趙耀宗

摘 要：文章通過某高層建筑地下室工程實(shí)例，著重介紹了地下室頂板采用加腋大板體系的一般分析理論、有限元分析方法及施工圖設(shè)計(jì)流程，闡述了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)踐證明該體系在項(xiàng)目中具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可供相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：地下室頂板；加腋大板體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU375.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）14-0021-01

1 工程概況

某高層建筑項(xiàng)目，總建筑面積34.98 m2，其中單層地下室面積約7.8萬(wàn) m2，純地下室面積約5.8萬(wàn) m2。地下室采用框架結(jié)構(gòu)，主要柱網(wǎng)尺寸為8.1 m×8.1 m，頂板主要覆土厚度1.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)以頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。常規(guī)的頂板樓蓋體系有：根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍內(nèi)應(yīng)采用梁板結(jié)構(gòu)。本工程頂板覆土厚度較大，且甲方對(duì)含鋼量有要求，故設(shè)計(jì)時(shí)采用變截面加腋大板體系，板支承在框架主梁上，不設(shè)次梁。

2 加腋大板體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 加腋大板體系分析原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)及混凝土結(jié)構(gòu)分析理論，對(duì)8.1 m跨的雙向板在均布荷載作用下，其板支座只在跨中1/3范圍內(nèi)有較大彎矩分布，其余位置都較小，而實(shí)際施工圖設(shè)計(jì)中都是整跨按最大彎矩配置支座鋼筋，導(dǎo)致板支座兩端鋼筋沒有被充分利用，同時(shí)板支座彎矩相對(duì)跨中彎矩較大。若能增大支座受力截面減小支座彎矩，同時(shí)又不增加跨中板厚以減小自重，便能有效的減小結(jié)構(gòu)用鋼量。加腋大板體系即能滿足以上要求，通過對(duì)等截面（等體積）厚板與加腋板的計(jì)算對(duì)比可知，在板各側(cè)取凈跨約1/5范圍內(nèi)做加腋既能有效減小支座彎矩又不會(huì)明顯增加自重和混凝土用量。同時(shí)，有限元分析結(jié)果表明在此范圍內(nèi)板底受壓，故板底筋可在此處斷開，該范圍底筋只需要滿足構(gòu)造要求即可。加腋板構(gòu)造如圖1所示。

由于加腋后板截面較大，對(duì)于尺度相近的框架梁來說，其剛度不可忽略，厚板與框架梁形成T型梁截面，T型截面的彎矩由板翼緣和矩形梁腹板共同承擔(dān)。計(jì)算結(jié)果顯示翼緣承擔(dān)的彎矩比例約占截面總彎矩的35%，此彎矩即包括作為梁翼緣承擔(dān)梁的彎矩，也包括作為大板的支座負(fù)彎矩。實(shí)際配筋時(shí)將翼緣與矩形梁配筋分別考慮，最多可節(jié)省35%的梁面鋼筋，同時(shí)此方法比傳統(tǒng)計(jì)算模式更加符合強(qiáng)柱弱梁的概念要求。

2.2 有限元分析方法

由于加腋板無法用常規(guī)的計(jì)算軟件進(jìn)行分析，故本工程采用MIDAS GEN通過有限元方法進(jìn)行分析計(jì)算。由于截面的漸進(jìn)變化，最合適的是采用實(shí)體單元。MIDAS GEN可通過CAD軟件導(dǎo)入加腋板線模型，然后在軟件中轉(zhuǎn)為實(shí)體模型，并通過網(wǎng)格劃分形成實(shí)體單元，板單元平面最大尺寸取0.5 m，即可滿足工程精度要求。分析時(shí)，建立5×5柱跨的結(jié)構(gòu)模型，板跨中等截面厚度取250 mm，加腋后板最厚處取450 mm，變截面范圍從板邊算起1.5 m，框架梁截面取550 mm×900 mm，框架柱截面取600 mm×600 mm，如圖2所示。

根據(jù)圖2的荷載工況要求加載并進(jìn)行計(jì)算，圖3～圖5為某組合工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，由圖可知：①變截面范圍內(nèi)板面負(fù)彎矩較大，等截面范圍內(nèi)負(fù)彎矩較小，加腋板翼緣承擔(dān)了很大一部分彎矩，符合加腋板體系設(shè)計(jì)，能夠充分利用截面；②板底變截面范圍內(nèi)不存在正彎矩，底筋可在此不需要點(diǎn)斷開，驗(yàn)證了構(gòu)造設(shè)計(jì)能符合計(jì)算要求；③柱頂出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)梁支座鋼筋較大，計(jì)算時(shí)可適當(dāng)考慮調(diào)幅，并加強(qiáng)柱頂位置的配筋構(gòu)造。不同荷載工況及內(nèi)力配筋結(jié)果見表1。

2.3 施工圖設(shè)計(jì)流程

通過積分運(yùn)算提取不同截面的內(nèi)力，根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)理論即可進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)及裂縫驗(yàn)算。對(duì)于不同柱跨尺寸的結(jié)構(gòu)單元，可分別建立有限元模型或根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)柱跨模型進(jìn)行等效設(shè)計(jì)。加腋板體系設(shè)計(jì)的一般步驟可歸納如下：

①根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的梁截面和板截面建立有限元受力模型，輸入荷載工況進(jìn)行受力分析；②根據(jù)一般方法采用常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（如PKPM）建立等截面模型并計(jì)算；③根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果判斷梁腹板承擔(dān)總彎矩的比例，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果的彎矩進(jìn)行折減再配筋，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)梁配筋數(shù)值進(jìn)行折減，以此結(jié)果進(jìn)行施工圖梁配筋。如果對(duì)裂縫有要求，按折減后的彎矩校核裂縫寬度；④根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)加腋板進(jìn)行配筋，同時(shí)驗(yàn)算T型梁翼緣的配筋是否滿足，有裂縫控制要求時(shí)再進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

經(jīng)比較，本工程若采用井字梁或十字梁體系造價(jià)更高。造價(jià)相對(duì)較低的十字梁體系總成本約475元/m2，相比于加腋大板總成本433元/m2約高10%（相同荷載及相同裂縫寬度要求情況下）。本工程采用加腋大板體系可節(jié)約造價(jià)250萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)很明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于大體量的地下室工程，頂板結(jié)構(gòu)體系的選擇對(duì)工程整體造價(jià)具有非常重要的影響，如何選擇合理的結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文介紹了地下室頂板采用加腋大板體系的一般設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)論述了其設(shè)計(jì)原理，并通過有限元分析結(jié)合實(shí)際案例歸納了施工圖設(shè)計(jì)的主要流程。結(jié)果表明加腋大板體系在案例中具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可為相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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