浅析地下室中加腋大板的简化计算及应用

　　摘要：加腋大板是一种受力合理，经济节约的大跨度楼板，特别是在荷载较大的地下室结构方案优选中，它是一种较好的选择。但加腋大板的计算较复杂，一般情况下需采用 Etabs等高级软件，而本文则向读者详细介绍加腋大板的两种简化计算方法。

　　关键词：加腋大板;变截面楼板;大跨度楼板;SLABCAD;STRAT

　　Abstract: haunched big board is a kind of stress is reasonable, economical and save the large span floor, especially in the basement of the big load structure scheme optimization, it is a good choice. But the big board haunched calculation is more complex, usually must be adopted such as Etabs senior software, and this paper is to introduce readers detailed haunched big board of two kinds of simplified calculation method.

　　Keywords: haunched big board; Variable cross-section floor; Big span floor; SLABCAD; STRAT

　　中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

　　【引言】

　　在常规的地下室建筑中，普遍采用十字梁或井字梁的结构布置来满足建筑和设备专业的大空间和大柱距的要求，但这样做不仅影响建筑的局部净高，还使常规结构复杂化。为此本文介绍一种新的受力合理、经济节约、简洁明了的大跨度楼板结构—变截面加腋楼板(简称加腋大板)

　　【工程概况】

　　工程案例： 广州某大型居住小区的地下室顶板。该地下室柱网采用8.4m X 8.4m。在顶板的某个柱网格子内存在以下情况：该处下面是设备房，设备房由于净高的要求不允许其上的楼板加次梁，而此楼板上的荷载为覆土荷载(覆土高度是按种植土要求的1.5米)和消防车荷载。此时需要结构设计一块8m X 8m的大跨度楼板。此大板如采用加腋大板，其构造如下图所示。

　　加腋大板的不同在于，楼板支座附近的楼板厚度加厚了。从力学理论分析可知，加厚支座附近的楼板之后，将会使楼板支座附近的负弯矩增大，同时减少了楼板跨中的正弯矩，即这种楼板厚度的改变使得整个楼板的弯矩图向上抬高，这意味着构件内力的分布更加均匀。所以加腋大板可以具有更大的跨度和更高的承载力。

　　对于这种加腋大板，笔者提出两种经济可行，简单可靠的不依赖Etabs等高级软件的加腋大板简化计算方法并详细讲述：

　　第一种方法：我们可以巧妙的利用pkpm中的slabcad模块来简化计算这种加腋大板。具体操作如下：

　　i)先在pmcad中建立8mX8m网格的单层框架结构，该框架结构的梁柱截面任意输入;ii)在此8mX8m网格内，网格四边各用两道虚梁再细分几个小网格。两道虚梁的位置应对应于楼板加腋边缘及加腋中部;iii)在此加腋大板的各个细分网格内输入对应的楼板厚度，其中跨中板厚按种植土相关规范的要求取250mm，而在加腋区的细分网格的板厚可近似输入对应的加腋板板边的厚度;以上操作示意图如下。这样就通过虚梁的划分，在pmcad中的一个8mX8m网格内实现了变厚度楼板的输入。

　　PMCAD输入示意：

　　然后输入荷载及材料等级：其中附加恒载27kpa(考虑1.5m高覆土荷载)及活载18kpa(消防车荷载，并考虑覆土的折减系数，见文献[1]附录C);砼等级按混凝土耐久性设计规范取C35;钢筋采用三级钢。至此完成pmcad的输入，保存退出。

　　接着进入slabcad模块中的楼板数据生成子模块分析这块加腋大板，步骤如下：i)先输入计算参数：板单元长度取500，为计算的准确，此数值最好小于楼板的加腋长度的一半;ii)用菜单“楼板修改”中“楼板厚度”子菜单检查各细分网格的板厚是否正确;iii)用菜单“约束输入”输入楼板边界约束，本工程为四边嵌固;iv)用菜单“生成数据”进行单元划分及生成数据，如上右图所示。

　　接着进入楼板分析子模块进行计算，计算完毕后，再进入分析结果输出子模块查看结果图，汇总如下：

　　楼板计算配筋：支座面筋1957mm2，跨中底筋821mm2 ;

　　楼板最大变形：3.06mm;楼板最大裂缝：0.18mm。结果均满足规范要求。

　　故实配钢筋为：支座处为D12@150(通长)+ D16@150(附加)，跨中处为D14@150，

　　说明：由于slabcad不能显示裂缝值，故我们需从slabcad的结果图中查找恒载和活载对应的内力标准值，再自行用morgain或理正等结构软件计算裂缝。此时还要注意，新版的砼规范(2010版)对裂缝计算公式做了更改，主要的更改就是裂缝计算不再使用标准值，而是使用准永久值(本工程准永久值取：1.0恒+ 0.6活)。

　　第二种方法：我们可以使用经济可靠的国产通用有限元分析软件STRAT计算。STRAT是由上海交通大学的谢靖中博士开发的有限元分析软件。这款软件除了有正式版发售外，还提供了免费版(500节点限制)给用户下载。

　　下面，我们就用STRAT的免费版V5.2版计算这块加腋大板。由于STRAT具有CAD导入功能，故我们可以先在CAD中画好有限元分析所需的网格图，如下图所示 (网格长度控制在0.5米左右)。然后将此图另存为DXF文件。

　　接着打开STRAT进入图形前处理模块Prep，用文件菜单中的接口输入导入此DXF文件。继续执行以下步骤：i)用“工具”菜单中的“交点分图”命令形成有限元的节点;ii)用“工具”菜单中的“网格成图”命令框选网格并输入对应厚度的楼板单元;iii)用“属性”菜单中的“节点约束”命令输入楼板边界约束;iv)用面单元加载命令输入荷载，附加恒载27kpa，活载18kpa;这样就完成了有限元计算数据的输入。如下图所示：

　　Strat中的截面图：

　　接着设置计算参数，在“荷载”菜单中的总体参数设置中，去掉动力反应谱及风荷载的勾选，因为加腋大板无需计算地震及风等水平力，之后再去“文件”菜单中生成STRAT计算文件。至此完成前处理Prep的输入。然后进入第二个子模块Strat完成计算。

　　再进入第三个子模块Plots(通用后处理)，此时我们还需执行以下步骤完成配筋计算：

　　i)在“计算”菜单中单击荷载组合，设置活载准永久系数为0.6，并添加规范荷载组合;

　　ii) 在“计算”菜单中单击板单元配筋，设置板钢筋为三级钢，点击确定计算;

　　最后用“显示”菜单中的“显示板配筋图”及“显示变形”命令查看结果图，汇总如下：

　　楼板计算配筋：支座处为1900mm2，跨中处为800mm2 。

　　楼板最大变形为 3.10mm，楼板最大裂缝为0.18mm。结果均满足规范要求。

　　此结果与第一种方法相比较，两者相差无几(<3%)，这也说明国产通用有限元软件Strat的计算是可靠的。如需更准确的计算，可以直接使用此软件提供的变厚度板单元。

　　两种方法的总结：这两种计算方法的结果相差无几，但在具体操作上各有利弊，一个是采用我们熟悉的pkpm软件，另一个则可以利用方便的cad导入功能。这两种方法都是近似计算，因为它们都忽略了加腋大板的起拱效应，并未将加腋大板看作是双向拱的拱壳空间结构来计算。但是它们都已能满足工程需要。

　　【总结】

　　总结加腋大板的设计计算，需要注意以下几点：

　　1)加腋高度一般可取板厚的1.5~2倍，加腋的斜率一般可取1:4~1:8。

　　2)楼板加腋处主要承受负弯矩，其底部的砼为板的受压区，故楼板加腋处的板底斜筋可比跨中底筋少一个钢筋等级，但板底筋间距相同。

　　3)加腋楼板的附加面筋伸入板内的长度一般可取1/4 板跨，但要注意验算此1/4 板跨负筋及相邻通长负筋能否完全包络住负弯矩。因为力学分析表明，加腋楼板的弯矩图一般会比普通楼板的弯矩图有所抬高。

　　除了设计计算外，我们还需关注加腋大板的经济技术性能。关于这点，笔者引用文献[5]的资料，广州某房地产公司对某个地下室结构所做的大跨度楼板的三种结构方案比较，结果如下表所示：

　　从上表中看出，加腋楼板的每平方米砼用量稍微多出其它方案，但钢筋用量却比其它方案节省20%左右。综合造价加腋楼板节省10%左右。

　　综上所述，加腋大板是一种受力合理，经济节约的结构形式，它特别适用于荷载较重、柱距较大的地下室结构中。过去加腋大板的计算普遍依赖Etabs等高级结构软件，而本文则提供了新的计算替代方法。希望它有助于加腋大板这种结构形式的推广。

　　参考文献：

　　[1] 新版《建筑结构荷载规范》 (征求意见稿)

　　[2]《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010

　　[3]《SLABCAD用户手册》

　　[4]《通用有限元软件STRAT使用手册》

　　[5] 浅析加腋大板在地下室结构工程中的应用—樊计清，民营科技，2009年第6期

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文章名称： 浅析地下室中加腋大板的简化计算及应用

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