地下室無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洪朝德

[摘要]本文主要闡述了地下建筑采用無(wú)梁樓蓋的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹無(wú)梁樓蓋的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出一些設(shè)計(jì)中的建議。

[關(guān)鍵詞]無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法；有限元

文章編號(hào)：2095-4085（2016104-0031-02

無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)是近年來(lái)建筑設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于地上結(jié)構(gòu)，由于無(wú)梁樓蓋（板柱結(jié)構(gòu)）抗震性能較差，其適用性有一定局限性。對(duì)于地下建筑，其抗震要求較低，又由于無(wú)梁樓蓋施工簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)效益高，在地下建筑中得到普遍應(yīng)用。

1.無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

1.1造價(jià)相對(duì)較低

地下室車庫(kù)柱網(wǎng)一般情況下較為規(guī)整，采用無(wú)梁樓蓋的結(jié)構(gòu)造價(jià)比梁板結(jié)構(gòu)略低。

現(xiàn)以某工程為例，取最典型的8m×8 m柱網(wǎng)，首層1.5m覆土，首層活荷按8.0kN/m²計(jì)算，對(duì)其地下室頂板四種結(jié)構(gòu)方案比較如表1：

由表1可知：無(wú)梁樓蓋方案在三種方案中造價(jià)略低。相對(duì)前兩種方案，考慮無(wú)梁樓蓋表面積較小，柔性外防水、施工模板造價(jià)相對(duì)較低，其綜合造價(jià)優(yōu)勢(shì)明顯。

1.2一定情況下可減少地下室層高

采用無(wú)梁樓蓋時(shí)，由于結(jié)構(gòu)板厚小于梁板式的梁高，在管線能避開(kāi)柱帽的前提下，可獲得較大的地下室凈空高度，或凈空相同時(shí)可降低地下室層高。降低地下室層高可減少土方開(kāi)挖和地下水位，減少部分造價(jià)。

1.3施工便利

相對(duì)于梁板式結(jié)構(gòu)，無(wú)梁樓蓋表面平整、表面積較小，柔性外防水施工及模板施工時(shí)簡(jiǎn)便快捷，管道鋪設(shè)方便。

綜上所述，在地下建筑中采用無(wú)梁樓蓋可獲得較好的綜合效益。但不適用于有較多樓板開(kāi)洞、柱網(wǎng)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

2.無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法是運(yùn)用彎矩分配系數(shù)，算出板的總彎矩再乘以彎矩分配系數(shù)得出各控制截面的彎矩值，要想充分發(fā)揮此種設(shè)計(jì)方法的作用，設(shè)計(jì)人員需要遵循著相應(yīng)的條件：首先，要保證無(wú)梁樓板結(jié)構(gòu)每個(gè)方向都應(yīng)該達(dá)到或超過(guò)三個(gè)連續(xù)跨；其次，無(wú)論是哪一個(gè)長(zhǎng)跨或短跨之間的比值都應(yīng)該在1.5之內(nèi)；再次，若方向相同，最大與最小跨度之間的比值要控制在1.2之內(nèi)，同時(shí)保證兩端跨度不能超過(guò)內(nèi)跨。

2.2等代框架法

相比經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，采用等代框架法的優(yōu)點(diǎn)為不受各跨跨度的限制，可考慮到大小跨對(duì)內(nèi)力的影響，并對(duì)任何位置可只抽出單跨來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算。此種設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單的說(shuō)就是設(shè)計(jì)人員將整個(gè)結(jié)構(gòu)依照縱向柱子分為縱向等代框架，而后按照橫向柱分為橫向等代框架。

無(wú)梁樓蓋中柱上板帶與跨中板帶的計(jì)算特點(diǎn)如下：

（1）柱上板帶的分布范圍為柱邊各L/4（L為柱跨）；跨中板帶的分布范圍為柱跨中間L/2；

（2）對(duì)于支座截面負(fù)彎矩，柱上板帶的彎矩分配比例為0.75，跨中板帶的彎矩分配比例為0.25；對(duì)于跨中截面正彎矩，柱上板帶的彎矩分配比例為0.55，跨中板帶的彎矩分配比例為0.45；

2.3有限元計(jì)算法

有限元法是根據(jù)無(wú)梁樓蓋的柱上板帶、跨中板帶及柱帽尺寸，將無(wú)梁樓蓋劃分成若干細(xì)小單元，用板殼單元有限元程序進(jìn)行求解。設(shè)計(jì)人員需借助有限元法進(jìn)行計(jì)算分析，比較常用的軟件有PKPM/SAP2000等。在此筆者以PKPM軟件為例，對(duì)如何運(yùn)用有限元計(jì)算方法進(jìn)行分析。第一，建模之前需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)運(yùn)用PMCAD進(jìn)行人機(jī)交互，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息輸入其中，柱與柱之間要設(shè)計(jì)矩形截面虛梁，但是如果是邊界位置或者是開(kāi)洞位置則應(yīng)該設(shè)計(jì)實(shí)梁最佳，預(yù)先最好這些工作，能夠在軟件處理時(shí)可以非常方便的將所有的邊界信息都讀出來(lái)；第二，設(shè)計(jì)人員需要借助該軟件中的SATWE來(lái)完成整體結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)，因?yàn)镾AT-WE能夠?qū)χ袠前鍙椥宰冃芜M(jìn)行計(jì)算分析，所以效果比較好；第三，在三維計(jì)算分析后，還需用SATWE程序中附帶的厚板分析程序SLabCAD對(duì)無(wú)梁樓蓋進(jìn)行進(jìn)一步的分析，SLabCAD可以處理均布面荷載和均布線荷載作用下的樓板內(nèi)力計(jì)算和配筋。

3.無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）等效框架法相對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法適用范圍廣、準(zhǔn)確性高，相對(duì)有限元計(jì)算簡(jiǎn)便，可編制EXCEL表格進(jìn)行手工計(jì)算，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)用被普遍應(yīng)用。當(dāng)采用等效框架法計(jì)算得出彎矩后，對(duì)柱上板帶各截面進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，并按強(qiáng)度計(jì)算得到的配筋進(jìn)行裂縫驗(yàn)算，其中迎水面裂縫限值為0.2mm（保護(hù)層厚度為50mm，計(jì)算時(shí)可取保護(hù)層30mm，但需保證計(jì)算有效高度與實(shí)際相符），背水面裂縫限值為0.3mm。一般情況下，非人防地下室底板的迎水面的鋼筋均由裂縫控制；

（2）支座計(jì)算配筋較大，可采用另加鋼筋的方法，另加鋼筋伸出柱帽長(zhǎng)度不小于柱帽間凈跨的1/4，當(dāng)另加筋直徑較大（如并筋）時(shí)，伸出長(zhǎng)度不宜小于柱帽間凈跨的1/3；

（3）根據(jù)等代框架計(jì)算公式可知，跨中板帶支座配筋為柱上板帶支座配筋的1/3。當(dāng)支座配筋的另加筋超過(guò)拉通筋2倍以上時(shí)，需計(jì)算跨中板帶支座鋼筋的另加筋；

（4）柱帽的高度由抗沖切計(jì)算確定，同時(shí)需滿足與板厚之比的三次方之比大于5，以作為無(wú)梁樓蓋計(jì)算跨度的支座（此時(shí)無(wú)梁樓蓋計(jì)算跨度）。對(duì)于邊支座，由于邊支座為簡(jiǎn)支，理論上可以發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，故對(duì)于邊跨柱帽（平面內(nèi)多樁承臺(tái)除外），無(wú)梁樓蓋計(jì)算跨度應(yīng)算至墻柱邊；

（5）對(duì)于不規(guī)則的柱網(wǎng)，尤其是多邊線、銳角三角形的柱網(wǎng)，建議采用梁板式結(jié)構(gòu)，或局部位置加梁使其不要出現(xiàn)銳角多邊形。對(duì)于多邊形的柱網(wǎng)或平面有較多較大開(kāi)洞的無(wú)梁樓蓋，建議采用有限元算法分析其內(nèi)力，按計(jì)算結(jié)果配筋并加強(qiáng)洞口四周的配筋。

4.結(jié)語(yǔ)

無(wú)梁樓蓋建筑結(jié)構(gòu)體系與其他建筑結(jié)構(gòu)體系相比具有非常多的優(yōu)勢(shì)，比如建筑空間比較大，能夠在一定程度上增加層高，施工支撐也非常簡(jiǎn)單，鋼筋綁扎工作也不復(fù)雜，使用的安裝設(shè)備也非常方便，施工速度也比較快，但是此種建筑結(jié)構(gòu)類型受力復(fù)雜需要設(shè)計(jì)人員精心進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)抗震性能也比較差，需要設(shè)計(jì)人員在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上提升無(wú)梁樓蓋的抗震性能，這樣才能夠保證整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理。