丁敏寶,毛樹果

地下車庫的頂板加固及實(shí)例分析

丁敏寶,毛樹果*

山東博宇建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司, 山東 泰安 271000

為保證地下車庫頂板施工安全，本文在總結(jié)既有施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出車吊在地下室頂板上設(shè)備布局和施工的方案，并對其進(jìn)行臨時(shí)支撐鋼柱加固處理，采用理論與有限元分析相結(jié)合的方法對180 t汽車吊在地下室頂板上行走和吊裝過程進(jìn)行模擬分析。通過某醫(yī)院地下車庫現(xiàn)場施工予以驗(yàn)證，證明該方案能夠確保施工安全，達(dá)到預(yù)期的各項(xiàng)建筑指標(biāo)要求。

地下車庫; 頂板加固; 實(shí)力分析

隨著土地資源的日益緊張，地上車位數(shù)量很難滿足人們需求，地下車庫被廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代建筑中，無論是住宅還是商場帶有地下車庫的建筑也越來越多。地下車庫緩解了人們停車問題的同時(shí)也帶來了麻煩。近年來，由于車輛超載、施工荷載超重和不按設(shè)計(jì)施工等原因?qū)е碌叵萝噹焖莸氖鹿室矊映霾桓F，帶來了人員和經(jīng)濟(jì)的損失。由于很多地上結(jié)構(gòu)的施工過程需要在地下車庫頂板上進(jìn)行，在汽車吊的吊裝施工中，車庫頂板作為施工的臨時(shí)道路如何保證施工安全和怎樣合理的選擇加固方案，成為一個(gè)重要問題。

車庫頂結(jié)構(gòu)常用的加固方案有永久增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)法、支撐滿堂腳手架和支撐鋼柱等。目前對于如何的選擇合適加固方案的還沒有明確的指導(dǎo)建議。目前，國內(nèi)已有學(xué)者做了地下室頂板作為施工道路時(shí)承載力的驗(yàn)算以及如何加固的研究。段開元[1]等根據(jù)地下室頂板兼做汽車吊行駛路線及吊裝支點(diǎn)的施工要求，結(jié)合地下室頂板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了采用碗扣式鋼管滿堂支撐架對地下室頂板進(jìn)行加固的方案，并通過詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，保證了方案的可行性與安全性。陳國梁[2]等針對在地下室頂板上進(jìn)行超重鋼箱梁吊裝問題，提出采用支撐加固，通過Midas Gen軟件對支撐圓管、路基箱、支撐下結(jié)構(gòu)、吊車行走及吊裝狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，確保了施工過程的結(jié)構(gòu)安全。劉重陽[3]等為確保250t吊車在地下室頂板安全行走，介紹了通過腳手架計(jì)算規(guī)則采用板底均布支撐，并合理布置現(xiàn)場吊車位置及桁架構(gòu)件進(jìn)場順序，高效地完成了桁架結(jié)構(gòu)安裝。

文章借鑒上述研究思路提出影響加固方案的因素，并結(jié)合某重型汽車吊在地下室頂板上施工的工程實(shí)例，采用理論與有限元分析相結(jié)合的方法對汽車吊在地下室頂板上行走和吊裝過程進(jìn)行模擬分析。通過模擬分析確定汽車吊的合理行走和吊裝方案，對不滿足施工要求的構(gòu)件選擇合適的加固，并驗(yàn)證了加固方案的合理性，保證吊裝施工的安全，旨在為類似的施工工況提供參考和借鑒。

1 加固方案的選擇

1.1 加固方案的影響因素

加固方案的選擇不是單一的施工問題，應(yīng)該綜合多重影響因素并結(jié)合工程自身特點(diǎn)，最終確定合適的加固方案。影響因素有經(jīng)濟(jì)效益、加固施工難度、加固施工周期、安全性和加固用途等。

1.2 不同加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件

1.2.1 永久增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)法常見的永久增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)法包括增加樓板厚度或增大梁截面、梁板貼碳纖維布和貼鋼板的方法。通過這些措施可以有效提升構(gòu)件的承載能力，施工后不需要拆除，加固完成后不占用其他施工空間。這種方案施工周期比較長，設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守可能會導(dǎo)致浪費(fèi)材料，需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行施工，對施工質(zhì)量要求嚴(yán)格。該方案對原結(jié)構(gòu)有一定的破壞，影響建筑美觀，恢復(fù)難度大。由于構(gòu)件截面的增大還可能影響建筑的使用要求，需要協(xié)調(diào)多個(gè)專業(yè)。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛槭┕さ闹饕ǖ?，行駛車輛荷載較重，并且使用時(shí)間較長時(shí)可以采用永久增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的加固方案。

1.2.2 支撐滿堂腳手架法支撐滿堂腳手架的方案不會破壞原結(jié)構(gòu)的美觀，對原結(jié)構(gòu)影響較小，有著不錯(cuò)的的承載能力，所需腳手架的數(shù)量和間距需要根據(jù)計(jì)算來確定。工人能熟練的掌握支撐腳手架的技術(shù)，當(dāng)加固面積較小時(shí)，施工周期較短，便于拆卸。當(dāng)加固面積較大時(shí)，支撐數(shù)量較多，施工周期長，節(jié)點(diǎn)較多，不能保證施工的安全性，同時(shí)會影響地下室空間的正常使用。當(dāng)?shù)叵率覍訑?shù)較多時(shí)，需要在每層都支撐腳手架，保證荷載有效傳入地基中。該方法所需的腳手架數(shù)量較多，工人較多，造價(jià)較高。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛榕R時(shí)道路且車載較輕，輪胎壓力主要作用在樓板上時(shí)可以采用支撐滿堂腳手架的加固方案。

1.2.3 支撐鋼柱法支撐鋼柱的方案適用于梁上作用較大的集中靜荷載，梁承載力不足時(shí)的選擇。該方法施工便利，方便拆除，有著較大的承載能力。支撐點(diǎn)較少，鋼柱的承載能力大于支撐腳手架的方案，對地下室的空間占用較小，施工經(jīng)濟(jì)。在施工過程中需要保證鋼柱和原梁處于頂緊狀態(tài)，保證梁頂?shù)募辛χ苯觽鹘o鋼柱，撐鋼柱應(yīng)設(shè)在支撐點(diǎn)的正下方位置，可以避免出現(xiàn)較大偏心，產(chǎn)生附加彎矩，需要保證施工質(zhì)量。當(dāng)?shù)叵率翼斪鳛榕R時(shí)施工的支撐結(jié)構(gòu)，荷載作用較大且支撐點(diǎn)較少時(shí)，如汽車吊吊裝作業(yè)時(shí)，可以采用支撐鋼柱的加固方案，重型汽車吊?？亢椭螘r(shí)應(yīng)把支腿放置在柱或者主梁上，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，防止樓板的沖切破壞。

1.2.4 增設(shè)鋼梁法當(dāng)施工的集中荷載較大，且無法避免作用到樓板上時(shí)，樓板的剛度較小容易發(fā)生沖切破壞，可以在樓板下采取增設(shè)鋼梁的方法。鋼梁需要與樓板頂緊，保證兩者協(xié)同受力，在施工完成后鋼梁可不需要拆除。該方案需要鋼梁與原結(jié)構(gòu)的有效連接，對原結(jié)構(gòu)有一定的破壞。

當(dāng)?shù)叵率翼敯褰Y(jié)構(gòu)作為施工場地時(shí)，可以根據(jù)上述建議有效的采取合理的加固方案，有時(shí)也需要根據(jù)自身工程的特點(diǎn)采取多個(gè)方案相結(jié)合的加固方案。

2 工程概況及工程難點(diǎn)

2.1 工程概況

某綜合醫(yī)院地下一層，地上四層，采用框架結(jié)構(gòu)體系，筏板基礎(chǔ)。該醫(yī)院綜合樓與門診樓之間設(shè)有多座鋼連廊（人行通道），均采用全焊接鋼箱梁[1]的結(jié)構(gòu)形式，其中最重鋼連廊約54 t，該連廊長度33.6 m，寬度2.7 m，連廊底標(biāo)高約18 m。該醫(yī)院主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成，考慮到施工現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)布局等因素導(dǎo)致無法采用塔吊進(jìn)行鋼連廊吊裝作業(yè)，擬采用180 t汽車吊對鋼連廊進(jìn)行吊裝定位施工，如圖1所示。由于該醫(yī)院有一層地下車庫，汽車吊需要在地下車庫頂板上進(jìn)行行走和吊裝工作，為確保吊裝施工的安全進(jìn)行和地下車庫結(jié)構(gòu)的正常使用，需要對施工過程進(jìn)行安全性分析[2-4]，并對不滿足施工要求的構(gòu)件選擇合理的加固方案。

該醫(yī)院地下車庫柱距8.1 m，采用井字梁格樓蓋，次梁間距2.7 m。主梁截面為550 mm×900 mm，次梁截面為300 mm×800 mm，車庫頂板板厚為250mm，配筋為雙層雙向C10@150。梁板混凝土強(qiáng)度等級均為C30，柱混凝土強(qiáng)度等級為C35。

2.2 工程難點(diǎn)

（1）由于汽車吊自重較大，在地下車庫頂板上行走時(shí)輪壓荷載過大可能會超出原結(jié)構(gòu)的承載能力，對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。為了確保安全施工的同時(shí)不破壞原結(jié)構(gòu)的承載能力，需要對汽車吊在車庫頂空車行走時(shí)對原結(jié)構(gòu)受力影響進(jìn)行模擬分析，找出合理行走方案。

（2）考慮到本工程吊裝施工在地下車庫頂板上進(jìn)行，汽車吊支腿需要根據(jù)地下車庫頂?shù)默F(xiàn)場結(jié)構(gòu)布置來確定支腿的實(shí)際支撐位置，保證安全施工的正常進(jìn)行。

圖 1 鋼連廊吊裝施工現(xiàn)場

（3）在吊裝過程中，由于汽車吊吊臂的旋轉(zhuǎn)，支腿和鋼連廊的相對位置會隨著施工的進(jìn)行而改變，支腿的受力狀態(tài)也會變化，在任意吊裝工況中都可能出現(xiàn)最大支點(diǎn)壓力。需要對各種吊車工況下對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響進(jìn)行簡化驗(yàn)算，找出最不利的吊裝工況。如果施工荷載超過原結(jié)構(gòu)的承載能力，應(yīng)給予合理的加固方案。

（4）鋼連廊吊裝是臨時(shí)施工，原結(jié)構(gòu)還沒有正式投入使用，對于不滿足要求的構(gòu)件應(yīng)該采取合理的加固方式，在對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小影響的前提下，既方便加固施工又便于拆除。

3 汽車吊參數(shù)

180 t汽車吊的輪胎軸距如圖2所示?？紤]到汽車吊自身的重量以及地下車庫頂板的實(shí)際承載情況，為了盡可能減小汽車吊在行駛過程中對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的受力影響，汽車吊在到達(dá)吊裝位置之前空車運(yùn)行，到達(dá)吊裝位置后再加上配重，汽車吊自重65 t，配重60 t。汽車吊空車行走時(shí)，按10個(gè)輪子考慮[5]，從車頭到車尾輪胎承受近似軸荷由汽車吊廠家提供，輪胎著地面積約0.2 m×0.2 m，單個(gè)輪胎承受的最大壓力約為75 kN。

圖 2 汽車吊輪胎布置

圖 3 汽車吊行走路線和停放位置

4 汽車吊空車行走時(shí)方案分析

以T軸-Y軸區(qū)域?yàn)槔?，汽車吊的行駛路線和停放位置如圖3所示。采用通用有限元軟件SAP2000對180 t汽車吊行走時(shí)地下車庫頂板的承載力進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核，當(dāng)承載力不滿足施工要求時(shí)可采取支撐滿堂腳手架的加固方案。

汽車吊在到達(dá)吊裝地點(diǎn)前在地下車庫頂板上空車行駛，地下車庫的柱距是8100 mm×8100 mm，最不利樓板尺寸為次梁間樓板2700 mm×2700 mm。汽車吊最小輪距為1.5 m，當(dāng)汽車吊行駛在T-Y軸的樓板上時(shí)，最不利荷載情況可能為單輪壓在板中心和雙輪均壓在最不利板上，對汽車吊行駛在一跨結(jié)構(gòu)上時(shí)整體建模分析，同時(shí)對兩種最不利荷載情況下板的受力單獨(dú)建模進(jìn)行計(jì)算分析。

汽車吊行駛時(shí)由于速度較慢可按靜力荷載考慮，在該過程中作用給地下車庫結(jié)構(gòu)的荷載是局部分布荷載，在進(jìn)行簡化計(jì)算時(shí)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]的要求，需轉(zhuǎn)化為等效均布荷載[7,8]作用在該樓板上進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)周邊約束情況，將樓板簡化為四邊固定樓板[9,10]。

利用有限元軟件[11]SAP2000對上述情況下的樓板承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

圖 4 汽車吊行駛在一跨結(jié)構(gòu)上時(shí)彎矩云圖

圖 5 汽車吊行駛在一跨結(jié)構(gòu)上時(shí)位移云圖

圖 6 單輪壓在板中心時(shí)支座處彎矩云圖

圖 7 單輪壓在板中心時(shí)跨中彎矩云圖

圖 8 雙輪壓在板中心時(shí)支座處彎矩云圖

圖 9 雙輪壓在板中心時(shí)跨中彎矩云圖

通過對以上SAP2000彎矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋校核，當(dāng)汽車吊單輪或者雙輪行駛在T-Y軸樓板上時(shí)，支座和跨中計(jì)算配筋均小于板的實(shí)際承載力，當(dāng)汽車吊行駛在整跨結(jié)構(gòu)上時(shí)的車庫頂板撓度小于設(shè)計(jì)限值，說明該區(qū)域樓板滿足汽車吊正常行駛要求，不需要進(jìn)行加固處理。

5 汽車吊吊裝540 kN連廊時(shí)方案分析

采用通用有限元軟件SAP2000對180 t汽車吊吊裝鋼連廊時(shí)地下車庫結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，找出不滿足吊裝施工的構(gòu)件，便于加固方案的選擇。

5.1 吊裝作業(yè)方案

圖 10 汽車吊吊裝時(shí)支腿布置

圖 11 支腿布置定位尺寸

在進(jìn)行鋼連廊吊裝之前需要根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)布置確定吊車支腿的支撐位置，該工程的吊車支腿應(yīng)該支承在結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件上。根據(jù)地下車庫結(jié)構(gòu)的梁柱布置結(jié)合現(xiàn)場吊車作業(yè)范圍，最終確定在結(jié)構(gòu)的18/19-FG軸對吊車支腿進(jìn)行定位。采取西側(cè)2個(gè)支腿支撐在主梁上，東側(cè)2個(gè)支腿支撐在柱子上的定位方案。根據(jù)汽車吊支腿的作用面積，支撐墊板按照500 mm×500 mm來考慮。汽車吊吊裝540 kN鋼連廊時(shí)的支腿定位如圖10和圖11所示。

5.2 吊裝工況

鋼連廊在吊裝作業(yè)過程中，隨著汽車吊的旋轉(zhuǎn)，鋼連廊和汽車吊的相對位置也會隨著改變，最不利支點(diǎn)壓力可能出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)過程中的任意工況中[12]。采取簡化計(jì)算分析，吊車工況可以分如圖10～圖13所示的4種工況，并考慮樓面附加恒載1.5 kN/m2，活載2 kN/m2。

1）空載工況：汽車吊空車未進(jìn)行吊裝時(shí)4個(gè)支腿均分荷載。

2）吊裝工況一：汽車吊吊裝時(shí)東側(cè)2個(gè)支腿承擔(dān)所有的荷載，該工況下汽車吊的全部支點(diǎn)壓力由兩個(gè)支腿均傳到地下室結(jié)構(gòu)的柱頂。

3）吊裝工況二：汽車吊吊裝時(shí)北側(cè)2個(gè)支腿承擔(dān)所有的荷載，該工況下汽車吊的支點(diǎn)壓力通過支腿一個(gè)傳到地下室結(jié)構(gòu)的柱頂，一個(gè)傳到地下室結(jié)構(gòu)的主梁上。

4）吊裝工況三：汽車吊吊裝時(shí)最東北側(cè)1個(gè)支腿承擔(dān)所有的荷載，該工況下汽車吊的全部支點(diǎn)壓力由一個(gè)支腿傳到地下室結(jié)構(gòu)的柱頂。

5）吊裝工況四：汽車吊吊裝時(shí)最西北側(cè)1個(gè)支腿承擔(dān)所有的荷載，該工況下汽車吊的全部支點(diǎn)壓力由一個(gè)支腿傳到地下室結(jié)構(gòu)的主梁上。

圖 12 吊裝工況一

圖 13 吊裝工況二

圖 14 吊裝工況三

圖 15 吊裝工況四

表 1 不同吊車工況下支腿受力狀態(tài)

從上表可以看出，在汽車吊工作過程中，支點(diǎn)壓力會隨著鋼連廊與汽車吊的相對位置變化而改變，其中空載工況下由4個(gè)支腿均分荷載時(shí)支點(diǎn)壓力最小為312.5 kN，工況三和四的情況下單個(gè)支腿承擔(dān)所有荷載時(shí)支點(diǎn)壓力最大為1790 kN。

5.3 吊裝作業(yè)時(shí)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對上述的空載工況和四種吊裝工況下的主梁進(jìn)行承載力驗(yàn)算，采用有限元軟件SAP2000整體建模進(jìn)行分析計(jì)算并與梁的實(shí)際承載能力進(jìn)行對比，工況一和工況三的支點(diǎn)反力全部由柱子承擔(dān)，兩種工況下的支點(diǎn)反力小于1.2 m厚覆土的重量，考慮到覆土還未回填，所以兩種工況下的柱子承載能力均滿足施工要求，對其他三種工況計(jì)算結(jié)果如下圖所示：

圖 16 空載工況下梁支座處彎矩和剪力

圖 17 空載工況下跨中彎矩和剪力

圖 18 工況二梁支座處彎矩和剪力

圖 19 工況二跨中彎矩和剪力

圖 20 工況四支座處彎矩和剪力

圖 21 工況四跨中彎矩和剪力

圖 22 最不利工況下結(jié)構(gòu)位移云圖

5.4 支撐點(diǎn)下梁的承載力驗(yàn)算

五種荷載工況下局部受壓承載力都大于支腿反力，局部承壓滿足施工要求。通過有限元軟件SAP2000計(jì)算該梁在汽車吊施工過程中實(shí)際受力與其承載力進(jìn)行對比結(jié)果如表2所示。

表 2 三種吊車工況下梁實(shí)際受力與承載能力對比

由上圖和表結(jié)果可知，汽車吊空載工況和工況二時(shí)，該主梁滿足施工要求。工況四時(shí)，主梁支座處抗彎和抗剪承載力均小于汽車吊吊裝作業(yè)時(shí)計(jì)算值。所以工況四的情況下地下車庫主梁承載力不能保證正常施工安全，最不利工況下梁板的最大位移為5.85 mm，變形滿足施工要求。因此該地下車庫結(jié)構(gòu)的變形滿足施工要求，但承載力不滿足，為了保證鋼連廊正常的吊裝施工，應(yīng)對支撐汽車吊支腿的主梁進(jìn)行加固處理。

6 加固措施

汽車吊在吊裝作業(yè)時(shí)，工況四的情況下主梁承載能力是不滿足施工要求的，需要采取必要的加固措施保證施工的順利進(jìn)行。該施工屬于梁上承受較大的集中荷載，梁的承載能力不滿足施工要求的情況，根據(jù)前文對加固方案選擇的建議，可采用梁下臨時(shí)支撐[15,16]鋼柱的加固方法。

鋼柱按承擔(dān)1790 kN荷載考慮，考慮分項(xiàng)系數(shù)1.5，鋼柱截面建議采用300 mm×12 mm的圓鋼管，柱頂設(shè)置600 mm×600 mm×20 mm厚鋼板頂緊梁底，使混凝土梁將支點(diǎn)壓力直接傳給鋼柱，保證兩者協(xié)調(diào)受力，發(fā)揮鋼柱支撐作用。該加固方案施工周期較短，保證了鋼連廊吊裝的有效進(jìn)行，節(jié)約了工期和經(jīng)濟(jì)，施工完成后便于拆除，對原結(jié)構(gòu)影響較小。

7 結(jié)論

文章針對地下室結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)施工道路時(shí)如何保證施工安全性和怎樣合理的選擇加固方案進(jìn)行了研究，根據(jù)不同的施工工況，給出了如何合理選擇加固方案的建議。結(jié)合某醫(yī)院基于地下車庫結(jié)構(gòu)上鋼連廊吊裝施工的工程實(shí)例，通過理論分析和有限元計(jì)算相結(jié)合的方法分析了重型汽車吊在行駛和吊裝作業(yè)過程中對地下車庫結(jié)構(gòu)的受力影響。對不滿足施工要求的構(gòu)件采取了合理的加固方案，驗(yàn)證文章中提出的的加固方案選擇方法的正確性，確保了吊裝施工的安全進(jìn)行。同時(shí)，加固方案的選擇和其分析過程可為類似工程提供參考和借鑒。

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The Reiforcement of the Roof on Underground Park and Application Analysis

DING Min-bao, MAO Shu-guo*

271000,

In order to ensure the safety of the underground garage roof construction, on the basis of summarizing the existing construction experience, this paper put forward the car hanging in the basement roof on the equipment layout and the construction scheme, and reinforcement, adopt the method of combination of theory and finite element analysis on 180 t crane in the basement roof walking and lifting process simulation analysis. The site construction of a hospital underground garage proves that the scheme can ensure construction safety and meet the expected requirements of various building indicators.

Underground park; roof reinforcement; instance analysis

TU2483.3

A

1000-2324(2022)01-0150-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.023

2021-11-12

2021-11-28

丁敏寶(1971-),男,高級工程師,主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作. E-mail:dmb9898@163.com

Author forcorrespondence. E-mail:maosg167@126.com