上海某高層住宅地下室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

蔣 坤

(上海閔瀾房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,上海 200237)

隨著我國近年來房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,全國各地興建了大量高層住宅,相應(yīng)的工程造價也不斷提高[1]。在國家建設(shè)“資源節(jié)約型社會”的政策倡議下,各建設(shè)方均愈發(fā)重視住宅項目的成本優(yōu)化。高層住宅通常伴隨大底盤地下室,而建筑物地下部分的工程造價約占整個項目的35%[2];同時根據(jù)規(guī)范中相應(yīng)條文,地下室構(gòu)件相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施要求低于主樓[3],因此如何將地下室設(shè)計得安全且經(jīng)濟,通常會成為工程項目節(jié)省成本的重點。

本文以上海某高層住宅項目近8.6萬m2的大底盤地下室作為工程實例,對地下室底板厚度、頂板及中層板的布置形式進行優(yōu)化比選,可為類似項目提供設(shè)計參考。

1 工程概況

本工程位于上海市楊浦區(qū),東至蘭州路,西至P-07地塊,南至昆明路,北至P-06A地塊邊界,規(guī)劃用地面積為69 399.6 m2,總建筑面積約282 089 m2,其中地上總建筑面積196 089 m2,地下建筑面積86 000 m2。本工程由地上16棟12層—20層高層住宅樓、配套用房和局部地下2層大底盤地下室組成;建筑抗震設(shè)防分類為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度為0.10g,設(shè)計地震分組為第二組,建筑場地類別為Ⅳ類,場地特征周期為0.9 s。其中12層—20層住宅樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系,配套用房及地下室采用框架結(jié)構(gòu)。

2 底板優(yōu)化設(shè)計

2.1 底板設(shè)計參數(shù)

本工程地下室為滿鋪一層,局部兩層,其中地下1層底板面相對標(biāo)高為-5.65 m,地下2層底板面相對標(biāo)高為-9.25 m,抗浮水位取為室外地面以下0.5 m,其余相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 頂板經(jīng)濟比選相關(guān)參數(shù)表

2.2 底板厚度經(jīng)濟性比選

首先對一層地下室的底板厚度進行比選：基礎(chǔ)形式采用抗拔樁+筏板+下柱墩,基礎(chǔ)平面布置簡圖見圖1,其中常工況下柱墩高度(含底板)統(tǒng)一取為800 mm,典型下柱墩平面尺寸取為3 100 mm×3 100 mm/2 800 mm×2 800 mm,柱墩側(cè)邊放坡角度為90°。

單層地下室底板按350 mm和400 mm兩種厚度進行比選。在試算過程中發(fā)現(xiàn),350 mm厚底板在按最小配筋率配置貫通鋼筋后,仍需附加較大的鋼筋才能滿足抗彎計算要求。故考慮配筋方便,350 mm厚底板方案進一步拆分為：

1)X向按最大彎矩值貫通配筋(板底貫通筋為14/16@160 mm,板頂貫通筋為16/18@160 mm),Y向仍按規(guī)范[4]中最小配筋率貫通(板頂、板底均為12@200 mm)+附加筋形式;2)X,Y向均按最大彎矩值貫通配筋(板底貫通筋為14/16@200 mm雙向,板頂貫通筋為16/18@200 mm雙向),400 mm厚底板按貫通筋+附加筋形式配筋,其中X向板底貫通筋為14@180 mm,板頂貫通筋為14/16@180 mm,Y向貫通筋板頂、板底均為12@180 mm。

三種配筋方案下的經(jīng)濟性對比結(jié)果如表2所示。

由經(jīng)濟對比分析算量結(jié)果可知,常荷載工況下,350 mm厚單向貫通配筋方案造價最為節(jié)省,但由于本項目實際柱跨縱橫交錯,實施圖紙中繪制配筋一般按雙向貫通配筋方案,此時400 mm厚底板配筋方案經(jīng)濟性反而優(yōu)于350 mm厚底板雙向貫通配筋方案,同時結(jié)合上海當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)工程經(jīng)驗,單層地庫常工況下選擇400 mm厚底板造價最節(jié)省。

表2 (常工況)單層地下室基礎(chǔ)底板算量結(jié)果

按照以往項目經(jīng)驗,兩層地下室底板厚度通常取450 mm或500 mm,故對上述兩種底板厚度進行比選以確定最優(yōu)厚度。常工況下柱墩高度(含底板)統(tǒng)一取為800 mm,典型下柱墩平面尺寸取為2 800 mm×2 800 mm/3 100 mm×3 100 mm,450 mm厚底板板底貫通筋為12@160 mm雙向,板頂貫通筋為X向16/18@160 mm,Y向12@160 mm;500 mm厚底板板底貫通筋為12@150 mm雙向,板頂貫通筋為X向16@150 mm,Y向12@150 mm。仍取典型柱跨,兩種板厚方案下的經(jīng)濟性對比結(jié)果見表3,從計算結(jié)果可得出,當(dāng)?shù)装搴穸葹?50 mm時經(jīng)濟性更優(yōu)。

表3 (常工況)兩層地下室基礎(chǔ)底板算量結(jié)果

核6級人防工況下兩層地下室底板厚度比選與常工況類似,區(qū)別在于需額外考慮人防荷載25 kN/m2,故人防區(qū)域的貫通筋配筋率需按0.25%控制,則與此配筋率對應(yīng)的450 mm厚底板貫通筋為14/16@150 mm雙層雙向,500 mm厚底板貫通筋為16@150 mm雙層雙向。在人防工況下,450 mm厚和500 mm厚的底板經(jīng)濟性對比結(jié)果見表4,同樣是450 mm厚底板造價更節(jié)省。

表4 (人防工況)兩層地下室基礎(chǔ)底板算量結(jié)果

綜合上述比選結(jié)果,本項目單層地下室底板厚度選為400 mm,雙層地下室底板厚度選為450 mm最為經(jīng)濟。

3 地下室頂板優(yōu)化設(shè)計

3.1 頂板設(shè)計參數(shù)

典型柱跨尺寸與底板統(tǒng)一,取為8 100 mm×(5 200+6 600+5 200)mm,覆土厚度為1.5 m,地下室頂板混凝土強度等級取C35,考慮覆土厚度的頂板恒載為27.5 kN/m2,活載為5 kN/m2。

3.2 頂板方案經(jīng)濟性比選

擬采用以下三種方案(如圖2所示)進行常工況下經(jīng)濟性比選。

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸為350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸為300 mm×600 mm/700 mm,頂板厚度取為250 mm。

方案二：單次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均為300 mm×700 mm,Y向主梁尺寸為400 mm×800 mm,頂板厚度取為250 mm。

方案三：十字梁,X向主梁截面尺寸為350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸為350 mm×700 mm/800 mm,兩個方向的次梁截面尺寸均為250 mm×600 mm,頂板厚度取為250 mm。

上述三種頂板方案在典型柱跨下的經(jīng)濟性對比分析詳見表5,由表5中結(jié)果可知：方案一(框梁大板)造價最節(jié)省。

表5 (常工況)地下室頂板算量結(jié)果

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸為450 mm×800 mm,Y向主梁尺寸為300 mm×800 mm,頂板厚度取為250 mm/300 mm(其中300 mm板厚用于6.6 m跨)。

方案二：單次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均為450 mm×750 mm,Y向主梁尺寸為500 mm×800 mm,頂板厚度取為250 mm。

方案三：十字梁,兩個方向的主梁截面尺寸均為450 mm×800 mm,兩個方向的次梁截面尺寸均為300 mm×750 mm,頂板厚度取為250 mm。

上述三種頂板布置方案在消防工況下的經(jīng)濟性對比分析詳見表6,由表6中結(jié)果可知：方案一(框梁大板)造價最節(jié)省。

表6 (消防工況)地下室頂板算量結(jié)果

由上述比選結(jié)果可知,無論是常工況還是消防工況,均為框梁大板方案經(jīng)濟性最優(yōu),故本項目頂板布置方案統(tǒng)一選擇框梁+大板。

4 地下室中層板優(yōu)化設(shè)計

4.1 中層板設(shè)計參數(shù)

典型柱跨尺寸仍取為8 100 mm×(5 200+6 600+5 200)mm,中層板梁、板混凝土強度等級取為C35,鋼筋強度等級取為HRB400,常工況下頂板附加恒載為2 kN/m2,活載為4 kN/m2,其余相關(guān)設(shè)計參數(shù)均同表1。

4.2 中層板方案經(jīng)濟性比選

常工況下對以下三種中層板方案進行經(jīng)濟性對比：

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸為250 mm×600 mm,Y向主梁尺寸為250 mm×500 mm,板厚取為150 mm/180 mm(180 mm板厚用于6.6 m跨)。

方案二：單次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均為250 mm×550 mm,Y向主梁尺寸為250 mm×600 mm,板厚取為120 mm。

方案三：十字梁,X向主梁截面尺寸為250 mm×600 mm,Y向主梁尺寸為250 mm×550 mm,兩個方向的次梁截面尺寸均為250 mm×500 mm,頂板厚度取為120 mm。

上述三種地庫中層板方案在典型柱跨下的經(jīng)濟性對比分析詳見表7,由表7中結(jié)果可知：方案二(單次梁)造價最節(jié)省。

表7 (常工況)地下室中層板算量結(jié)果

與常工況相比,核6級人防工況下中層板設(shè)計需另考慮人防荷載55 kN/m2。消防荷載工況下同樣采用三種頂板布置方案進行比選：

方案一：框梁大板,X向主梁截面尺寸為350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸為300 mm×600 mm/700 mm(其中700 mm梁高用于6.6 m跨),板厚取為200 mm。

方案二：單次梁,X向主梁及次梁截面尺寸均為300 mm×750 mm,Y向主梁尺寸為400 mm×800 mm,板厚取為200 mm。

方案三：十字梁,X向主梁截面尺寸為350 mm×800 mm,Y向主梁尺寸為300 mm×800 mm,兩個方向的次梁截面尺寸均為250 mm×750 mm,板厚取為200 mm。

上述三種中層板方案在核6級人防工況下的經(jīng)濟性對比分析詳見表8,由表8中結(jié)果可知：方案一(框梁大板)造價最節(jié)省。

表8 (人防工況)地下室中層板算量結(jié)果

5 配筋控制原則

1)地下室頂板計算時,在消防車荷載作用下,梁配筋計算的荷載應(yīng)按照荷載規(guī)范要求折減(雙向樓蓋折減系數(shù)取0.8),否則需分兩個模型分別計算梁、板配筋。

2)地下室頂板框架梁梁寬等于350 mm時,當(dāng)采用四肢箍時,跨中采用兩根主筋+架立鋼筋的配筋形式,地下室頂板次梁跨中采用架立筋的配筋形式,梁寬為350 mm時,在滿足計算要求的前提下宜采用三肢箍。

3)地下室頂板有消防車荷載作用的區(qū)域,常規(guī)做法為頂板梁截面按照消防車荷載作用下承載能力極限狀態(tài)(強度)及正常使用極限狀態(tài)(裂縫)進行包絡(luò)設(shè)計配筋。但根據(jù)以往工程經(jīng)驗,地下室頂板有消防車荷載作用的區(qū)域,頂板梁截面的配筋通常由承載能力極限狀態(tài)控制,如采取包絡(luò)配筋,則實際配筋按包絡(luò)值即可,無需再放大配筋。

4)地下室頂板在人防荷載作用下,按照《人民防空地下室設(shè)計規(guī)范》第4.9及4.10節(jié)相關(guān)規(guī)定,頂板梁可僅按照承載能力極限狀態(tài)(強度)進行截面配筋設(shè)計,配筋量不需放大。

5)地下室頂板矩形混凝土梁按考慮樓板翼緣的T形梁配筋,地下室頂板梁的通長鋼筋宜采用小直徑鋼筋貫通,如采用直徑18 mm,20 mm,22 mm等,梁底第二排鋼筋按照國標(biāo)圖集做法——截斷不伸入支座。

6)地下室底板配筋按雙層雙向,按最小配筋率要求貫通后,計算值不滿足時再附加鋼筋,底板底筋伸入基礎(chǔ)內(nèi)滿足錨固或搭接長度即可。

7)對地下車庫擋土墻,可采用單向板計算,對主樓下的擋土墻,符合條件的采用雙向板計算。

8)外墻外側(cè)豎向鋼筋采用通長鋼筋+附加鋼筋,附加鋼筋長度為1/3層高,且內(nèi)外側(cè)配筋分別按各自的計算結(jié)果進行配筋,外墻裂縫計算按常水位工況的0.3 mm裂縫限值控制(迎水面無需按0.2 mm,詳《全國民用建筑工程技術(shù)措施結(jié)構(gòu)》(混凝土結(jié)構(gòu))2.6.5條),水平筋按單側(cè)0.15%構(gòu)造配筋;外墻頂部和底部不需設(shè)置暗梁。

9)常工況下,單層地下室基礎(chǔ)底板厚度不宜大于400 mm,柱帽厚度按沖切控制要求,不宜加大高度。柱帽尺寸不宜大于柱網(wǎng)尺寸的1/3,基礎(chǔ)底板貫通鋼筋和柱帽鋼筋的最小配筋率統(tǒng)一按0.15%控制(防水板貫通筋優(yōu)先按臥置于地基土上的底板考慮,貫通筋配筋率按0.15%)。

10)人防底板內(nèi)力如為人防工況控制,則底板貫通筋按0.25%配筋率(混凝土強度等級不大于C35),如為平時工況控制,則按0.15%配筋率。

11)基礎(chǔ)底板形式為筏板加柱帽或獨立基礎(chǔ)加防水板時,基礎(chǔ)底板不應(yīng)設(shè)置暗梁。

12)人防臨空墻的配筋建議采用分離式配筋,即通長豎筋加支座附加短筋的方式,不得將支座處的計算鋼筋沿全高布置。

6 結(jié)論與展望

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是在滿足規(guī)范要求及保證結(jié)構(gòu)承載能力安全的前提下合理地節(jié)省工程造價,并非盲目地減少工程成本。

2)經(jīng)過經(jīng)濟性對比分析,結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗,本工程單層地下室底板厚度定為400 mm,兩層地下室底板厚度定為450 mm,地下室頂板選擇框梁大板方案,對于地下室中層板,人防區(qū)域選擇框梁大板方案,非人防區(qū)域選擇單次梁方案。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化貫穿整個設(shè)計過程,除本文涉及的頂、底板方案比選及配筋控制原則外,還包括模型參數(shù)、荷載輸入及構(gòu)造措施等;故在工程設(shè)計中需要不斷的深化對結(jié)構(gòu)設(shè)計的理解,采取多種合理技術(shù)手段以實現(xiàn)優(yōu)化的目的[5]。