随着经济的发展, 私家车的数量日渐增多, 停车难的问题日益突出, 缺少停车位、占用道路和空地停车的现象已变得日益严峻。地下车库可以节约城市用地, 合理有效利用地下空间, 为解决停车难提供了一种有效的解决方案, 已得到广泛采用。

　　 地下车库顶盖结构需要承受上部结构或覆土荷载, 同时可能承受消防车荷载, 承受的荷载比普通楼盖和屋盖结构要大得多, 有时可能达到普通楼盖和屋盖结构承受荷载的10倍以上。因此, 地下车库顶盖结构在重载下的合理设计是地下车库设计中的关键, 影响到结构的使用性与经济性。已经有较多学者对地下车库顶盖的选型、设计方法、经济性进行了研究, 地下车库顶盖结构按形式可分为梁板式、空心式、无梁式等, 按是否施加预应力可分为无预应力、主梁施加预应力、全结构施加预应力等。近年来, 地下车库顶盖结构从传统的梁板式逐步向无梁式、预应力方向发展^[1,2]。

　　 另一方面, 近年来钢-混凝土组合梁板结构在楼盖、屋盖工程中得到了越来越广泛的应用^[3,4]。相关资料表明, 组合梁板结构承载力高、刚度大, 相比于混凝土结构, 具有截面小、自重轻、跨越能力大、抗震性能好的优势;相比于钢结构, 具有结构高度小、使用空间大、避免失稳问题、节省用钢量、综合造价低的优势^[5]。组合梁板结构相比于混凝土结构与钢结构都具有显著的优势, 尤其适用于重载、大跨结构。

　　 地下车库顶盖具有重载的特点。由于上部荷载较大, 为控制顶盖的经济性指标, 目前地下车库柱网尺寸一般较小, 实际工程中使用的地下车库跨度一般有7.2m×7.2m, 8.1m×8.1m, 9.4m×9.4m等^[6]。重载特性导致的经济性问题成为地下车库跨度设计的一个限制性因素, 组合梁板结构的使用在适应地下车库重载条件的同时能够放宽跨度设计限制, 使地下车库的设计向大跨方向发展成为可能。

　　 本文将结合某地下车库顶盖钢-混凝土组合梁板结构工程设计实例, 详细介绍大跨、重载地下车库组合结构顶盖的设计方法以及其中的重点、难点, 同时介绍地下车库组合梁板结构顶盖的构造细节与施工细节。最后, 本文将结合其他形式顶盖对组合梁板结构在地下车库中的应用进行经济性与适用性的比较。

　　 某地下车库顶盖工程, 建筑面积15万余平方米, 柱网采取17.1m×6.0m布置 (梁跨17.1m) 。顶盖上部承受恒载标准值42.0kN/m², 活载标准值5.0kN/m², 基本设计组合值61.6kN/m²。

　　 由于工程旁边有湖泊, 为降低地下水浮力对底板的影响, 减小开挖深度尤为重要, 因此降低顶盖结构高度成为控制因素, 希望顶盖结构高度能控制在1 000mm以下。考虑在6.0m纵跨梁下走线, 纵跨梁的高度无限制, 采用普通混凝土梁即可;17.1m横跨梁下行车, 顶盖结构高度由该横跨梁的高度控制, 因此, 降低该横跨梁的高度是设计关键。

　　 该地下车库顶盖工程主要有以下特点:1) 面积大, 涉及面积15万余平方米, 对顶盖的每平米造价敏感;2) 荷载大, 外部荷载基本组合值61.6kN/m², 是一般楼盖、屋盖结构的10倍以上;3) 跨度大, 设计跨度17.1m, 而一般地下车库顶盖跨度在10m左右;4) 层高小, 旁边有湖泊, 需尽量控制顶盖结构高度, 希望控制在1 000mm以下;5) 工期紧, 尽量预制装配并简化施工。

　　 地下车库顶盖传统的结构形式一般为普通混凝土结构或预应力混凝土结构, 目前国内尚未有组合结构或钢结构形式的报道。该工程中由于荷载大、跨度大、结构高度小等因素, 普通混凝土结构已经无法满足设计要求, 方案比选主要在预应力混凝土结构与组合结构间进行。在施工方面, 组合结构自重较轻, 吊装方便, 且采用钢-混凝土叠合板组合梁的顶盖结构, 轻型大跨, 预制装配, 快速施工, 无脚手架和支模工序。在工期方面, 预应力混凝土虽可以预制, 但制作时间长, 从订货到交货的周期可能要半年到一年, 从而间接延长了工期, 而组合结构工期相对较短;造价方面, 两种结构的总造价相当, 但组合结构没有支模、预应力张拉养护等方面的造价。组合结构方案施工方便、工期短、经济性好, 综合效益显著, 经过比选, 最终决定采用组合结构方案。

　　 顶盖平面布置如图1所示, 采用简支单向组合梁方案, 使用Q345钢, 受梁高限制, 同时为节省用钢量, 采用C50混凝土以提升结构的塑性极限承载力。结构采用钢-混凝土叠合板组合梁方案, 混凝土翼板构造如图2所示, 施工时先铺设预制板, 布置钢筋后浇筑后浇层混凝土, 无脚手架和支模工序, 便捷快速。由于顶盖结构高度控制设计, 同时由于地下结构防水要求, 混凝土顶板厚取250mm, 其中预制板厚120mm, 后浇混凝土厚130mm。一般简支组合梁的经济高跨比为1/16～1/20, 此处重载情况下不再适用。为了确定合适的钢梁高度与钢梁间距, 进行了方案的试算, 得到的估计用钢量与钢梁高度、间距的关系如图3所示, 其中钢梁高度为钢梁与混凝土板的总高。从图3可见, 用钢量随钢梁高度的增大而减小, 开始减小较快, 钢梁高度每增加100mm, 用钢量下降10kg/m²左右, 钢梁高度超过1 500mm后减小较慢, 钢梁高度每增加100mm, 用钢量下降3kg/m²左右;用钢量随钢梁间距的增加有一最小值出现, 此最小值出现在间距2～3m之间, 其中2m方案比3m方案上部混凝土钢筋用量更少。由于结构高度限制, 综合比较之后最终选取900mm钢梁高度、2m钢梁间距的顶盖结构布置方案。钢梁间距为2m时不需要布置次梁。

　　 在确定混凝土板厚、钢梁高度、钢梁间距后, 进一步进行钢梁截面的设计与优化。由于荷载较大、梁高较小, 组合梁设计时跨中正截面弯矩和支座斜截面剪力同时起控制作用。弯矩和剪力沿梁纵向变化较大, 为减小用钢量, 采用变截面设计。钢材参数设计时尽量符合钢板模数以方便加工, 同时不造成边角料浪费, 所以采用在两端支座2.55m处变截面的方案。组合梁截面参数如表1所示, 截面示意见图4, 腹板满足高厚比限值要求, 无需配置腹板加劲。

　　 顶盖结构采用单向钢-混凝土叠合板组合梁方案, 可以简化为单梁设计, 相关的理论计算方法与有限元计算方法已经比较成熟。本文参考相关文献^[7,8], 采用理论计算方法与有限元计算方法对结构的内力、应力、变形进行了计算, 其中对使用阶段运用两种方法进行了计算, 对施工阶段仅使用有限元方法进行了计算。有限元计算在MIDAS Gen软件中进行, 采用双梁法进行建模。

　　 表2为使用阶段的计算结果, 其中有限元计算结果不能直接得到整个组合截面的弯矩, 表格中的最大弯矩按下式计算:

　　 ${\rm M}={\rm M}{}_{\text{c}}+{\rm M}{}_{\text{s}}+{\rm N}d{}_{\text{c}}(1)$

　　 式中:M_c, M_s, N分别为有限元计算的混凝土截面弯矩、钢梁截面弯矩、两截面轴力 (钢梁截面与混凝土截面轴力大小相等、方向相反) ;d_c为理论计算得到的混凝土截面与钢梁截面的形心距离。

　　 表2中的有限元计算最大剪力直接取混凝土、钢梁两部分剪力之和。从表2中可见两种计算方法的结果基本一致, 使用阶段验算满足要求。

　　 表3为施工阶段的计算结果, 施工阶段活载5kN/m², 跨中设一个临时支撑, 从表3可见施工阶段验算满足要求。

　　 舒适度验算时将所有恒载以及活载的一半转化为质量参与计算。顶盖上部覆土有较大的重量, 其刚度和阻尼目前没有合适的方法考虑, 只考虑上部覆土重量而不考虑其对刚度贡献的方法显然是偏于保守的, 也是不准确的。

　　 对于此例, 本文采取更为准确的峰值加速度指标来进行顶盖舒适度的验算。我国高规JGJ 3—2010^[9]给出的一般商场或室内连廊的舒适度指标为:竖向自振频率不大于2Hz时, 峰值加速度限值为0.22m/s²;竖向自振频率不小于4Hz时, 峰值加速度限值为0.15m/s²;竖向自振频率在2～4Hz之间时, 峰值加速度限值按线性插值选取。美国钢结构规范AISC^[10]给出的一般商场的舒适度指标为:峰值加速度限值为1.5%g (g为重力加速度) 。同时美国钢结构规范AISC给出了峰值加速度计算方法, 是目前世界上较为先进的设计方法。本文基于有限元分析得到的顶盖一阶竖向自振频率, 依据美国钢结构规范AISC给出的方法计算峰值加速度, 参照我国高规JGJ 3—2010以及美国钢结构规范AISC的峰值加速度限值对顶盖进行舒适度指标验算。计算结果表明, 只考虑上部覆土重量而不考虑其刚度贡献的顶盖一阶自振频率为2.43Hz, 依据美国钢结构规范AISC方法计算得到的峰值加速度为0.052m/s² (0.54%g) , 小于我国高规JGJ 3—2010限值0.205m/s²及美国钢结构规范AISC限值1.5%g, 舒适度验算满足要求。

　　 一般组合梁支座处腹板剪力不起控制作用, 此例中采用工字形截面, 梁高小, 荷载大, 支座处腹板剪应力大, 对设计起控制作用。一般简支组合梁在支座处的节点采用高强螺栓连接, 只连接腹板, 以形成简支条件。经验算, 由于支座节点处剪力大, 使用高强螺栓连接时需要采用M27-10.9级螺栓在650mm高的钢梁范围内按6排3列布置, 螺栓多, 施工复杂, 且腹板开洞对抗剪承载力削弱严重, 需要增加的腹板厚度较大。经比较, 决定采用腹板不削弱的搭接节点设计, 钢梁整体加工直接搭接在两端混凝土梁的牛腿支座上, 支座设■40钢筋从钢梁下翼缘方孔中伸出, 以避免地震等工况下落梁的可能性。钢梁下翼缘方孔尺寸为80mm×60mm, 大于钢筋直径, 以保证简支的计算假定成立。对于内部混凝土梁, 其两侧均有组合梁搭接节点, 由于顶盖主要承受静载, 混凝土梁所受的扭矩较小;对于外立面处的混凝土梁, 只受单边组合梁传递而来的偏心竖向力, 需要着重考虑此处混凝土梁的抗扭性能。梁柱节点处, 除上述构造外, 在柱端同时预埋端板, 端板在组合梁受恒载后通过盖板与组合梁的腹板焊接连接, 这样可以保证结构在受侧力时组合梁可以传递轴力, 有利于地震等工况下柱的协同受力。为改善节点处混凝土翼板可能存在的约束弯矩与裂缝问题, 除采用抗裂配筋外, 节点区450mm范围内不设栓钉, 不构成组合作用, 混凝土翼板不再承受组合作用带来的内力。此外, 此区域内的混凝土在跨中部混凝土参加工作并进行了部分回填土的压重后再进行浇筑, 可有效改善结构性能。梁梁节点与梁柱节点构造如图5所示。

　　 由于顶盖结构承受较大荷载, 混凝土翼板有可能形成纵向劈裂裂缝, 且成为结构设计的控制因素, 根据我国组合结构规程DL/T 5085—1999^[11], 单位长度上的抗剪强度v_{lu, 1}按下式计算:

　　 $v{}_l{}_{\text{u},1}=0.9b{}_{\text{f}}+0.8A{}_{\text{e}}f{}_{\text{r}}<0.25b{}_{\text{f}}f{}_{\text{c}}(2)$

　　 式中:b_f为受剪界面的横向长度;A_e为单位长度上横向钢筋的截面面积; f_r为横向钢筋的强度设计值, f_c为混凝土抗压强度设计值。

　　 我国组合结构规程DL/T 5085—1999规定的纵向受剪界面如图6 (a) 所示, a-a, b-b界面承受全部纵向剪力。此例中采用工字形钢梁截面设计, 上翼缘较窄, 采用常用配筋时b-b截面难以满足纵向抗剪验算, 需要增加底部配筋量。采用叠合板设计时, 底部预制板伸出的胡子筋参与抗劈裂计算, 当配筋量较大时胡子筋较多, 和栓钉的位置关系复杂, 可能导致施工不便。为了减少预制板中的配筋量, 同时简化施工, 提出了如图6 (b) 所示的局部附加配筋的配筋方式, 附加配筋面积为A_w参与纵向抗剪, 施工时布置于预制板上部的后浇层内。此种配筋方式下形成的新的a-a, b-b, c-c界面, 如图6 (b) 所示, 按式 (2) 计算完全满足纵向抗剪要求。此方法节省了钢筋用量, 且简化了施工。

　　 此工程涉及到的建筑面积大, 每平米顶盖结构造价敏感, 经济性也是设计的重要指标。表4给出了结构的材料用量与造价, 其中材料价格均参考文献[6]中的定价, 此定价考虑了材料、人工、机械台班等因素, 较为全面。造价核算中计入了长跨度方向组合梁与短跨度方向混凝土梁, 其中组合梁的相关指标上文已给出, 混凝土梁截面取600mm×2 000mm (抗剪控制截面高度设计) , 配筋率取1.5%。从表4可以看出, 在17.1m×6.0m柱网布置、顶盖高900mm的条件下, 考虑材料、人工、机械台班等因素的组合梁板顶盖结构的造价为1 339.4元/m²。

　　 文献[6]给出了在柱网9.4m×9.4m、承受30kN/m²恒载与20kN/m²活载情况下的顶盖结构造价, 造价包括双向板、井字梁、空心板结构等形式。其中, 双向板顶盖高1 750mm, 造价899.7元/m²;井字梁顶盖高1 650mm, 造价1 033.2元/m²;空心板结构顶盖高900mm, 造价809.0元/m², 文献[6]中没有考虑层高影响的基坑下挖对造价的影响。本文使用两跨度方向均为组合梁的方案, 取用相同的设计条件和相同的顶盖高度进行了组合梁板结构顶盖的设计, 并与文献[6]中最经济的空心板结构形式进行了经济性对比。造价对比如表5所示, 组合梁板结构相对于空心板结构虽增加了用钢量, 但减少了混凝土用量与钢筋用量, 同时省去了内膜和模板部分的造价, 综合造价更低, 更为经济。相对于双向板等形式, 组合梁板结构还可以省去支架和模板等, 效益更加明显。由于组合梁板结构更适用于大跨、重载情况, 在更大的跨度下, 如本文中的17.1m, 组合梁板结构相比于其他形式的顶盖应当更具优势。由于目前尚缺少大跨度情况下普通混凝土结构、预应力混凝土结构、空心板混凝土结构顶盖的相应设计资料, 大跨度情况下的经济性比选有待进一步进行。

　　 相关文献^[1,2]表明, 目前地下车库工程中常用柱网尺寸柱距一般不超过10m, 本工程横跨向柱距为17.1m, 柱距较大。大跨度方案的采用会改善地下车库的使用功能, 减少土方开挖量, 增大使用面积, 同时增加美观性。但另一方面, 大跨度方案的使用会增加顶盖的结构造价。因此, 有必要考察大跨度柱网在地下车库中使用的经济性。

　　 为满足停车要求, 一个车位的净占地面积为12～15m², 同时停车位需要对应地配置相应的行车道, 这就使得每个车位平均占地面积更大。相关文献^[12]表明, 柱网增大时有利于停车位与行车道的布置, 每个车位的平均占地面积将下降, 当总建筑面积一定时, 大柱网方案可以提供更多的停车位。文献[12]给出的柱网在9m×9m左右时平均每个车位的占地面积为28.5m², 经计算, 本文中17.1m×6m柱网方案平均每个车位的占地面积为22.5m²。取单个停车位的净占地面积为15m², 则两柱网方案的停车位净面积率分别为0.526, 0.667。取单个停车位的售价为15万元, 则净面积每平米停车位的售价为1万元, 将停车位净面积率从0.526提高到0.667, 由此带来的收益为10 000× (0.667-0.526) =1 410.0元/m²。与此对比, 大柱网方案的结构造价仅增加1 339.4-786.7=552.7元/m², 可见大柱网方案由于在相同占地面积下提供了更多的停车位, 具有更大的经济效益。

　　 本文结合某地下车库顶盖采用组合梁板结构工程设计实例, 详细介绍了重载、大跨条件下地下车库顶盖组合梁板结构的设计方法与相关构造措施, 并进一步进行了经济性分析和与其他类型顶盖结构的对比, 可以得出以下结论:

　　 (1) 组合梁板结构在重载、大跨条件下适用性好, 将其运用于地下车库顶盖结构可以有效降低结构高度, 减轻自重, 实现较为特殊条件下的工程要求。

　　 (2) 叠合板组合结构受力性能好, 预制板兼做混凝土浇筑模板, 构造简单, 预制装配, 施工方便, 应用于地下车库顶盖工程可有效加快施工速度, 缩短工期, 且大面积、标准化预制可降低成本。

　　 (3) 地下结构顶盖舒适度设计采用峰值加速度指标控制更加合理, 建议采用我国高规JGJ 3—2010以及美国钢结构规范AISC提出的相关控制与计算方法。

　　 (4) 采用与钢板尺寸模数相配合的变截面设计以及无腹板削弱的搭接支座设计可以节省材料用量, 简化施工流程。

　　 (5) 相比混凝土梁板结构顶盖或空心板结构顶盖, 组合梁板结构顶盖虽增加了用钢量, 但减少了钢筋、模板、支架用量, 且采用组合梁板结构顶盖可以更加有效地控制结构高度, 减少土方开挖量和运输量, 综合造价更低。

　　 (6) 采用大柱网方案的地下车库更有利于车位和车道的排布, 且减少了结构柱本身所占的面积, 在相同占地面积下提供了更多停车位, 综合效益显著。