趙耀宗

摘 要：文章通過某高層建筑地下室工程實例，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計流程，闡述了理論依據(jù)和設計要點，實踐證明該體系在項目中具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，可供相關建筑結(jié)構(gòu)設計人員參考。

關鍵詞：地下室頂板；加腋大板體系；結(jié)構(gòu)設計

中圖分類號：TU375.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0021-01

1 工程概況

某高層建筑項目，總建筑面積34.98 m2，其中單層地下室面積約7.8萬 m2，純地下室面積約5.8萬 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，設計時以頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。常規(guī)的頂板樓蓋體系有：根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》要求，地下室在地上結(jié)構(gòu)相關范圍內(nèi)應采用梁板結(jié)構(gòu)。本工程頂板覆土厚度較大，且甲方對含鋼量有要求，故設計時采用變截面加腋大板體系，板支承在框架主梁上，不設次梁。

2 加腋大板體系的結(jié)構(gòu)設計

2.1 加腋大板體系分析原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學及混凝土結(jié)構(gòu)分析理論，對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，而實際施工圖設計中都是整跨按最大彎矩配置支座鋼筋，導致板支座兩端鋼筋沒有被充分利用，同時板支座彎矩相對跨中彎矩較大。若能增大支座受力截面減小支座彎矩，同時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，通過對等截面（等體積）厚板與加腋板的計算對比可知，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明顯增加自重和混凝土用量。同時，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。計算結(jié)果顯示翼緣承擔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梁的彎矩，也包括作為大板的支座負彎矩。實際配筋時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，同時此方法比傳統(tǒng)計算模式更加符合強柱弱梁的概念要求。

2.2 有限元分析方法

由于加腋板無法用常規(guī)的計算軟件進行分析，故本工程采用MIDAS GEN通過有限元方法進行分析計算。由于截面的漸進變化，最合適的是采用實體單元。MIDAS GEN可通過CAD軟件導入加腋板線模型，然后在軟件中轉(zhuǎn)為實體模型，并通過網(wǎng)格劃分形成實體單元，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，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行計算，圖3～圖5為某組合工況下結(jié)構(gòu)的應力云圖，由圖可知：①變截面范圍內(nèi)板面負彎矩較大，等截面范圍內(nèi)負彎矩較小，加腋板翼緣承擔了很大一部分彎矩，符合加腋板體系設計，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斷開，驗證了構(gòu)造設計能符合計算要求；③柱頂出現(xiàn)應力集中，同時梁支座鋼筋較大，計算時可適當考慮調(diào)幅，并加強柱頂位置的配筋構(gòu)造。不同荷載工況及內(nèi)力配筋結(jié)果見表1。

2.3 施工圖設計流程

通過積分運算提取不同截面的內(nèi)力，根據(jù)混凝土設計理論即可進行配筋設計及裂縫驗算。對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)標準柱跨模型進行等效設計。加腋板體系設計的一般步驟可歸納如下：

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

經(jīng)比較，本工程若采用井字梁或十字梁體系造價更高。造價相對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250萬元以上，經(jīng)濟優(yōu)勢很明顯。

3 結(jié) 語

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

參考文獻：

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