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基础科学

小柱网地下室顶板结构设计多方案比选分析

时间:2018-09-12 20:22作者:admin打印字号:

[abstract]
The basement roof structure scheme under small column grid was analyzed from the following three aspects, the structure scheme optimization selection, the structure scheme comparison in fire truck loading and no fire truck loading, the structure scheme comparison in small column grid and large column grid. The detailed working was drawn up, the detailed work amount and economic index were calculated also. In order to provide reference to select the optimal basement roof scheme and column grid, the advantages and disadvantages were analyzed comprehensively from the basement net height, economic index, construction etc.
 
[Keyword] small column grid    large column grid   truck loading     basement roof structure scheme    economic index
 
0引言
    最近15年国内房地产市场不断扩大发展,地下室尤其是大型住宅小区的地下室面积也在不断增加,地下室的结构设计往往是业主方着重关注的重点,尤其是竞争日趋白日化的房地产市场,成本控制是地产公司考核设计院设计质量一个重要的指标。其中地下室顶板结构设计考虑以下两个方面因素成为地下室设计中的一个重点和难点:其一,所受荷载大,包括


覆土、消防车荷载及人防荷载,所用材料多;其二,受设备专业空间要求限制,地下室层高要求较高,地下室顶板的造价在整个地下室中占较大比重,因此业主方尤其是国内大型地产公司往往要求设计方在初步设计阶段进行地下室顶板结构多方案的优化比选。
    目前国内就此方面的研究也比较多,有认为综合考虑造价、施工因素、结构性能等因素,认为地下室顶板采用无梁楼盖方案和加腋梁板方案相比于传统的主次梁结构方案具有更加

广泛的应用前景[1]。有对四种不同梁截面的普通梁板楼盖与无梁空心楼盖作了详细分析,比较了各方案的优缺点[2]。有认为无粱楼板时可降低层高,减小地下室埋深,有明显的综合经济效益的[3]。以上关于地下室顶板的结构设计方案比选均是建立在柱网尺寸为8.1×8.1左右的情况下,即考虑一个柱网停3台小车(本文统称为大柱网)的情况下,然而对一个柱网停2台小车的情况(本文统称为小柱网)研究分析较小,本文就以下三个方面进行了研究:小柱网情况下地下室顶板结构方案优化比选、小柱网情况下地下室顶板在有消防车和没有消防车荷载作用下结构方案对比分析及小柱网和大柱网情况下地下室顶板结构方案对比分析研究。

 
1小柱网情况下顶板方案优化比选分析
1.1 方案基本情况
方案制定依托长沙某项目的非人防地下室进行,地下室层数为一层,层高为3.6米,东西向长约400米,南北向长约100米,标准柱网尺寸为5.4米×5.4米,局部5.4米×6.1米,为停车库,建筑面积约34000m2,地库上部分布着19栋7层的多层建筑住宅,多层住宅为异型柱框架—剪力墙结构,主体结构设计使用年限50年,上部结构嵌固端在地下室顶板。地下室顶板覆土厚度1.5米,恒载取值27kN/m2;活荷载考虑消防车荷载,且按考虑1.5米厚覆土按《建筑结构荷载规范》的附录B进行折减。本工程抗震设防类别为标准设防类,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,水平地震影响系数αmax=0.04,设计特征周期Tg=0.35秒;设计地震分组为第一组;建筑场地类别为Ⅱ类。主楼抗震等级为三级,抗震基本参数见表1。本工程基本风压:0.35kN/m2,地面粗糙度类别为B类,基本雪压:0.45kN/m2 (50年一遇),建筑结构的安全等级为二级。
表1 抗震基本参数
抗震
设防烈度
设计基本地震
加速度值
设计地震分组 场地特征
周期值
建筑场地类别 抗震等级
6度 0.05g 第一组 0.35(s) Ⅱ类场地 三级
 
1.2 各个方案拟定及主要构件参数
    1.2.1 各个方案的拟定
地下室标准柱网为5.4米X5.4米,研究时按长、宽方向均为5跨进行计算,主要研究普通地下室顶板采用以下三种结构形式的优缺点及主要经济指标。方案1:仅设置框架主梁的大板方案; 方案2:设置框架主梁和一根次梁的“十字梁”方案;方案3:普通无梁楼盖方案。柱子基本截面尺寸为400mm×600mm,梁板混凝土标号为C35,各个方案的布置简图见图1。
    
    
           方案1                        方案2                       方案3
                                  1 各个方案简图
1.2.2 各种方案主要构件参数情况
各个方案的重要结构构件参数统计如下,见下表2。
表2 小柱网情况下有消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较(参数)
  方案形式 柱帽尺寸 柱帽高度 主梁截面 次梁截面 板厚 荷载(kN/m2
方案1 大板体系 - - 350x600
350x700
- 180mm 恒:27;
活:5.4m: 23;
活:6.1m: 20;
方案2 十字梁体系 - - 350x650
350x750
250x500 180mm 恒:27;活:30;
方案3 无梁楼盖
体系
2200x2200 550 600x300 - 300mm 恒:27;
活:5.4m: 23;
活:6.1m: 20;
1.3 各方案施工图绘制及工程量计算
   因图幅较大,施工图在此省略。
根据各个方案,计算各个方案的工程量和综合经济指标,见下表3和表4:
 
 
 
 
 
表3 小柱网情况下有消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较(工程量)
序号 项目编码 项目名称 计量
单位
金额(元) 工程量
综合单价 方案一 方案二 方案三
1 10505001001 有梁板 m3 506.31 177.7 192.48 223.34
2 10502001001 柱帽 m3 555.53     27.28
3 11702014001 混凝土模板-有梁板 m2 59.72 992.53 1217.33 683.34
4 11702002001 混凝土模板-柱帽 m2 54.27     155.76
5 10515001001 现浇构件钢筋
 三级钢C8
t 4471.36 1.259 0.956 2.054
6 10515001002 现浇构件钢筋
 三级钢C10
t 4471.36 1.727 20.428 1.509
7 10515001003 现浇构件钢筋
 三级钢C12
t 4568.4 3.527 1.108 24.295
8 10515001004 现浇构件钢筋
三级钢C14
t 4315.44      
9 10515001005 现浇构件钢筋
三级钢C16
t 4169.85 32.343    
10 10515001005 现浇构件钢筋
三级钢C18
t 4016.69 5.476 0.597 6.198
11 10515001006 现浇构件钢筋
三级钢C20
t 3947.44 3.873 2.689  
12 10515001007 现浇构件钢筋
三级钢C22
t 3842.58 0.472 0.455  
13 10515001008 现浇构件钢筋
三级钢C25
t 3764.98 13.111 21.21 0.069
14 10516003001 机械连接-电渣压力焊 5.36      
15 10516003001 机械连接-直螺纹连接 30.19 96 96  
 
表4 小柱网情况下有消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较(经济指标)
  方案形式 单位混
凝土量(m2/m2)
单位模板量(m3/m2) 单位含钢量
(KG/m2)
单位造价
(元/m2)
方案1 大板体系 0.22 1.23 76.607 577.43
方案2 十字梁体系 0.24 1.51 58.821 527.82
方案3 无梁楼盖体系 0.31 1.04 42.309 470.32
1.4 各方案比选分析
从地下室净高考虑,此工程地下室层高3.6米,扣除梁高和板厚后,地下室结构净高见下面5,假设设备管线要求占用梁或板下0.6m高度,扣除设备管线高度后地下室建筑高度汇总如下表5:
表5 各个方案建筑及结构净高
类别 方案一(大板)、 方案二(十字梁) 方案三(普通无梁楼板)
层高(m) 3.6 3.6 3.6
结构净高(m) 2.9 2.85 3.3
建筑高度(m) 2.3 2.25 2.70
   从上表可知,根据《车库建筑设计规范》[5]4.2.5及4.3.6条,方案一(大板)、方案二(十字梁)、方案三(普通无梁楼板)的建筑和结构高度均能达到规范要求。方案三(普通无梁楼板)、则有较高的结构高度和建筑高度,地下室无压抑感,使用舒适; 从模板指标来看,方案三(普通无梁楼板)支模工程量比较少,能大大节约施工周期,其次是方案一(大板),支模工程量也不大,支模工程量最大的是方案二(十字梁)。方案三(普通无梁楼板) 的含钢量为42.309kg/m2,相比方案一(大板)、方案二(十字梁)分别少34.298kg /m2、16.512 kg /m2,为含钢量最省方案。
    从每平方米的综合单价来看,方案三(普通无梁楼板) 为470.32元/m2,相比方案一(大板)、方案二(十字梁)分别少107.11元/m2、57.50元/m2,节约造价非常明显,以此地下室为例,使用无梁楼盖部分的地库面积约为12000m2,能节约总造价约128.5万元、69.00万元。
 
2:小柱网情况下有消防车和没有消防车荷载作用下对比分析
2.1 方案基本情况
   基本情况同研究问题1,考虑地下室除消防车道和消防扑救面需要考虑消防车荷载外,其余位置一般不考虑消防车荷载,本方案在研究问题1的情况下取消了消防车荷载,改用普通活荷载:5kN/m2
2.2 各个方案拟定及主要构件参数
各个方案的重要结构构件参数统计如下,见下表6。
表6 小柱网情况下无消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较(参数)
  方案形式 柱帽尺寸 柱帽高度 主梁截面 次梁截面 板厚 荷载(kN/m2
方案1 大板体系 - - 350x600
350x700
- 180mm 恒:27;
活:5;
方案2 十字梁体系 - - 350x650
350x750
250x500 180mm 恒:27;
活:5;
方案3 无梁楼盖体系 2200x2200 550 600x300 - 300mm 恒:27;
活:5;
2.3 各方案施工图绘制及工程量计算
   因图幅较大,总工程量和施工图在此省略。
根据各个方案,计算其各个方案的综合经济指标,见下表7:
 
表7 小柱网情况下无消防车、无人防荷载时顶板方案选型比较(经济指标)
  方案形式 单位混
凝土量(m2/m2)
单位模板量
(m3/m2)
单位含钢量
(KG/m2)
单位造价
(元/m2)
方案1 大板体系 0.21 1.21 46.480 439.56
方案2 十字梁体系 0.22 1.45 39.542 429.06
方案3 无梁楼盖体系 0.31 1.05 34.572 424.01
   2.4 比选分析
    从表7和表4数据对比来看,和有消防车情况比较,无消防车荷载作用下,方案1(大板体系)、方案2(十字梁体系)和方案3(无梁楼盖体系)每平米少了137.87元/m2、103.81元/m2、41.26元/m2
    从表7可以看出,小柱网情况下无消防车荷载时,采用无梁楼盖体系仍然是最省的方案,相比方案1(大板体系)和方案2(十字梁体系)仅节约15.55元/m2和5.05元/m2。相比有消防车荷载作用时最省方案3(无梁楼盖体系)比最贵方案1(大板体系)少107.11元/m2,节约幅度大大减少,说明在无消防车荷载作用的情况下,无梁楼盖体系方案在经济性方案的优越性难以得到体现。但采用方案3(无梁楼盖体系),建筑、结构净高仍最高,有地下室层高压缩空间,能从地下室墙、柱工程量减少、降低了底板抗浮水位等多方面节约地下室造价。
 
3:小柱网和大柱网情况下三个方案对比分析研究
3.1 方案基本情况
    方案基本情况同研究问题1,只是增加人防荷载作用。
3.2 各个方案拟定及主要构件参数
地下室标准柱网为7.8米X8.1米,研究时按长、宽方向均为5跨进行计算,主要研究普通地下室顶板采用以上三种结构形式的优缺点及主要经济指标。柱子基本截面尺寸为550mm×550mm,梁板混凝土标号为C35,各个方案的布置简图见图2,各个方案的重要结构构件参数统计见下表9。
     
                                2 大柱网基本方案
表8 小柱网情况下有消防车、有人防荷载时顶板方案选型比较(参数)
  方案形式 柱帽尺寸 柱帽
高度
主梁截面 次梁
截面
板厚 荷载(kN/m2
方案1 大板体系 - - 350x700
350x800
- 250mm 恒:27;
活:5.4m: 23;
活:6.1m: 20;
人防:70
方案2 十字梁体系 - - 350x750
350x800
250x550 200mm 恒:27;
活:30;人防:70
方案3 无梁楼盖体系 2200x2200 550 600x300 - 300mm 恒:27;
活:5.4m: 23;
活:6.1m: 20;
人防:70
表9 大柱网情况下有消防车、有人防荷载时顶板方案选型比较(参数)
  方案形式 柱帽尺寸 柱帽高度 主梁截面 次梁
截面
板厚 荷载
方案1 大板体系 - - 500X900 - 300mm 恒:27;活:14.5;
人防:70
方案2 十字梁体系 - - 500X900 350X800 200mm 恒:27;活:18;人防:70
方案3 无梁楼盖体系 2400X2400 400mm - - 350mm 恒:27;活:20;人防:70
 
3.3 各方案施工图绘制及工程量计算
根据各个方案,计算其各个方案的综合经济指标,见下表10和表11,总工程量省略:
表10 小柱网情况下有消防车、人防荷载时顶板方案选型比较(经济指标)
  方案形式 单位混
凝土量(m2/m2)
单位模板量
(m3/m2)
单位含钢量
(KG/m2)
单位造价
(元/m2)
方案1 大板体系 0.29 1.21 57.148 529.10
方案2 十字梁体系 0.28 1.51 59.088 553.41
方案3 无梁楼盖体系 0.31 1.05 60.606 555.37
 
表11 大柱网情况下有消防车、人防荷载时顶板方案选型比较(经济指标)
  方案形式 单位混
凝土量(m2/m2)
单位模板量
(m3/m2)
单位含钢量
(KG/m2)
单位造价
(元/m2)
方案1 大板体系 0.36 1.23 72.736 654.00
方案2 十字梁体系 0.32 1.35 70.124 620.76
方案3 无梁楼盖体系 0.39 1.01 59.945 604.84
3.4 比选分析
    由表8和表9可知,大柱网情况下,根据《车库建筑设计规范》[4]4.2.5及4.3.6条,采用方案1(大板体系)、方案2(十字梁体系)时地库最少层高需要0.9+2.2+0.6=3.7米,比小柱网情况下增加0.1米。
    通过表10和表11可以看出,和大柱网相比,小柱网情况下采用方案1(大板体系)、方案2(十字梁体系)、方案3(无梁楼盖体系)分别节约了124.9元/m2、67.35元/m2、49.47元/m2,扣除柱子根数的增加费用,节约还是十分明显。
4 结论及建议
   根据上述对楼盖方案的对比分析,得出以下结论和建议:
1、小柱网情况下,有消防车、无人防荷载作用时,地下室顶板采用方案三(普通无梁楼板),结构净高较高,每平米造价最省,可作为小柱网地下室顶板楼盖方案的首选方案。
2、 无消防车、无人防荷载作用下,小柱网情况下地下室顶板采用方案三(普通无梁楼板)仍然是最节约的方案,只是和方案1(大板体系)、方案2(十字梁体系)相比减少幅度有限,但考虑地下室净高等因素建议还是优选方案三(普通无梁楼板)。
3、和大柱网相比,当有消防车、有人防荷载作用时,小柱网情况下地下室顶板采用方案1(大板体系)、方案2(十字梁体系)、方案3(无梁楼盖体系)都能节约造价,小柱网用钢量少,能有效降低地下室顶板施工难度,建议根据主楼柱网优先布置小柱网。
4、根据《建筑抗震设计规范》[5]的6.1.14条及《高层建筑混凝土结构技术规程》[6]3.6.3条,“地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下室在地上结构的相关范围的顶板应采用现浇梁板结构”,根据此条及参考文献7对地下室顶板作为上部结构嵌固部位时的相关分析,当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位,又想采用方案三(普通无梁楼板)时,最好在方案阶段和初步设计阶段提前和施工图审查中心沟通,得以方案的顺利实施。
    
参考文献
1、徐建明.地下室顶板结构多种方案的经济分析[J].建筑与结构设计,2012:111-113.
2、张圣海,覃维.某工程8.1×8.1柱网地下室顶板楼盖方案结构选型[J].四川建筑.2012(4):169-171
3、李国胜[1];闫颖[2].高层建筑地下室及地下车库结构选型的经济比较.第十九届全国高层建筑结构学术会议论文.2006:795-800
4、 中华人民共和国建设部,JGJ100—2015,车库建筑设计规范[S],北京:中国建筑工业出版社,2015.
5、 中华人民共和国建设部,GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S],北京:中国建筑工业出版社,2010.
6、 中华人民共和国建设部,JGJ3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S],北京:中国建筑工业出版社,2011.
7、朱炳寅. 《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》[M].北京:中国建筑工业出版社,第二版.
 
[作者简介] 刘付华,1980年生,汉族,湖南娄底人,硕士研究生,高级工程师,主要研究方向:复杂地下室结构精细化设计、节约化设计、标准化设计
 

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