本。
仍选取表2中方案2十字梁,在满足净高要求2.2m的前提下,选取不同的层高(3.6~4.2m)作为影响因素,统计结果见表4。可见,增加层高单位面积材料用量增加不大,但可增加净高和车库使用的舒适度,当然也会增加一定的模板量和土方量等。
最后选取表2中方案2十字梁,在满足每跨停放车辆为3辆的前提下,选取不同的跨度(7.8m、8.1m、8.4m)作为影响因素,统计结果见表5。可见,每增加跨度0.1m,单位面积混凝土用量基本不变,但钢筋用量增加约0.82kg/m2,但可增加车库使用的舒适度,当然也会增加一定的模板量和土方量等。
5、结语和展望
本文重点讨论了影响地下车库顶板结构形式的主要因素:层高、柱网、地下室顶板覆土、消防车荷载等。设计人员应该在方案确定时深刻推敲各因素,以降低项目的整体成本,提高项目效益。根据以上的计算对比结果,总结如下:
(1)所有方案的混凝土用量相差不大,但用钢量相差较大。单位面积材料用量十字梁最小,井式梁次之,大板主梁最大。可见覆土厚度在2m以内,十字梁布置最为合理。当覆土厚度较小(<1.0m)或跨度较小(<6.0m)时,大板主梁的經济性更突出;
(2)每减小0.10m覆土厚度,可以减少钢筋约2kg/m2(混凝土用量均相同);
(3)增加层高单位面积材料用量增加不大,但可增加净高和车库使用的舒适度,当然也会增加一定的模板量和土方量等;
(4)每增加跨度0.1m,单位面积混凝土用量基本不变,但钢筋用量增加约0.82kg/m2,但可增加车库使用的舒适度,当然也会增加一定的模板量和土方量等。
本文仅选取顶板覆土厚度、层高、跨度等主要影响因素进行优选分析研究,后续研究还可以从以下几方面进行:第一、可以根据不同的层数、混合柱网、施工荷载、人防等进行更进一步比选;第二、还可对普通无梁楼盖及现浇空心无梁楼盖作更多研究;第三、增加更多的比选结果,如土方开挖、基础、模板、净空等;第四、将上述各影响因素以列表或者图表的形式直观表达,方便设计选取;第五、其他专业如水专业、景观专业、道路等综合管线的影响。
参考文献:
[1]建筑抗震设计规范(2016年版):GB50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[2]建筑结构荷载规范:GB50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3]地下工程防水技术规范:GB50108-2008[S].北京:中国计划出版社,2008.
[4]混凝土结构设计规范(2015年版):GB 50010-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[5]许爱国.地下车库顶板在不同楼盖结构形式下的经济性对比分析[J].四川建筑,2017.06,第37卷3期,245-249.