地下室顶板大板加腋结构设计与应用分析

蒋国灼

(广东华方工程设计有限公司， 广东 广州 510120）

城市土地资源稀缺促进地产开发商对地下室的投入， 很多建筑项目中都设计有地下室， 地下室的建设比例不断上升。 进行大面积地下室建设过程中一般存在施工难度大和造价成本高等缺点， 选择经济实用的结构形式是目前开发商迫切追求的。 而地下室顶板加腋结构设计在跨中方向无次梁， 不仅能最大限度降低模板工程量和钢筋绑扎工作量， 优化地下室净空条件， 还能提高梁端抗剪性能， 目前在北美洲已经普及应用。 加腋大板作为一种观感好、 经济、 施工方便的新型楼盖结构体系， 近些年在我国地下室工程中应用越来越多。 结合地下室顶板加腋大板体系结构的实际原理分析， 同时以具体项目方案应用为支撑， 通过理论与实践相结合进行分析， 能为实际设计提供更有价值参考意义。

1 加腋大板结构原理

一般情况下， 地下室结构选型中选择普通大平板结构方案时， 其板支座处的配筋较大， 只能通过整体增加板的厚度实现降低板支座的配筋目的， 导致板自重和板支座处计算高度直接增加， 同时板的构造配筋也随之增多。 而加腋大板结构体系， 由于在混凝土框架结构中不设置次梁， 直接将楼板支撑在框架主梁上， 楼板采用板端部竖向加腋的平板， 能承载更多的负荷。 另外， 板在与梁交接处的负弯矩往往起控制效果， 实现减少支座配筋的同时也不会较多增大板支座和跨中弯矩， 达到结构布置最合理化和结构整体受力状况改善， 能有效平衡建筑地下室工程的结构需求及经济指标之间的矛盾， 使结构本身经济技术指标更加合理。

2 项目概况

某住宅建筑项目， 主要由地上16 栋18 层楼剪力墙结构住宅、 1 栋26 层的框架剪力墙结构写字楼和地下一层组成。 地抗震设防烈度设为6 度， 设计基本地震加速度为0.05g。 地下室顶板作为上部结构崁固端，覆土1.5m。 结合项目的顶板覆土厚度较大的特点和甲方对含钢量的要求， 因此， 在进行本项目的地下室结构体系选择时， 拟采用变截面加腋大板结构体系，标准柱网为： 6.2 m×7.8 m。 通过借助加腋大板结构优势， 实现结案方案的优化和经济效益的提高。

3 结构方案比较

本项目的建设方对项目地下室的设计标准有着明确的要求， 需要在确保结构体系安全美观的基础上降低造价成本， 同时便于施工方施工作业， 提升施工效率。 目前国内外一些常见的地下室顶板结构形式有：十字梁、 单向板、 无梁楼盖、 加腋大板等。 如何确定本项目的地下室顶板结构形式及整体设计方案， 需要进行多方面因素的对比考量， 如顶板覆土厚度、 楼板厚度、 建筑效果、 柱网尺寸、 施工便捷性等。 考虑到本项目地下室顶板存在荷载较大的现状 （覆土荷载取30kN/m、 加腋大板消防车荷载取值20kN/m、 十字或单向梁楼盖消防车荷载取值28kN/m）， 在符合基本设计要求基础上， 下面选定十字梁、 单向板、 无梁楼盖、 加腋大板几个结构形式作为比较对象， 具体分析如下。

3.1 十字梁结构

结合计算分析得出， 本项目如采用十字梁结构形式， 其框架梁最佳尺寸应设计为450mm×800mm， 次梁尺寸设计为350mm×700mm， 选取楼板厚度为180mm。 但由于下室层高为3.6m， 加上顶板下方需要预留600mm空间作为安装各类风机管道用， 如采用十字梁结构， 因为次梁较多， 难以符合地下室规定的最小2.2m的净高设计要求， 同时十字梁结构方案施工需要较多的支模支撑， 施工操作开展难度大， 同时也拖延进度。 因此， 本项目地下室结构体系不适宜选择十字梁结构形式。

3.2 单向板结构

本项目如采用单向板结构形式， 按刚性板设计，荷载主要由梁承担。 结合计算分析得出， 可以沿着6.4m的方向进行次梁设置， 框架梁和次梁合理尺寸设计为400mm×800mm， 而7.8m方向框架梁尺寸则为550mm×850mm。 另外， 进行单向板结构设计选取的楼板厚度与上述十字梁结构体系的厚度一致， 为180mm。 但与十字梁体系方案相比， 如采用单向板结构， 可实现次梁数量减少一半左右， 同时也能更好控制施工进度。 但考虑到需要设置较大的长方向框架截面尺寸以降低次梁传来的集中力影响， 使得本项目的地下室层高无法符合单向板结构设计要求， 因此本地下室项目不适宜选择单向板结构形式。

3.3 无梁楼盖结构

无梁板按弹性板设计， 板厚为350mm， 柱帽托板尺 寸 2000mm ×2000mm ×200mm， 柱 帽 尺 寸 为1400mm×1400mm×400mm。 无梁楼盖结构体系由于施工作业简便、 楼层净高较高， 在经济性、 美观度和时间节约等方面存在一定的优势， 也是近年来我国一些项目中选择较多的一种结构方案。 但由于嵌固端为地下室顶板， 结合现有规范对地下室顶板结构形式的相关构造要求， 地下室在地上结构相关范围需要进行梁板结构体系设计， 其它地下室顶板做无梁楼盖。 结合这个要求， 无梁楼盖受嵌固层要求的限制， 不能应用在所有部位， 同时无梁楼盖受自身受力模式影响，容易出现柱冲切破坏情况， 特别是近年来一些地方出现的相关因为荷载超限导致地下室顶板开裂而引发相关人员伤亡事故， 让人不得不重新考虑无梁楼盖结构实际使用价值。

3.4 加腋大板结构

加腋大板结构属于梁板体系， 不同于其它结构体系的最大特点在于其仅在框架柱间进行框架梁的设置， 同时结合项目需求除局部洞口处， 其它地方不用设置次梁。 同时由于加腋大板结构的楼板较厚这个优势， 楼板能依照弹性板计算， 梁板共同受力。 另外，通过局部加厚加腋大板支座附近的楼板厚度， 进一步抬升整个楼板的弯矩， 实现楼板跨中的正弯矩减少，使得整个构件内力呈均匀分布。 因此， 本项目如采用加腋大板结构体系， 通过科学计算， 本地下室项目框架梁设计的尺寸选择为450mm×700mm， 板加腋高度设计选定200mm， 楼板厚度设计为250mm， 不仅能确保地下室净高要求， 还能提高跨度和承载力， 实现结构的配筋节约， 降低项目造价成本。 下面对以上四种结构体系方案的经济性比较概况如下表1 所示。

表1 纯地下室顶板结构形式比较分析

结构形式 钢筋含量/（kg·m-2） 砼含量/（m3·m-2） 适用范围 特点十字梁 71.42 0.37 所有部位 安全储备高、 施工进度慢单向板 75.07 0.35 所有部位 受力方向梁截面较大无梁楼盖 66.42 0.43 嵌固层主楼及相关范围以外 观感好、 施工进度快、 脆性破坏加腋大板 65.23 0.36 所有部位 梁截面较小、 观感较好、施工进度快

结合以上不同结构形式对比分析结果来看， 本项目地下室顶板如选取加腋大板结构方案比普通有梁板结构方案更有优势。 加腋大板结构通过实现对腋部的受力加强， 不仅实现对控制板的自重的有效控制， 还能最大程度减少支座弯矩。 结合板的加腋区底部为主要受压部分特征， 可以在此处断开板底筋。 另外， 为了实现支座最大弯矩目的， 本项目通过采用分离配筋作为板支座加腋部分负筋， 同时还通过额外的附加钢筋 （附加长度可取板跨 1 /4） 等处理措施实现。 因此， 加腋大板结构设计不仅可以有效减少梁的高度和数量， 加大了地下室净高， 观感较好， 还能加快施工进度， 经济性更高。 最终， 该项目地下室顶板采用大板加腋的方案。

4 结语

目前， 在地下室工程中， 顶板结构体系的选择对工程观感、 安全、 施工进度、 整体造价有着直接的关联， 进行的科学合理的结构体系选择成为地下室工程设计成功的关键。 加腋大板结构的应用能够发挥其厚度方面的优势， 有效缩短施工周期和降低工程成本。本文通过工程实例， 从工程实际需求出发， 通过多种结构体系对比分析， 最终选取加腋大板结构体系， 同时不断优化结构的受力状况， 做好梁截面、 板截面的设计与选型， 不断优化结构的受力状况， 降低施工中混凝土、 钢筋等材料的用量， 提高工程经济效益。