汕尾某商业地产项目地下室结构设计与优化
【摘要】本文通过一个商业地产项目地下室结构基础及顶板的选型与优化，反映了基础概念设计对工程造价控制的重要性，以及加腋大板体系在地下室顶板设计中的优越性，并就加腋大板设计过程中的细节问题进行了探讨。
【关键词】结构选型;加腋大板;经济性
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.01.040
1、工程概况
汕尾某高层商业地产项目，总建筑面积39.54万平方米，其中地下室面积约8万平方米，东侧为两层地下室，西侧为单层地下室。地下室采用框架结构，顶板主要覆土厚度为1.2米，设计时以负二层顶板作为上部结构的嵌固端。
本工程所在地基本地震烈度为7度（0.10g），地震分组为第一组，场地土类别Ⅱ类，场地特征周期0.35s。
2、基础选型与优化
本项目建设场地土层分布不均匀，下部风化基岩岩面起伏变化大，软硬相间。但总体来看，场地中西部微风化岩埋深较浅，场地东部相同标高处却主要为残积沙质粘土及全风化岩。考虑到首开区对工程造价和项目工期的控制非常严格，设计方建议将原定西侧的两层地下室移动至场地东侧，调整后的西侧一层地下室在基坑开挖后已达到地勘建议的微风化岩持力层。如此，可大大减少对场地西侧大范围微风化岩的爆破工作，同时也降低了两层地下室区域基坑的开挖难度，节省了项目一期工程基础部分的工期和造价。
针对场地中西部的一层地下室的基础选型，因微风化岩层开挖爆破困难，在现场踏勘及与施工方沟通后，排除掉独立基础+防水板及筏板加下柱墩的基础形式，采用较厚的平板式筏形基础。虽然材料成本稍贵，但平板式筏形基础相较其它基础形式的实际操作性强，施工速度快。后施工现场反馈因岩石爆破深度和范围难以精细化控制，现场各爆破点实际深浅不一，基坑表面凹凸不平，在清理完爆破残渣后，采用了C15素混凝土填平场地。
针对场地东部的两层地下室基础选型，考虑到底板标高处存在微风化岩或中风化岩、强风化岩、全风化岩及局部填土三种地质情况，为缓解不均匀沉降，微风化岩或中风化岩区域采用700厚平板式筏基，强风化岩、全风化岩及局部填土区域均采用500厚筏板加下柱墩的基础形式，并用C15素混凝土替换填平局部填土区域。
本工程的平板式筏基的厚度由冲切控制，通过计算比较发现，提高混凝土强度等级和设置抗冲切箍筋，均可以有效降低筏板的厚度，由于筏板的计算结果大部分为构造配筋，减小筏板的厚度可以有效地节约基础造价。本工程实际选用了500厚C35混凝土并配置抗冲切箍筋的筏基形式。
3、地下室顶板选型与优化
3.1 顶板情况介绍
本工程地下室负一层结构层高为4.0m，典型柱网尺寸为8.1mx8.6m，框架柱截面尺寸为500mmx600mm，嵌固端在负二层顶板。顶板覆土厚度为1.2m，顶板方案选型时不考虑消防车荷载，板面附加恒载按22kN/m，活载考虑施工荷载按5.0kN/m考虑。梁板混凝土强度等级均为C35，钢筋为HRB400。
根据《地下工程防水技术规范》GB50108-2008中的要求，地下工程防水混凝土结构的结构厚度不应小于250mm，故本工程地下室顶板的板厚取为不小于250mm。
3.2 楼盖选型测算
因甲方不考虑使用无梁楼盖，故测算加腋大板、十字梁、井字梁及单向双次梁四种梁板方案，选取5x5跨（40.5mx43m）标准连续跨为研究对象，板厚均为250mm，相应的结构布置如图1。造价计算时，C35混凝土材料单价按645元/m，钢筋材料单价按6100元/t取值，各体系的测算结果见表2。
通过对不同楼盖形式的模型计算及造价比较，得出的结论如下：
（1）四种梁板体系中，加腋大板的经济性最好，单向双次梁次之，井字梁造价最高。
（2）十字梁体系因双向受力形式类似，主梁跨中受到集中荷载，导致两个方向的主梁梁高均较大，对地下室净高影响不利。但因次梁数较少，且互为支撑，梁的总体配筋量较小。
（3）单向双次梁体系在平行于次梁方向的主梁梁高较小，可沿该方向布置设备管线。但另一向的主梁尺寸较大，影响地下室的净高，且板跨较小，无法充分发挥250厚顶板的强度作用。
（4）井字梁体系主次梁梁高适中且受力均匀，裂缝及挠度相对较小，但因梁数量较多，混凝土及钢筋用量最大，经济性不强。
（5）加腋大板体系充分发挥了250厚楼板的强度和刚度作用，显著减少了主梁梁高及配筋量，经济性好，且柱跨内无次梁，整体空间通透，使用观感较优。
这一测算结论与韩建飞和张颖，文元对地下室顶板不同梁板形式的经济性对比中的得出的结论基本一致。故本项目地下室顶板最终选用加腋大板体系。
3.3 加腋大板的理论基础
傅学怡在《实用高层建筑结构设计》中提出，不考虑现浇梁板的相互作用，会无法正确反映因支座梁剛度不同导致的板块内力的不同走向;不考虑楼板的实际翼缘作用，会造成实际设计的框架梁支座截面受弯承载力过高，从而使梁端的塑形耗能能力大为下降，不利于结构的安全性和经济性。
加腋大板为双向拱壳空间结构，通过板加腋段的斜向压应力，抵消部分板面竖向荷载与板底拉应力，提高楼板抗弯和抗裂的性能。同时，加腋大板支座处的水平加腋设置，使得楼板局部厚度增加，对应位置处的楼板负弯矩增大，而楼板跨中的正弯矩减小，使楼板的内力分布更均匀，有效提高了加腋大板的设计跨度与承载力;通过较厚的楼板以及楼板加腋的自身强度及刚度，将荷载较为均匀地传递给框架梁，有效降低框架梁的弯矩峰值，使框架梁的截面承载力得到充分均匀的使用 。
加腋大板通过梁板协同作用的计算模式，让结构整体受力形态更均匀，有利于结构的安全性;同时充分挖掘结构构件各部分的承载能力，在混凝土用量增加不明显的情况下，显著优化了结构的用钢量，提高了结构的经济性。对于有板厚要求的地下室顶板来说，加腋大板体系是安全、经济且美观的选择。
3.4加腋大板的模型设置
本项目地下室使用YJK建模计算，与传统梁板结构不同的模型参数设置如下：
（1）加腋大板区域在前处理的板属性模块中需设置为弹性板6，考虑楼板面内、面外刚度;
（2）加腋大板区域在前处理的特殊梁模块中修改梁扭矩折减系数为1，因拱壳结构受力形式对梁产生的扭矩较大，尤其对于边跨梁扭矩按照默认的0.4折减偏于不安全;
（3）在计算参数中，勾选“生成绘等值线用数据”，用于生成弹性板有限元的等值线计算结果;
（4）在计算参数中，仍然可以勾选“梁刚度放大系数按10版《砼规》5.2.4条取值”，已设置为弹性板6的区域，YJK会自动把梁刚度系数调整为1.0，即按照梁板实际刚度计算分配内力;
（5）在计算参数中，勾选“梁与弹性板变形协调”;
（6）在计算参数中，当计算梁配筋时，不勾选“弹性板与梁协调时考虑梁向下相对偏移”，提高梁配筋的安全储备;当计算板配筋时，勾选此项，按照梁板实际偏移状态模拟，避免板配筋偏少。
3.5 加腋大板的設计
3.5.1 加腋大板的尺寸设计
李光雨针对楼板加腋高度和加腋宽度对梁板配筋的影响进行了研究，结果显示随着楼板加腋高度的增加，梁板配筋均会明显变小;随着楼板加腋宽度的增长，梁板配筋也会变小。李光雨建议板加腋的高度比板厚稍大即可，加腋宽度可取梁跨的1/9～1/7。
刘维亚等也针对加腋大板的尺寸设计进行了研究，发现随着板厚的增加，楼板的加腋效果会变弱，楼板的弯矩值会变大，反弯点会往支座方向移动;加腋宽度越大，板配筋越小，当加腋宽度为梁跨的1/4时，楼板的跨中弯矩值最小。
本项目中，考虑到地下室的建筑观感和使用净高，普通地下室顶板处，楼板厚度为250mm，加腋高度为250mm，加腋宽度为1200mm，约为梁跨的1/7;在消防车道处，适当加大楼板尺寸，使楼板配筋量不至过大，楼板厚度取为300mm，加腋高度为300mm，加腋宽度为1500，约为梁跨的1/6～1/5。
3.5.2 加腋大板的设计细节
经过与设计同行和施工方的讨论交流，针对加腋大板的细部设计，有如下几条建议：
（1）同一柱跨内各个楼板加腋高度和宽度尽量保持一致，如此既可简化图纸表达，又方便施工时加腋斜板的模板制作与安装;
（2）尽量避免单侧加腋情况的发生，否则加腋侧的楼板支座弯矩无法平衡;如存在大小板相连，交界处大板有加腋而小板加腋施工困难的情况，可以采用增加小板厚度的方法来平衡支座弯矩;
（3）边跨可以不加腋，一则加腋后支座弯矩加大，不利于弯矩平衡;二则边跨处可视为简支段，加腋反而可能造成配筋结果加大;但对边跨梁的抗扭箍筋和腰筋需适当加强;
（4）当因净高要求，加腋大板的框架梁需上反时，应保证板下的梁剩余高度不小于两个方向的楼板加腋高度，即框架梁无法像普通楼板一样做到梁底平楼板底;
（5）地下室楼板后浇带应尽量避免沿楼板加腋位置布置，以免施工不便;
（6）因框架梁配筋在采用弹性板6计算后，计算配筋量只有刚性板方案计算结果的0.5～0.6倍，考虑到框架梁可能出现的塑形受力状态，实际配筋时可以将梁配筋计算结果放大1.2倍作为安全储备;
（7）因加腋大板的拱壳效应，为防止楼板支座处开裂，实际配筋时，可以适当放大支座处的楼板负筋;
（8）YJK楼板有限元计算结果宜采用单元中心值进行配筋，且板单元尺寸宜划分小一点，以使框架梁位置处的楼板计算结果能单独成格显示，避免拉大楼板配筋计算值;
（9）为实现框架梁两侧弯矩平衡，尽管梁两侧板加腋部分的底筋计算结果可能不同，但尽量人为调整成配筋一致。
3.5.3 加腋大板的构造与图纸表达
目前加腋大板的施工图表达尚没有统一的规定，现介绍本项目使用的加腋大板表达方法，供各位同行交流指正。
本工程地下室顶板图纸中，板加腋部分在垂直加腋宽度方向的配筋根据有限元计算结果确定，平行加腋宽度方向的板底配筋统一按构造设置 12@150，非加腋部分的楼板底筋按照列表法表达。因同一跨内楼板加腋的尺寸相同，故在列表法中通过加腋板编号，可以同时表达楼板的厚度、加腋尺寸及非加腋部分的钢筋设置。加腋板的模板尺寸及板底配筋的具体表达方式详图2。
根据楼板有限元计算结果，加腋大板的内力分布与无梁楼盖类似，存在类似“柱上板带”的区域，故本工程地下室顶板板顶配筋使用“加强板带”的形式，通过区分“加强板带”与“其余区域”，并使用板顶通长筋和附加筋相结合的方式，较为经济地设计和表达加腋大板的上层钢筋。具体表达详图3。
结语：
大型商业地产项目往往对工程造价控制严格，本文主要从基础与地下室顶板两方面介绍了一个大型商业地产地下室在结构设计过程中进行的选型、经济性比较和设计细节思考，可供类似地下室项目参考。
参考文献：
[1]韩剑飞.地下室顶板常用结构形式的经济性探讨[J].住宅与房地产，2020（05）：36+49.
[2]张颖，文元.地下室顶板不同梁板布置形式的经济性探讨[J].建筑结构，2013，43（S2）：59-62.
[3]傅学怡.实用高层建筑结构设计[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[4]刘维亚，何远明，邓毅，黎少峰.加腋大板设计方法研究[J].建筑结构，2016，46（15）：5-10.
[5]成佳泰.地下室顶板加腋的设计方法及应用探讨[J].工程建设，2018，50（07）：42-46+61.
[6]李光雨.加腋大板楼盖受力性能研究[J].建筑技术开发，2018，45（01）：9-11.
作者简介：
禹曼琳（1992-），女，汉族，硕士，工程师，主要从事结构设工作。
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