无梁楼盖结构设计分析

文／吴欣珂 南昌铁路勘测设计院有限责任公司 江西南昌 330000

1、前言

随着城市化建设的迅速发展，大多数城市都已经高楼林立，使得土地资源越来越紧缺，为了能够更加有效的使用土地资源，专家们建议开发城市的地下空间。地下建筑的出现不仅可以有效的利用地下空间，还可以利用其地上空间建造公园、写字楼、住宅、休闲广场等建筑，既提高了土地利用率，又节省了土地资源。因此出现了越来越多的地下车库、地下商城等地下建筑。这种不需要占用土地使用面积并且能满足人们的使用要求和审美观念的地下建筑结构渐渐的被大众群体所接受。

对建筑工程师们来说，建筑空间的大小，使用功能的要求，节能、环保的需求，规划限定建筑物允许高度及，这些是他们所在意的。而恒活荷载的大小、各层使用的最小净高，结构受力的分析，柱网的布置，含钢量的大小则是结构工程师们所关心的。在建筑物高度或者层高受到限制时，采用无梁楼盖结构可以有效增加使用空间，同时也能灵活划分不同的功能性房间。因此，无梁楼盖结构广泛应用于大型地下室、多层地下室、大底盘等建筑中。对于整个项目的经济性影响，地下室结构工程造价较地面以上结构工程造价大。合理结构形式的选择，是当下结构设计师们必须考虑的事，结构形式的不同，会直接影响工程总体造价，对控制经济成本有着显著的效果。不同的工程环境，选择合适的结构形式，会带来明显的经济效益和社会效益。

本篇论文使用的软件名为盈建科（YJK），以实际项目为例，分析混凝土用量、钢筋用量和模板用量3个方面。对采用不同种结构设计方案的地下室楼盖进行对比分析，得出相应结论。

2、工程概况

本工程为一层地下室，平面尺寸为128mx77.6m，地下室范围内上部有两栋11层和15层的高层建筑及一栋4层的多层建筑。依据地勘报告，本工程地下室抗浮水位绝对标高为31.50米，地下室底板底绝对标高为29.30米，抗浮水位计算高度为2.20米。顶板覆土厚度为0.9～1.5m，地下室梁、板、柱混凝土强度等级为C35，场地类别为II类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第1组，设计基本地震加速度值为0.05g，抗震等级为四级，丙类建筑，钢筋采用HRB400级螺纹钢筋，地下室顶板作为结构嵌固端。

3、计算方法的选取、荷载的取值

3.1 计算方法的选取

在本工程中，地下室面积约为10000m2，柱跨多为均等分布置，考虑边跨存在应力集中，计算可能存在相对误差，因此选取中间跨作为研究对象。采用结构设计软件（盈建科V2020-3.0版本）建立结构计算模型。

本文采用2种结构形式方案进行分析、对比。（1）方案1为井字梁，荷载双向传导，楼盖刚度较大，跨中梁截面高度较小，可以形成较大的使用空间，但梁间距太密。由于地下室会有风管、水管等管线穿越，且为了降低造价，通长地下室不会采用吊顶，导致室内空间的视觉观感不好，且施工难度大，支模时间长，导致人工费过高，工期较长。（2）方案2为无梁楼盖，因未设置梁构件，传力路径不如井字梁传力明确，基本靠大板受力，加上板自身混凝土、钢筋、抹灰等自重，导致构件自身变形大，裂缝不易控制，且抗震性能不如井字梁构件。楼板支撑在剪力墙或柱子上时，相交位置处设置柱帽，柱帽通常分为2种，平板式柱帽和锥形柱帽，本项目采用平板式柱帽进行结构计算分析，整体美观、施工较为方便、底面平整。此结构方案为设备管线提供了较大的布置空间，适用于层高受限，水文地质条件严苛的情况。降低了地下室层高，减少开挖面，施工便捷，人工费用降低，工期得以保证，有着显著的经济效益。

3.2 荷载的取值

结构计算分析前，需要对每层梁、板进行准确的荷载取值。地下室顶板考虑覆土厚度为0.9～1.5 m，地下室顶板（室内及非消防车道）活载4 kN/m2，计算主梁地下室顶板（消防车道）活载16 kN/m2，计算板、次梁、地下室顶板（消防车道）活载30kN/m2，园林绿化无特殊大植被植物，按4.0kN/m2考虑，计算主、次梁和楼板时，考虑覆土和《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第5.1.2（3）条，对活载进行相应折减。可变荷载根据 《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表5.1.1的要求，根据板跨大小不同，活荷载取值不同。不同覆土厚度下施工车辆等效均布荷载作用时的冲切力均大于不利布置作用时的冲切力，按此冲切力验算板厚，可以保证板具有足够的冲切承载力。

4、无梁楼盖结构体系受力特点分析及计算方法

4.1 结构受力特点

目前我国常用的结构设计软件，计算无梁楼盖的方法有4中，有限单元法线、塑性极限分析方法、弹性分析法和考虑塑性内力重分布的分析方法。其中，使用最为广泛使用的是线弹性分析法中的经验系数法以及有限单元法。

对于支承在柱网上的柱帽, 简易的理解可以认为梁的有效长度较低，受力形式可以简化认为受到四个方向同时传来的弯矩。模型假定简化认为是一个长方形大开间，有四根柱子，四片梁和一块板，当四片梁突然抽离，只剩下一块板和四根柱子受力，力的传递路径由原来的板传递梁、梁传递柱改为板直接传递给柱子。因此，无梁平板的计算可以理解为像单向板那样传递全部荷载。理论上可以理解为板柱结构。如图1所示。

图1 无梁楼板受力图

板柱结构在风荷载和地震作用下受力复杂，主要承受竖向荷载，抗震性能差。因此一般在上部结构不太适用板柱结构。地下室不受风荷载和地震作用控制，因此无梁楼盖结构适用于地下室结构。

4.2 YJK模型

根据工程建筑图纸，本文采用平板式柱帽的无梁楼盖结构。截取一段中间跨为例：板厚250mm，柱距为7600mmX6400mm，柱帽尺寸2000mmX1600mm，柱帽高500mm。无梁楼盖结构与平时做地下室不同，柱与柱之间仅采用虚梁拉结，只是分割板带和传导荷载作用力。如图2所示。

图2 中间跨无梁楼盖局部模型

无梁楼盖结构通常采用弹性板3或弹性板6进行计算，这种计算方法考虑将楼板划分成多个壳单元，与梁变形协调，共同承担荷载。这样建立模式，使得梁的中间节点与板的中间节点相互联动，协调工作。对于和无梁楼盖相连的墙或者柱，都需要验算柱对板的冲切效应。如图3所示。计算值小于1满验算结果。

图3 柱冲切图

一般对无梁楼盖按照柱上板带和跨中板带的方式配筋设计，和普通有梁楼盖相比，柱上板带的作用相当于普通梁，只是它的梁宽要大得多、梁高和板厚度相同；跨中板带的作用相当于普通板，但是由于柱上板带占据了房间很大的范围，跨中板带的范围比普通板小得多。和普通有梁楼盖相比，无梁楼盖的配筋多了柱上板带的配筋内容。无梁楼盖结构柱帽处配筋比较大，如图4、5所示。因此，一般在柱帽处需添附加钢筋。

图4 无梁楼盖结构板配筋

图5 无梁楼盖结构板应力分布图

5、经济性对比

本文仅考虑无梁楼盖与井字梁结构体系下的钢筋与混凝土用量比较。如表1所示。

表1

从表1中可知，无梁楼盖结构混凝土用量较多，但总体经济性比井字梁结构更好，并且无梁楼盖结构施工方便，模板用量较少。因其取消了梁的构件，能够降低层高或者增加净高，减少地下室的开挖，降低基础、侧壁和支护结构造价，且因为埋深减小导致水浮力减小，抗浮构件也会相应减少，抗浮成本降低，达到较好的经济效益。施工简单，大大缩短工期，减少人工费用开支，并且视觉美观。由于无梁楼盖由大量的钢筋、混凝土构成，导自构件自重较重，故对地下室抗浮有利。当地下室层数较多（2层以上），可采用无梁楼盖结构形式增加自重有效的抵抗水浮力以降低抗浮设计难度。

结语：

无梁楼盖结构正在慢慢被人们所接受，经济合理，方便施工。YJK软件已慢慢普及，较pkpm中slabcad模块计算无梁楼盖结构更加方便、简洁。两种计算结果与理论结果都相吻合。作为市场上通用的yjk软件，通过有限元模拟无梁楼盖结构真实受力情况，工程师们可以更真实的建立受力模型，提供了一套系统的思维模式。

随着社会的发展，科技的进步，结构工程师们都在追求合理的含钢量，尽可能的满足经济效益。但是经济性指标只能作为众多结构设计因素里面的其中之一，任何项目都需要具体问题具体分析，还需从水文地质条件，材料供需环境，工期快慢，人文风俗等综合因素的影响。只有多方面考虑，才能确定最为合理的结构方案。