多層工業(yè)廠房樓蓋結(jié)構(gòu)的選型與經(jīng)濟(jì)分析

俞昔非

(中國(guó)建筑第五工程局有限公司,長(zhǎng)沙 410000)

樓蓋結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)的水平承重構(gòu)件,連接結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件,起著支撐豎向荷載、協(xié)調(diào)水平荷載、保持建筑結(jié)構(gòu)整體性的作用[1-2]。工程設(shè)計(jì)中,需對(duì)比不同類型的樓蓋體系,分析其受力形式,選擇經(jīng)濟(jì)性好的樓蓋布置方案。

本研究結(jié)合多層工業(yè)廠房受力特點(diǎn),對(duì)框架類廠房結(jié)構(gòu)常見的樓蓋方案,即十字梁、井字梁、單向雙次梁、密肋樓蓋、空心樓蓋、單向雙次梁鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析,以期為工業(yè)廠房設(shè)計(jì)及方案選取提供依據(jù)。

擬建廠房方案比選采用YJK5.3.0版本進(jìn)行計(jì)算,比選過程中的假定條件如下:擬建廠房位于華中地區(qū),抗震設(shè)防烈度為6°(0.05 g),場(chǎng)地類別為Ⅱ類,抗震等級(jí)四級(jí);混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30級(jí),鋼結(jié)構(gòu)Q355B;廠房建筑層數(shù)為3層,無地下室,首層層高5.2 m,其余層高4.2 m,板厚100～140 mm,僅對(duì)二、三層結(jié)構(gòu)梁、板、柱、模板造價(jià)進(jìn)行分析對(duì)比;板面恒載取值1.6 kN/m2,活載取8 kN/m2或12 kN/m2,不考慮板上線荷載。

1 樓蓋選型

根據(jù)常規(guī)廠房要求,柱網(wǎng)尺寸擬采用10 m×10 m、10 m×12 m、12 m×12 m 三種,以結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)性適宜為前提,對(duì)十字梁樓蓋、井字梁樓蓋、單項(xiàng)雙次梁樓蓋、密肋樓蓋、空心樓蓋、單項(xiàng)雙次梁鋼結(jié)構(gòu)樓蓋等方案進(jìn)行對(duì)比分析。6種樓蓋結(jié)構(gòu)平面圖如圖1、圖2、圖3。

圖1 樓蓋結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1 Floor structure plan

圖2 密肋樓蓋、空心樓蓋平面圖Fig.2 Floor plan of dense ribbed and hollow floor

圖3 鋼結(jié)構(gòu)樓蓋平面圖Fig.3 Steel structure floor plan

1.1 十字梁方案

十字梁與井字梁方案均采用雙向板,兩個(gè)方向梁高通常為等高,適用于較為規(guī)則的柱網(wǎng)。其中十字梁方案板跨大,需采用較大板厚,板配筋相對(duì)較大,故在柱跨較大(≥8.4 m)或荷載較大時(shí)不宜采用,理論上十字梁方案次梁互為支座,但實(shí)際工程中因荷載、跨度、施工等原因而出現(xiàn)主次梁的情況較少采用。

1.2 井字梁方案

井字梁可用于更大的柱跨,承擔(dān)更重的荷載。其板厚較小,框架梁受力更為合理,可采用較小梁高。但次梁數(shù)量多,模板工程量大,鋼筋綁扎時(shí)需注意先后順序,否則可能影響井字梁的理論受力,故一般用于規(guī)則的大柱跨(≥12 m)或覆土較厚的地下室頂板。

1.3 單向雙次梁方案

單向板板跨較小,結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單合理,模板工程量小,安裝簡(jiǎn)單,總體工程造價(jià)低,是最常用的樓板布置方案。該方案兩個(gè)方向梁高一般不同,采用橫向承重體系,使兩個(gè)方向的剛度比接近,利于設(shè)備管線的穿行,減少梁上開洞。

1.4 密肋樓蓋

空腹密肋樓蓋的肋梁計(jì)算模型為T型截面,底部無板或采用預(yù)制飾面板,有底板時(shí)配置的鋼筋需滿足施工受力要求,面層混凝土板厚度不宜小于50 mm,構(gòu)造配筋,肋間板配置單層雙向鋼筋網(wǎng)片,一般為5Φ6@150雙向通長(zhǎng),屋面為100 mm,設(shè)雙層雙向鋼筋網(wǎng)片。

1.5 空心樓蓋

現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋的肋梁計(jì)算模型為工字型截面。標(biāo)準(zhǔn)箱體尺寸為500×500×h、600×600×h,h=150～600 mm,混凝土板厚50～100 mm。板頂板底均單層雙向通長(zhǎng)布置再附加鋼筋?？招陌宓陌迮浣畈捎镁冀畹男问?肋梁采用構(gòu)造拉筋,芯模頂部附加抗浮筋。

軟件計(jì)算中,密肋樓蓋和空心樓蓋模型框架梁及暗梁按普通梁計(jì)算,現(xiàn)澆空心板按樓板有限元方式計(jì)算,空心樓蓋自動(dòng)計(jì)算現(xiàn)澆空心板的自重,在恒載中考慮芯模的自重0.6 kN/m2。樓板按彈性板設(shè)置,使梁與彈性板變形協(xié)調(diào),若主梁為暗梁,彈性板與梁協(xié)調(diào)時(shí)要考慮梁向下相對(duì)偏移。兩種計(jì)算方法均只考慮恒活荷載,未考慮風(fēng)荷載與地震作用的影響。若選擇有限元導(dǎo)荷,主梁配筋將較小,因此考慮梁端剛域及梁與彈性板變形協(xié)調(diào)。密肋樓蓋的建模中,如周邊不夠一個(gè)肋梁間距,應(yīng)使排塊盡量居中對(duì)稱,主梁兩側(cè)可有一定的實(shí)心板區(qū)域。

1.6 鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算要點(diǎn)

在鋼結(jié)構(gòu)組合梁模型中,鋼構(gòu)件凈毛截面比取0.95,次梁按組合梁設(shè)計(jì),鋼結(jié)構(gòu)樓板采用鋼筋桁架樓承板?？拐饤l件下,框架梁腹板高厚比、翼緣寬厚比、箱型柱寬厚比按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011四級(jí)抗震控制。非抗震條件下,梁翼緣寬厚比按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》S1級(jí)控制。梁腹板高厚比按S2級(jí)控制。

2 造價(jià)分析對(duì)比

工業(yè)廠房方案比選采用YJK 5.3.0版本進(jìn)行計(jì)算,三維模型如圖4。未統(tǒng)計(jì)鋼筋桁架樓承板工程量,按綜合造價(jià)增加120元/m2計(jì)算;材料價(jià)格為華中地區(qū)最新平均價(jià)格,其中鋼筋按3.7～4.3元/kg,混凝土單價(jià)按525元/m3,模板單價(jià)分為柱111.27元/m2、梁板123.13元/m2,鋼結(jié)構(gòu)鋼材按5元/kg。每平米造價(jià)為綜合單價(jià),鋼筋混凝土包含人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、輔材費(fèi)及華中地區(qū)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等,鋼材包含鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝、運(yùn)輸費(fèi)用,含防腐與防火耗費(fèi)。6種樓蓋類型造價(jià)對(duì)比如表1。

表1 樓蓋造價(jià)對(duì)比Tab.1 Comparison of floor cost

2.1 十字梁、井字梁、單向雙次梁混凝土樓蓋對(duì)比

混凝土十字梁、井字梁、單向雙次梁對(duì)比主要參考10 m×10 m柱網(wǎng)。通過造價(jià)分析可知,3種方案的混凝土用量為十字梁方案大于等于井字梁方案,井字梁樓蓋大于等于單向次梁樓蓋,總量相差較小,約為3%～8%。每平米總造價(jià)十字梁樓蓋與井字梁樓蓋方案相近,且大于單向次梁樓蓋方案,最大差價(jià)約為54元/m2,約為5%～7%。

2.2 密肋樓蓋與空心樓蓋對(duì)比

密肋樓蓋相比普通樓蓋的單價(jià),10 m×10 m柱距時(shí)增加27.4%～36.3%,12 m×12 m柱距時(shí)增加20.4%。主要影響在于模板費(fèi)用,如采用普通模板,模板費(fèi)用與粉刷費(fèi)用相對(duì)較高。還有采用免支模免抹灰模板與可拆卸模殼,前者價(jià)格較貴,與木模板相當(dāng),但可免支模及抹灰。后者總模板費(fèi)用大概為110元/m2,相比普通樓蓋單價(jià)增加4%～15%。空心體系與普通梁板體系相比,10 m×10 m柱距時(shí)增加8.4%～16%,12 m×12 m柱距時(shí)增加18%。空心樓蓋中,抗浮鋼筋和肋梁拉筋需3.95 kg/m2。該造價(jià)尚未考慮芯模價(jià)格,且空心樓蓋芯模價(jià)格差異較大,每平米單價(jià)在100～250元,對(duì)造價(jià)影響較大。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土樓蓋對(duì)比

鋼結(jié)構(gòu)樓板與普通梁板體系相比,每平米總造價(jià)增加35.4%～41.9%(包括模板費(fèi)用、現(xiàn)場(chǎng)鋼筋費(fèi)、混凝土費(fèi)用、支撐費(fèi)用)。從建筑的有效使用面積增加、基礎(chǔ)費(fèi)用低、施工速度快、受氣候影響小、品質(zhì)及精確度高、對(duì)周圍環(huán)境影響小、建筑可持續(xù)發(fā)展等方面來分析,鋼結(jié)構(gòu)具有很好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。但在多層廠房結(jié)構(gòu)中,考慮到材料費(fèi)用較高,防腐、防火處理費(fèi)用高,造價(jià)無明顯優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

混凝土十字梁、井字梁、單向雙次梁方案,混凝土用量為十字梁≥井字梁方案≥單向次梁方案,總量相差較小,相差百分比約為3%～8%;總造價(jià)十字梁≈井字梁方案>單向次梁方案,最大差價(jià)約為54元/m2,相差5%～7%。密肋樓蓋相比普通樓蓋,不同柱距時(shí)單價(jià)增加20.4%～36.3%,其中模板費(fèi)用對(duì)造價(jià)影響大?？招臉巧w體系與普通梁板體系相比,不同柱距時(shí)單價(jià)增加8.4%～18%,其中芯模價(jià)格差異對(duì)造價(jià)影響較大。密肋樓蓋與空心樓蓋在工程造價(jià)與施工便利性上均無明顯優(yōu)勢(shì),因此對(duì)于廠房上部結(jié)構(gòu)來說并非最佳選擇。鋼結(jié)構(gòu)樓板與普通梁板體系相比,每平米總造價(jià)增加35.4%～41.9%。鋼結(jié)構(gòu)材料造價(jià)較鋼筋混凝土高,防腐、防火處理費(fèi)用較高,因此在多層廠房結(jié)構(gòu)中無造價(jià)優(yōu)勢(shì)。由此可知,對(duì)于柱跨10～12 m、活載8～12 kN/m2的多層工業(yè)廠房,采用單向雙次梁樓蓋方案最為經(jīng)濟(jì)合理。