不同柱跨下地下室顶板的楼盖选型研究

刘树之 俞昔非 肖启仁 李永德 陈 良

地下室柱网布置形式可分为大柱网、中柱网和小柱网。如何选择最佳的楼盖类型是设计人员关心的重要问题。许开成等[1]通过计算和分析地下车库常见的楼盖体系，得出了楼盖体系的层高、造价和材料用量等指标。田继平[2]结合武汉某高层地下室设计，比较和分析了大面积地下室中的梁柱体系和板柱体系，给出了面积规模较大的地下室建造的经济性和合理性建议。何锐等[3]对某多层厂房框架结构进行楼盖选型分析，得出了楼盖选型设计和思路。选定大、中、小3 种不同的柱网，采用控制变量法，即除楼盖形式外其他设计条件都相同，每种楼盖形式均按照符合规范的最低要求设计。选择多种楼盖形式，并比较材料用量、模板费用和施工便利性。

1 比选条件

地下室为1 层的地下室，其层高为3.9 m，将3 种柱网均在2 个方向各取5跨作为计算模型，设防烈度为6度，框架抗震等级为4 级，梁、板、柱的混凝土等级均为C35，钢筋规格均为HRB400[4]。地下室顶板覆土的常规厚度为1.2 ～1.8 m，本文的覆土厚度取1.5 m 计算，覆土容重取18 kN/m2，顶板活荷载为5 kN/m2。顶板分别考虑有消防车荷载和无消防车荷载，荷载按板跨和覆土厚度折减。基础采用独立柱基，因底板不考虑人防荷载，可采用300 mm 防水板，不考虑抗浮设计，以盈建科YJK5.3.1 作为计算软件。

2 楼盖选型

大柱网尺寸为8.1 m×7.8 m，柱跨间满足停放3 辆车的要求；中柱网尺寸为8.0 m×6.3 m / 5.3 m；小柱网尺寸为5.8 m×6.1 m / 5.0 m，柱跨间满足停放2 辆车的要求。根据规范要求，以结构安全和经济性为前提选用楼盖形式，包括单向双次梁（以下简称双次梁）、单向单次梁（以下简称单次梁）、井字梁、十字梁、无梁楼盖（板柱结构，非空心楼盖）、大板以及加腋大板。根据计算和设计，确定合理的梁板截面尺寸与配筋。

3 楼盖方案对比

工程量统计内容包括混凝土、模板和钢筋，价格均依据《湖南省建设工程计价办法》和《湖南省建设工程消耗量标准》来确定，混凝土单价为890 元/m3、模板单价为80 元/m3、钢筋7.5 元/kg，材料单价均包含人工费。

3.1 地下室顶板的工程量与造价统计对比

工程量与造价统计表的单位造价包含基础与底板的造价。大柱网采用单次梁方案与十字梁方案时配筋过大，不将其纳入对比。无消防车荷载时大柱网地下室顶板工程量与造价统计如表1 所示。表2 为有消防车荷载时，大柱网地下室顶板工程量与造价统计。

表1 无消防车荷载大柱网地下室顶板的工程量与造价统计

表2 有消防车荷载大柱网地下室顶板的工程量与造价统计

中柱网一般不采用井字梁楼盖和十字梁楼盖，故不将其纳入对比；当采用双次梁时富余量较大，也不将其纳入对比。无消防车荷载时，中柱网地下室顶板的工程量与造价统计，如表3 所示,由表可知有消防车荷载时，中柱网地下室顶板的工程量与造价统计，如表4 所示。小柱网，采用双次梁时富余量一般较大，不将其纳入对比。以大板方案替换加腋大板方案，十字梁方案替换井字梁方案，进行不同楼盖形式的工程量和造价对比。表5 为无消防车荷载时小柱网地下室顶板的工程量与造价统计。表6 为有消防车荷载时小柱网地下室顶板的工程量与造价统计。

表3 无消防车荷载中柱网地下室顶板的工程量与造价统计

表4 有消防车荷载中柱网地下室顶板的工程量与造价统计

表5 无消防车荷载小柱网地下室顶板的工程量与造价统计

3.2 楼盖形式对比分析

地下室顶板结构的特点:顶板荷载大及地下室的设备管道密集，对净高控制较为严格，梁高较大会压缩地下室净高。因此可从受力合理性、经济性、施工便利性以及快速建造等方面分析各类楼盖形式。

3.2.1 无梁楼盖最经济

无梁楼盖无须使用梁模板，其模板用量最少，施工简便、速度最快，层高相同的情况下地下室净高最高，管道铺设最方便，功能最优。无梁楼盖结构体系简单，传力途径直接，即荷载由板直接传递给柱，无须主梁过渡。即使按照规范要求在柱上板带中设置暗梁，暗梁上部钢筋面积为柱上板带钢筋面积的50%，下部钢筋面积为其上部钢筋的1/2，其配筋量也远小于框架梁的配筋量[5]，因此是5 种方案中用钢量最少的楼盖形式。

虽然无梁楼盖板厚较大，因减少主梁的混凝土量，所以混凝土用量在5 种方案中为中等水平。无梁楼盖与柱之间仅由节点连接，结构连续性较差，柱的四周剪力和弯矩过于集中，易发生冲切破坏，即脆性破坏。近年，无梁楼盖安全事故频发，我国对其施工质量和施工组织管理都出台了严格的要求。

3.2.2 双次梁方案混凝土用量最省

双次梁方案可有效减小板跨，板厚满足嵌固端要求（180 mm 即可），因此混凝土用量最省。楼板为单向板，楼板钢筋在满足最小配筋率的要求后，只需要在受力方向配置附加钢筋，另一方向则不需要设置附加钢筋。作为次梁支座的主梁，由于承担大部分荷载，其配筋较大。而另一方向的主梁受荷面积很小，故该方向的主梁配筋较小。该方案主梁传力路径相对较好，支模量较小，梁系布置有利于布置设备管线，混凝土和钢筋用量经济，施工速度快，但缺点是支撑次梁的主梁高度相对较高，对空间和层高有影响。

3.2.3 井字梁方案的次梁数量最多

井字梁方案的模板量最多，施工速度最慢。虽然此方案计算板跨最小，但板厚必须满足嵌固端的要求，无法充分发挥混凝土应有的强度，因此其混凝土用量略大于双次梁方案。楼板为双向受力，配筋满足最小配筋率的要求即可，无须设置附加钢筋。该方案传力模式简单清晰，但双向的主梁共同承担荷载，2 个方向主梁配筋均较大，次梁数量最多，用钢量最大。在有消防车荷载的情况下，相较双次梁方案，井字梁方案用钢量更大，主梁梁高略小，可增加地下室的净高。

3.2.4 大板与加腋大板的配筋较小

大板与加腋大板为相同类型，主梁不受集中力的影响，其受力更均匀，配筋也较小。由于加腋的存在，楼板跨度减小，板厚也相应减小，加腋大板方案的通长钢筋配筋量小于大板方案。因为加腋存在，加腋大板方案楼板负弯矩钢筋减少，同等截面下主梁配筋也较小。与大板方案相比，加腋大板模板用量相近，混凝土用量略大，但用钢量减少，且远比双次梁方案少。加腋大板主梁截面较小，有利于布置设备管线，使用方便。恒载起控制作用时，大柱网+双次梁或井字梁具有较好的经济性，因为次梁存在使荷载传力路径更合理。在活载起控制作用时，大板方案经济性更好，因为板跨增大导致活荷载减小，配筋更小。

4 对比分析结果

在地下室面积相同、基础和底板的造价基本一致的情况下，小柱网的顶板造价最低，经济性最好。对于大柱网来说，无梁楼盖的经济性、施工简便性和功能性表现优异，但受力合理性和安全性不够，不推荐使用。相反，井字梁方案在经济性、施工简便性和功能性上不占优势，但受力合理性和安全性均最佳；加腋大板方案在各方面表现均衡，其他结构形式各有优劣，但差异较小。对中柱网来说，无梁楼盖的受力合理性和安全性较差，其他方面表现优异；单次梁方案在经济性、施工简便性和功能性上表现较差；大板方案各项表现较均衡，井字梁方案不推荐使用。对小柱网来说，无梁楼盖在各表现较为优异，但不推荐在地下室顶板中使用；对无梁楼盖有限制的地区，大板方案可作为替代方案；单次梁方案经济性较好，但功能性较差；十字梁方案各方面较为均衡。

5 结语

地下室顶板结构选型的影响因素众多，没有哪种结构形式具有广泛的适用性，应根据具体情况选择合适的地库顶板结构。本文所列出的各种楼盖方案对比结果仅适用于特定条件和情况。