多层工业厂房楼盖结构的选型与经济分析

俞昔非

(中国建筑第五工程局有限公司,长沙 410000)

楼盖结构是建筑结构的水平承重构件,连接结构各个构件,起着支撑竖向荷载、协调水平荷载、保持建筑结构整体性的作用[1-2]。工程设计中,需对比不同类型的楼盖体系,分析其受力形式,选择经济性好的楼盖布置方案。

本研究结合多层工业厂房受力特点,对框架类厂房结构常见的楼盖方案,即十字梁、井字梁、单向双次梁、密肋楼盖、空心楼盖、单向双次梁钢结构楼盖的结构计算模型进行经济指标对比分析,以期为工业厂房设计及方案选取提供依据。

拟建厂房方案比选采用YJK5.3.0版本进行计算,比选过程中的假定条件如下:拟建厂房位于华中地区,抗震设防烈度为6°(0.05 g),场地类别为Ⅱ类,抗震等级四级;混凝土强度等级采用C30级,钢结构Q355B;厂房建筑层数为3层,无地下室,首层层高5.2 m,其余层高4.2 m,板厚100～140 mm,仅对二、三层结构梁、板、柱、模板造价进行分析对比;板面恒载取值1.6 kN/m2,活载取8 kN/m2或12 kN/m2,不考虑板上线荷载。

1 楼盖选型

根据常规厂房要求,柱网尺寸拟采用10 m×10 m、10 m×12 m、12 m×12 m 三种,以结构安全、经济性适宜为前提,对十字梁楼盖、井字梁楼盖、单项双次梁楼盖、密肋楼盖、空心楼盖、单项双次梁钢结构楼盖等方案进行对比分析。6种楼盖结构平面图如图1、图2、图3。

图1 楼盖结构平面图Fig.1 Floor structure plan

图2 密肋楼盖、空心楼盖平面图Fig.2 Floor plan of dense ribbed and hollow floor

图3 钢结构楼盖平面图Fig.3 Steel structure floor plan

1.1 十字梁方案

十字梁与井字梁方案均采用双向板,两个方向梁高通常为等高,适用于较为规则的柱网。其中十字梁方案板跨大,需采用较大板厚,板配筋相对较大,故在柱跨较大(≥8.4 m)或荷载较大时不宜采用,理论上十字梁方案次梁互为支座,但实际工程中因荷载、跨度、施工等原因而出现主次梁的情况较少采用。

1.2 井字梁方案

井字梁可用于更大的柱跨,承担更重的荷载。其板厚较小,框架梁受力更为合理,可采用较小梁高。但次梁数量多,模板工程量大,钢筋绑扎时需注意先后顺序,否则可能影响井字梁的理论受力,故一般用于规则的大柱跨(≥12 m)或覆土较厚的地下室顶板。

1.3 单向双次梁方案

单向板板跨较小,结构受力简单合理,模板工程量小,安装简单,总体工程造价低,是最常用的楼板布置方案。该方案两个方向梁高一般不同,采用横向承重体系,使两个方向的刚度比接近,利于设备管线的穿行,减少梁上开洞。

1.4 密肋楼盖

空腹密肋楼盖的肋梁计算模型为T型截面,底部无板或采用预制饰面板,有底板时配置的钢筋需满足施工受力要求,面层混凝土板厚度不宜小于50 mm,构造配筋,肋间板配置单层双向钢筋网片,一般为5Φ6@150双向通长,屋面为100 mm,设双层双向钢筋网片。

1.5 空心楼盖

现浇混凝土空心楼盖的肋梁计算模型为工字型截面。标准箱体尺寸为500×500×h、600×600×h,h=150～600 mm,混凝土板厚50～100 mm。板顶板底均单层双向通长布置再附加钢筋。空心板的板配筋采用均布筋的形式,肋梁采用构造拉筋,芯模顶部附加抗浮筋。

软件计算中,密肋楼盖和空心楼盖模型框架梁及暗梁按普通梁计算,现浇空心板按楼板有限元方式计算,空心楼盖自动计算现浇空心板的自重,在恒载中考虑芯模的自重0.6 kN/m2。楼板按弹性板设置,使梁与弹性板变形协调,若主梁为暗梁,弹性板与梁协调时要考虑梁向下相对偏移。两种计算方法均只考虑恒活荷载,未考虑风荷载与地震作用的影响。若选择有限元导荷,主梁配筋将较小,因此考虑梁端刚域及梁与弹性板变形协调。密肋楼盖的建模中,如周边不够一个肋梁间距,应使排块尽量居中对称,主梁两侧可有一定的实心板区域。

1.6 钢结构计算要点

在钢结构组合梁模型中,钢构件净毛截面比取0.95,次梁按组合梁设计,钢结构楼板采用钢筋桁架楼承板。抗震条件下,框架梁腹板高厚比、翼缘宽厚比、箱型柱宽厚比按《建筑抗震设计规范》GB50011四级抗震控制。非抗震条件下,梁翼缘宽厚比按《钢结构设计标准》S1级控制。梁腹板高厚比按S2级控制。

2 造价分析对比

工业厂房方案比选采用YJK 5.3.0版本进行计算,三维模型如图4。未统计钢筋桁架楼承板工程量,按综合造价增加120元/m2计算;材料价格为华中地区最新平均价格,其中钢筋按3.7～4.3元/kg,混凝土单价按525元/m3,模板单价分为柱111.27元/m2、梁板123.13元/m2,钢结构钢材按5元/kg。每平米造价为综合单价,钢筋混凝土包含人工费、机械费、辅材费及华中地区取费标准等,钢材包含钢结构制作、安装、运输费用,含防腐与防火耗费。6种楼盖类型造价对比如表1。

表1 楼盖造价对比Tab.1 Comparison of floor cost

2.1 十字梁、井字梁、单向双次梁混凝土楼盖对比

混凝土十字梁、井字梁、单向双次梁对比主要参考10 m×10 m柱网。通过造价分析可知,3种方案的混凝土用量为十字梁方案大于等于井字梁方案,井字梁楼盖大于等于单向次梁楼盖,总量相差较小,约为3%～8%。每平米总造价十字梁楼盖与井字梁楼盖方案相近,且大于单向次梁楼盖方案,最大差价约为54元/m2,约为5%～7%。

2.2 密肋楼盖与空心楼盖对比

密肋楼盖相比普通楼盖的单价,10 m×10 m柱距时增加27.4%～36.3%,12 m×12 m柱距时增加20.4%。主要影响在于模板费用,如采用普通模板,模板费用与粉刷费用相对较高。还有采用免支模免抹灰模板与可拆卸模壳,前者价格较贵,与木模板相当,但可免支模及抹灰。后者总模板费用大概为110元/m2,相比普通楼盖单价增加4%～15%。空心体系与普通梁板体系相比,10 m×10 m柱距时增加8.4%～16%,12 m×12 m柱距时增加18%。空心楼盖中,抗浮钢筋和肋梁拉筋需3.95 kg/m2。该造价尚未考虑芯模价格,且空心楼盖芯模价格差异较大,每平米单价在100～250元,对造价影响较大。

2.3 钢结构与混凝土楼盖对比

钢结构楼板与普通梁板体系相比,每平米总造价增加35.4%～41.9%(包括模板费用、现场钢筋费、混凝土费用、支撑费用)。从建筑的有效使用面积增加、基础费用低、施工速度快、受气候影响小、品质及精确度高、对周围环境影响小、建筑可持续发展等方面来分析,钢结构具有很好的综合经济效益。但在多层厂房结构中,考虑到材料费用较高,防腐、防火处理费用高,造价无明显优势。

3 结论

混凝土十字梁、井字梁、单向双次梁方案,混凝土用量为十字梁≥井字梁方案≥单向次梁方案,总量相差较小,相差百分比约为3%～8%;总造价十字梁≈井字梁方案>单向次梁方案,最大差价约为54元/m2,相差5%～7%。密肋楼盖相比普通楼盖,不同柱距时单价增加20.4%～36.3%,其中模板费用对造价影响大。空心楼盖体系与普通梁板体系相比,不同柱距时单价增加8.4%～18%,其中芯模价格差异对造价影响较大。密肋楼盖与空心楼盖在工程造价与施工便利性上均无明显优势,因此对于厂房上部结构来说并非最佳选择。钢结构楼板与普通梁板体系相比,每平米总造价增加35.4%～41.9%。钢结构材料造价较钢筋混凝土高,防腐、防火处理费用较高,因此在多层厂房结构中无造价优势。由此可知,对于柱跨10～12 m、活载8～12 kN/m2的多层工业厂房,采用单向双次梁楼盖方案最为经济合理。