建筑住宅小區(qū)地下車庫(kù)頂板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

部海洋，高東亮，李海雷

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，沈陽(yáng) 110016）

1 引言

很多國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域?qū)W者都對(duì)地下車庫(kù)的樓蓋支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性評(píng)價(jià)，確定了不同工況下車庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式，也有很多學(xué)者對(duì)地下車庫(kù)的柱網(wǎng)調(diào)整或樓蓋支撐結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了分析，認(rèn)為相比于普通樓蓋，預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋在支撐方面更有優(yōu)勢(shì)，但很多學(xué)者的研究中未考慮到地下空間高度的限制問(wèn)題，增加層高就意味著加大土方挖掘量，很容易對(duì)工程的結(jié)構(gòu)及后期經(jīng)濟(jì)性造成影響，因此，應(yīng)加入對(duì)層高的限制，從多方面對(duì)地下車庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行考量。

2 建筑住宅小區(qū)地下車庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

建筑住宅小區(qū)地下車庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可通過(guò)理論基礎(chǔ)、性能指標(biāo)、支撐結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考量，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使地下車庫(kù)的功能設(shè)計(jì)更為合理，造型更為新穎，符合群眾的要求，確保社會(huì)資源得到充分運(yùn)用。

首先，地下車庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)可滿足建筑節(jié)能需求。當(dāng)前我國(guó)很多地下車庫(kù)的建造過(guò)程中的資源耗費(fèi)往往是發(fā)達(dá)國(guó)家能耗的2～3倍，大多是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中梁板、樓層結(jié)構(gòu)等并未考慮到后續(xù)居住需求，存在重疊設(shè)計(jì)，對(duì)后續(xù)的照明設(shè)計(jì)及通風(fēng)設(shè)計(jì)等造成了影響，或是由于結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中輪廓用滿了退線，難以繼續(xù)擴(kuò)大面積，即使做到負(fù)3層依然與設(shè)計(jì)目標(biāo)相差很多車位，難以滿足規(guī)劃要求，造成了較多的無(wú)效成本，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

另外，地下車庫(kù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以有效提升工程的經(jīng)濟(jì)性，例如，地庫(kù)中車輛的停車方式、邊角、單獨(dú)車位寬度、車道寬度等設(shè)計(jì)普遍應(yīng)立足于車庫(kù)整體結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，可以有效改善各方面設(shè)計(jì)。同時(shí)結(jié)構(gòu)方面的選材也會(huì)受到結(jié)構(gòu)類型的影響，因此，應(yīng)通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足當(dāng)前社會(huì)的各項(xiàng)需求[1]。

3 地下車庫(kù)常用的頂板結(jié)構(gòu)形式及分析

根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》，地下車庫(kù)樓板保護(hù)層厚度應(yīng)大于30 mm，如果保護(hù)層過(guò)厚則需要增加鋼筋網(wǎng)避免開(kāi)裂，為了減小梁板跨度，地下車庫(kù)在頂板設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置次梁，其中，單向板肋梁蓋設(shè)計(jì)中，次梁會(huì)將主梁圍成單向板（見(jiàn)圖1），或通過(guò)次梁將主梁圍成的板分成多個(gè)小雙向板，如十字梁結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），而不同的梁板也有屬于自己的適用條件，具體應(yīng)根據(jù)板跨長(zhǎng)寬比、柱距、荷載等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 單向板肋梁蓋結(jié)構(gòu)

圖2 十字梁樓蓋結(jié)構(gòu)

例如，在一個(gè)柱距為8 m×8 m的地下車庫(kù)中采用十字梁板的建筑方式，其內(nèi)部的梁板被分割成4塊4 m×4 m的小板，其厚度與跨度的比例為1∶16，可提高梁板材料的利用率，但由于十字梁板中的次梁會(huì)搭在主梁上，從而增加主梁的彎矩以及整體荷載，主梁的內(nèi)部支撐力在地層荷載的作用下很容易發(fā)生形變，因此，反而會(huì)增加板的厚度，起到足夠的支撐作用，這也會(huì)增加項(xiàng)目的施工成本，對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性造成不利影響，而單向板肋梁蓋設(shè)計(jì)中會(huì)受到與十字梁板同樣的影響，例如，同樣是8 m×8 m的車庫(kù)通過(guò)次梁將主梁板進(jìn)行分割，不僅會(huì)增加主梁荷載，影響其經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)加大地下車庫(kù)的深埋情況，為此應(yīng)考慮一種創(chuàng)新形式結(jié)構(gòu)，緩解這種問(wèn)題。

4 地下車庫(kù)頂板結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新形式

傳統(tǒng)地下車庫(kù)建設(shè)中普遍會(huì)用到單向板肋梁蓋結(jié)構(gòu)與十字梁結(jié)構(gòu)等梁式結(jié)構(gòu)，通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，這種梁式結(jié)構(gòu)普遍會(huì)對(duì)施工的經(jīng)濟(jì)性及車庫(kù)內(nèi)部荷載等方面造成影響，因此，應(yīng)針對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以在主梁中安裝一種芯模結(jié)構(gòu)，讓頂板的中軸部位呈現(xiàn)出一種空腔結(jié)構(gòu)，形成一種空心的無(wú)梁樓蓋體系，相對(duì)于傳統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)，這種空心樓蓋結(jié)構(gòu)不僅自重輕，其芯模結(jié)構(gòu)更是運(yùn)用了鋼筋混凝土材料，提升了結(jié)構(gòu)的支撐力，且由于不用再分設(shè)更多的次梁，也在一定程度上降低了施工成本[2]。

這種空心樓蓋結(jié)構(gòu)可使用較大剛度的梁作為樓板，對(duì)樓蓋提供剛性支撐，或以剛度較小的梁作為樓蓋的柔性支撐樓蓋，使柱體為樓板提供足夠的支撐力，從而替代原本的剛性梁與柔性梁的柱支撐結(jié)構(gòu)，在車庫(kù)樓板厚度有限制，且抗沖切計(jì)算難以滿足要求時(shí)，可增設(shè)托板結(jié)構(gòu)，提高柱節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度，滿足荷載承重，這種空心樓蓋結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能方面更為合理，可較好地提升樓板的整體性能。

由于空心樓蓋中由芯模取代樓板中軸部位原本的混凝土結(jié)構(gòu)，將矩形截面變成工字形支撐面，減少了工程材料用量以及樓蓋的自重，同時(shí)還可以提升截面的承載能力，并且通過(guò)在柱頂端與軸線兩側(cè)設(shè)置暗梁，將整體荷載更為有力的向蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳導(dǎo)，有效提升了地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5 地下車庫(kù)創(chuàng)新頂板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在地下車庫(kù)空心樓蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)中，首先，應(yīng)充分分析空心樓蓋的荷載受力情況。當(dāng)前很多空心樓蓋設(shè)計(jì)中，都會(huì)采用筒芯內(nèi)膜，即使樓板適合雙向板尺寸也依舊設(shè)計(jì)為單向板。由于筒芯方向的受力也是不可以被忽略的，再加上雙向板設(shè)計(jì)中對(duì)于填充體的布置有要求，空心樓板在設(shè)計(jì)中應(yīng)確保對(duì)稱性，這就需要空心樓板設(shè)計(jì)中，要通過(guò)擬梁法、擬板法、框架法等對(duì)平衡條件及形變情況進(jìn)行計(jì)算，例如，在空心樓板周邊屬于剛性支撐時(shí)，可采用擬梁法，而柱支撐與柔性支撐是則應(yīng)采用框架法。

JGJ/T 268—2012《現(xiàn)澆筑空心樓板技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，空心樓板類間距應(yīng)小于板厚的2倍，因此，空心樓板雙向剛度差較小時(shí)，可按照各方向的同性板計(jì)算，板的彈性模量E可通過(guò)式（1）計(jì)算：

式中，I為單元截面的慣性矩，m4；Ia為空心板截面慣性矩，m4；Ec為混凝土的彈性模量，Pa。

所得到的彈性模量E可用于等厚度的實(shí)心板，并可通過(guò)計(jì)算彈性木梁到梁跨版中的最大彎矩得出各個(gè)支撐座體的彎矩。而對(duì)于各向異性板的空心樓板設(shè)計(jì)，應(yīng)計(jì)算交叉方向的彈性模量以及剪應(yīng)力情況等，例如，通過(guò)擬梁法對(duì)空心樓蓋計(jì)算時(shí)，應(yīng)在相鄰區(qū)域之間每一塊連續(xù)板的各個(gè)方向中，設(shè)置6根以上的擬梁，假設(shè)每根擬梁的抗彎剛度相同，則擬梁的空心樓板寬度可通過(guò)式（2）計(jì)算：

式中，ba為擬梁的空心樓板寬度，mm；bc為擬梁本身的寬度，mm；Ia為擬梁的空心樓板的內(nèi)截面慣性距離，mm。

而框架法則可運(yùn)用到空心樓板的內(nèi)部支撐力的計(jì)算中，將立體的樓板結(jié)構(gòu)按照樓板交叉方向進(jìn)行簡(jiǎn)化，特別是在平面框架體系中，只有橫向與豎向兩個(gè)方向的支撐力，此時(shí)可忽略墻體荷載的立體分布情況，且可按照剛度無(wú)限的情況進(jìn)行考慮，雖然與實(shí)際荷載情況存在差異，但由于受到柔性支撐作用，仍具有一定的參考價(jià)值。首先，在豎向荷載中，框架梁的寬度可取與樓板垂直的相鄰跨板的距離，按照任意一個(gè)截面的慣性矩Ib：

式中，Ia1為柱軸線截面的慣性矩，m4；Is為除了柱軸截面的外樓板截面的慣性矩，m4。

對(duì)于柱中線的截面慣性矩，可按照式（4）計(jì)算：

式中，c2為垂直與梁跨板方向的柱寬度，m；I1為截面慣性矩，m4；I2為計(jì)算方向及與之垂直方向柱支座中心線間距離，m。

而當(dāng)前施工中，空心樓板的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮不同受力方向的支撐情況，其中，肋間距一般為700～1 200 mm，肋的寬度應(yīng)為柱體高度的1/7～1/3，受力鋼筋與柱體的凈間距應(yīng)超過(guò)10 mm，且為了保持穩(wěn)定，在底部承受彎矩時(shí)，鋼筋應(yīng)全部伸入基座，并在伸入一定長(zhǎng)度后進(jìn)行截?cái)?，其伸入長(zhǎng)度應(yīng)滿足GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）的要求。

鄭州市某住宅小區(qū)于2014年建設(shè)了地下停車場(chǎng)的施工項(xiàng)目，設(shè)計(jì)人員分別設(shè)計(jì)了0.5 m、0.9 m、1.5 m厚的施工樓板，在加入土方挖掘施工成本后，將各項(xiàng)施工方式的成本造價(jià)進(jìn)行了標(biāo)注（見(jiàn)表1）。

表1 鄭州小區(qū)停車場(chǎng)樓板施工造價(jià)

從施工造價(jià)方面來(lái)看，傳統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)地下車庫(kù)無(wú)論是單向板肋梁蓋結(jié)構(gòu)還是十字梁結(jié)構(gòu)，在造價(jià)方面普遍高于空心樓蓋結(jié)構(gòu)的造價(jià)，因此，運(yùn)用空心樓蓋結(jié)構(gòu)對(duì)地下車庫(kù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化可起到降低造價(jià)的效果[3]。

從支撐結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，傳統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)本身自重較大，在承載方面需要通過(guò)增加樓板支撐厚度起到保證一定的穩(wěn)定性，而空心樓蓋結(jié)構(gòu)僅需要較小的自重便可以發(fā)揮比原本的梁式結(jié)構(gòu)更為有效的支撐力，因此，空心樓蓋可以應(yīng)用于建筑住宅小區(qū)的地下車庫(kù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程中，起到比原本設(shè)計(jì)更好的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在建筑住宅小區(qū)車庫(kù)設(shè)計(jì)中，新式的空心樓蓋結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性方面比傳統(tǒng)的梁式結(jié)構(gòu)擁有更大的優(yōu)勢(shì)，因此，合理運(yùn)用空心樓蓋結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格分析其支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，并做好精確的計(jì)算，通過(guò)合理運(yùn)用空心樓蓋結(jié)構(gòu)提供比傳統(tǒng)的方式更為有效的支撐，滿足設(shè)計(jì)需求，有效優(yōu)化地下車庫(kù)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。