小柱网地下车库结构设计

小柱网地下车库结构设计

马学东

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

[摘要] 小柱网地下车库较常规大柱网，梁的跨度减小，可有效减小梁的弯矩设计值，从而减小结构梁高度和配筋；小柱网地下车车库顶板的计算跨度在合理的区间，顶板配筋得到充分利用，采用无次梁结构布置方案，不但减少了模板用量和次梁钢筋绑扎工序，节省了造价，也提高了施工进度；小柱网使基础底板在抗浮工况下受力更为均匀，对减小基础底板厚度和配筋更为有利。

[关键词] 小柱网地下车库；抗浮设计；预制混凝土方桩

0 引言

地下车库在整个项目投资中所占的比重非常大，为了降低成本，无梁楼盖结构体系一度倍受甲方青睐，然而由于无梁楼盖结构体系冗余度较低，近来事故频发，地下车库采用小柱网（如5.5x（5.0+6.4）m）较常规大柱网（8.10x8.10m）可有效减小地下车库梁高，从而降低地下车库层高，降低土建造价，小柱网地下车库成为甲方新宠。本人结合所做的项目，对小柱网地下车库设计做一些技术探讨。

1 工程概况

本地下车库位于苏州市相城区，为单层全埋地下机动车库，上带13栋25~27层高层住宅，地下车库约253x208m,地下车库层高为3.5m，地下车库顶板覆土厚度为1.4m。标准柱跨为5.5x（5.0+6.4）m。主要设计参数见表1。

主要设计参数 表1

2 上部结构设计

2.1地下车库顶板结构布置方案

由于地下车库采用小柱网，标准柱跨为5.5x（5.0+6.4）m，地下车库顶板结构布置有以下两种方案：

方案一：只布置主框架梁，不设次梁（仅在消防车通行区域，布置单向次梁），主框架梁截面为300x700,地下车库顶板厚度为250mm，典型跨结构布置见图1；

方案二：框架梁布置同方案一，为减小地下车库顶板计算跨度，沿5.5m柱跨方向设一道单向次梁，次梁截面为300x700，支撑该次梁的框架梁截面由300x700调整为350x700，地下车库顶板厚度为250mm，典型跨结构布置见图2。

图1　方案一典型跨结构布置图

图2　方案二典型跨结构布置图

2.2 荷载取值

地下室车库顶板覆土厚度为1.4m,抗压工况覆土容重取18kN/m³,同时考虑板底抹灰及吊挂荷载，地下车库顶板附加恒荷载统一取26 kN/m²,附加活荷载取5.0kN/m²，消防车荷载按规范^[1]取值；抗浮工况覆土容重取16kN/m³,保守计算，不考虑板底抹灰及吊挂荷载。

2.3 结构计算分析

采用赢建科建筑结构计算软件对方案一和方案二进行计算分析，梁板混凝土强度等级均采用C35,所用钢筋级别均为HRB400。方案一与方案二梁板计算结果分别见图3~6。

图3　方案一梁配筋计算简图

图4　方案二梁配筋计算简图

图5　方案一板配筋计算简图

图6　方案二板配筋计算简图

由计算结果可知，方案一因不布置次梁，两个方向框架梁受力更为均匀，长跨方向框架梁纵筋最大配筋率在1.2%左右，钢筋配置比较经济合理；地下车库顶板，板底配筋值多为构造配筋，局部板跨略大位置，板底计算配筋比构造配筋略有增加，而板顶配筋采用通配钢筋加支座附加筋的方式，即经济又合理，在有消防车道和消防登高面位置，由于消防车荷载较大，如方案二沿长跨方向布置单向次梁，梁板配筋率比较经济合理。方案二由于增设了次梁，改变了导荷方向，短跨方向框架梁配筋显著增加，纵筋配筋率在1.8%左右，梁箍筋配筋率也显著增加。由于板跨只有2.5m,对于250mm厚的地下车库顶板计算配筋均小于构造配筋，板厚的作用不能充分发挥。因此，从材料强度是否能充分利用角度考虑，方案一更为合理。

2.4 结构含钢量及混凝土用量

鉴于地下车库结构超长，地下车库顶板均采用双层双向通长筋+支座附加筋的配筋方式，方案一及方案二地下车库顶板通长筋均采用10@150双层双向布置。地下车库梁配筋在满足规范^[2，3]构造要求的同时，为了避免梁柱节点处钢筋过多，造成施工不便，框架梁底筋采用部分不伸入支座。

经计算分析，由于方案二地下车库顶板板跨较小，板配筋均为构造配筋，而方案一由于地下车库顶板板跨较大，支座板面需附加钢筋，因此方案一比方案二地下车库顶板钢筋量每平米多用5.1kg，但由于方案二增加了一道次梁，引起方案二梁用钢量显著增加，经综合计算，方案一比方案二每平米增加用钢量0.2 kg，混凝土用量每平米减少0.024m³。具体结构含钢量及混凝土用量见表2。

结构含钢量及混凝土用量 表2

2.5 结构造价

经对苏州市建材市场调研，并经该项目甲方确认核实，本工程结构经济性对比参考的材料单价（含施工费用）见表3。

材料单价（含施工费用） 表3

方案一与方案二每平米造价对比：

每平米因钢筋用量增加所增加的造价约为：5.4x0.2=1.08 ↑

因无次梁，每平米减少的模板造价为：82*(0.45+0.45)/（5.0+6.4）/2=12.95 ↓

减少的混凝土量为0.024x742=17.81 ↓

因此，方案一比方案二每平米节省造价：12.95+17.81-1.08=29.68元↓

由此可知，小柱网地下车库采用无次梁结构方案最为经济，每平米节省造价约为29.68元，因方案二增设了次梁，模板及混凝土用量增加，遭整土建造价显著提高。

3 基础设计

3.1 水文地质

本工程±0.000标高相当于绝对标高4.100m(85国家高程)，地下车库顶板覆土完成面相对标高为-0.300m，地下车库底板板面相对标高为-5.200m，根据某地质勘查单位提供的岩土工程勘查报告，基底持力层为④粉土夹粉质粘土，且拟建场地内地下水位较浅，抗浮设计水位为本工程室外地面设计标高以下0.50m，即85国家高程3.3m。本地下车库需进行抗浮设计。

地基土承载力特征值及抗拨桩设计参数分别见表4~5。

地基土承载力特征值 表4

桩基参数一览表 表5

3.2 基础选型

由于地下车库埋置较深且荷载较轻，地下车库基础设计时，在高水位地区往往由抗浮工况控制，需进行抗浮设计，即使在低水位工况下，天然地基的承载力也能满足设计要求，且该地下车库采用小柱网，柱底力约为常规大桩网的40%,因此，为充分利用天然地基的承载力，本地下车库抗压工况采用天然地基，地基持力层为④粉土夹粉质粘土层，地基承载力特征值140kPa,基础形式为筏板加柱墩，地下车库底板厚为350mm，柱墩厚度为700~800mm。混凝土强度等级C35。地下车库抗浮采用边长为400mm的预制混凝土方桩，方桩混凝土强度等级为C40。

3.3 地下车库抗浮设计

取一个标准柱跨(5.5mx(5.0+6.4)m/2)进行抗浮计算，如下：

1)地下车库顶板覆土自重

覆土厚1.4m,抗浮工况覆土容重取16kN/m³,

16x1.4x5.5x(5.0+6.4)/2=702.24 kN

2) 地下车库梁板柱结构自重

地下车库顶板厚度为250mm,框架梁截面为300x700mm, 框架柱截面为400x450,地下车库层高3.5m，钢筋混凝土容重取25kN/m³,

梁板自重：

25x[0.25x5.5x5.7+0.3x(0.7-0.25)x(5.5+5.7)]=277.74 kN

框架柱自重：

25x0.4x0.45x(3.5-0.7)=12.6 kN

3)基础底板自重

基础底板厚度为350mm,保守估算，不考虑柱墩增加的结构自重，

0.35x25x5.5x5.7=274.31 kN

4)基底水浮力

抗浮设计水位相对标高为-0.3-0.5=-0.8m,地下车库基础底板板底标高为-5.2-0.35=-5.55m,水浮力考虑1.05的放大系数，地下车库一个标准柱跨的水浮力计算如下：

1.05x10x(5.55-0.8)x5.5x5.7=1563.58 kN

经上述计算分析，地下车库一个标准柱跨抗拔桩需提供的抗拔力为：

1563.58-702.24-277.74-12.6-274.31=296.69 kN

因此，该地下车库需设置抗拔桩，根据地质勘测单位提供的抗拔桩桩基设计参数，抗拔桩采用边长为400mm的预制混凝土方桩，有效桩长10m,单桩抗拔承载力特征值为340 kN，每个柱下一根。

4 结论

地下车库顶板覆土厚度和设计抗浮水位，是地下车库结构设计的关键条件，由于小柱网地下车库较常规大柱网，梁的跨度减小，梁弯矩设计值与计算跨度的二次方成正比，减小梁计算跨度，可有效减小梁的弯矩设计值，从而减小结构梁高度和配筋；地下车库顶板因防水构造的要求，顶板厚度不应小于250mm,采用小柱网且无次梁的方案，板的计算跨度在合理的区间，且顶板配筋得到充分利用，去掉次梁减少了模板用量和次梁钢筋绑扎工序，不但节省了造价，也提高了施工进度；在地下车库抗浮设计时，地下车库框架柱及抗拔桩，作为基础底板的竖向约束，小柱网使基础底板受力更为均匀，从而减小基础底板厚度和配筋，节省了土建造价。

参 考 文 献

[1] GB 50009—2012.建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] GB 50011—2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] GB 50010—2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：马学东，全国一级注册结构工程师。

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