地下车库顶板预应力及普通混凝土方案的技术经济比较

地下车库顶板预应力及普通混凝土方案的技术经济比较
陈繁荣
摘要：本文对地下室车库顶板的三种结构布置：普通混凝土主次方案、梁板预应力方案、平板预应力方案进行技术分析及经济比较。
关键词：普通混凝土主次梁、梁板预应力、平板预应力、柱帽。
某地下车库为超长结构(外包尺寸为143.65m×144.2m)，主要柱网有8.4m×9m，8.4m×8.7m等，地下室顶板结构原设计为普通钢筋混凝土结构(主、次梁结构)。由于结构超长、柱网较大、且顶板的覆土荷载较大，考虑到预应力混凝土结构适用于重载、大跨、超长结构，对于本工程的地下室顶板采用预应力混凝土结构(可采用梁板预应力方案或平板预应力方案)有可能取得较好的效果。
为进一步说明问题，对本地下室顶板结构设计的三种方案进行技术经济比较。比较时选取一有代表性的标准柱距范围进行。

一.三种方案(普通混凝土方案、梁板预应力方案、平板预应力方案)简介
1.普通混凝土主次梁方案
框架主梁截面 600×1000
次梁截面 400×700
板厚 250
层高3.7m(净高2.7m)
结构简图及配筋简图见图1所示

图1 普通混凝土主次梁方案示意图
2.梁板预应力混凝土方案
取消上述方案的次梁，板厚不变(仍为250mm)，主梁截面改为750×800，如图2所示。采用此方案后，如不改变原方案的地下室层高，则净高可增加200mm(由2.7m增加为2.9m)。如不改变原方案的地下室净高(2.7m)，则层高可减小200mm(由3.7m减为3.5m)。梁板的预应力及普通钢筋的配筋简图见图3。

图2 梁板预应力方案简图图3 梁板预应力方案的预应力和普通钢筋配筋简图

预应力筋采用直径15.24mm，极限强度标准值为1860Mpa的低松弛预应力钢绞线。梁、板均施加预应力，其中梁内预应力筋为有粘结筋束，板内预应力筋为无粘结筋束，双向配置。
3.平板预应力混凝土方案
采用带柱帽的无梁楼盖(平板结构)，板厚取350mm，其平面示意图及柱帽尺寸见图4。采用此方案后，如不改变原方案的地下室层高，则净高可增加650mm(由2.7m增加为3.35m)。如不改变原方案的地下室净高(2.7m)，则层高可减小650mm(由3.7m减为3.05m)。平板预应力方案的预应力及普通钢筋的配筋简图见图5。

图5中的板内预应力筋均为无粘结筋束，双向配置，并按跨中板带和柱上板带分别配置。

二.各方案的技术经济比较
1.材料用量比较
(1)梁板材料用量比较
根据前述各种方案的简图，一个柱距范围内三种方案的钢筋和混凝土用量比较见表1,其中梁内钢筋重量考虑了纵筋、腰筋、箍筋、吊筋等，但均为一个标准柱距内的理论重量，未考虑锚固区长度、损耗等因素。
表1 梁板材料用量比较(一个柱距范围内)
序号方案类型混凝土体积(立方) 钢筋重量(吨) 说明
1 普通混凝土方案梁板共29.9m3 梁板普通钢筋
共重5.94t 其中梁筋重4.15t
板筋重1.79t
2 梁板预应力方案梁板共26.2m3 预应力筋1.08t
普通钢筋2.41t 其中梁内预应力筋0.25t，板内预应力筋0.83t；梁内普通钢筋1.07t，板内普通钢筋1.34t
3 平板预应力方案板和柱帽共29.3 m3 预应力筋0.92t
普通钢筋1.34t

根据上述对照表，可以初步推算出整个地下车库范围(包括1号和2号车库，总面积按22300m2考虑)内按照三种方案的梁板材料用量。
方案2相对于方案1而言，梁板混凝土体积少1091.0 m3，普通钢筋用量少1041.3吨，增加了318.6吨钢铰线。
方案3相对于方案1而言，梁板混凝土体积少177.0 m3，普通钢筋用量少1356.9吨，增加了271.4吨钢铰线。
(2)柱墙材料用量比较
前已述及，如果三种方案的净高相同，则方案2和方案3均能有效降低地下室的层高(方案2比方案1可降低层高0.2m，方案3比方案1可降低层高0.65m)，并可由此大幅减少地下室柱、墙的混凝土和钢筋用量。
经估算，方案2和方案3的柱墙混凝土体积分别比方案1少135.2 m3和439.3 m3，柱墙配筋量分别比方案1少12.7吨和41.4吨。
(3)梁板及柱、墙材料总量比较
由上述(1)、(2)的比较可以得到，在整个地下室范围内：
方案2比方案1减少混凝土用量1226.2m3，减少普通钢筋用量1054.0吨，增加预应力筋用量318.6吨；
方案3比方案1减少混凝土用量616.3m3，减少普通钢筋用量1398.3吨，增加预应力筋用量271.4吨；
2.经济比较
(1)混凝土和普通钢筋
根据上述材料用量，按照目前的市场价格信息即C40商品混凝土综合单价按500元/ m3(包括材料、运输、浇筑的直接费、间接费、税金等)，钢筋综合单价按5500元/吨(包括材料、运输、加工、绑扎、连接、损耗的直接费、间接费、税金等)，则可以得出：
方案2的混凝土和普通钢筋的总价格比方案1低641.0万元。
方案3的混凝土和普通钢筋的总价格比方案1低799.9万元。
(2)预应力筋
方案2的预应力综合造价(包括预应力筋的材料及加工、施工等费用)如按15500元/吨，则预应力部分的造价为493.8万元。
方案3的预应力综合造价为420.7万元。
(3)总造价比较
由(1)、(2)可知，采用预应力方案2，地下车库总造价可以降低147.2万元；采用预应力方案3，地下车库总造价可以降低379.2万元。此外，如采用预应力方案(方案2或方案3)，因地下室层高可以分别减小0.2m和0.65m，土方开挖量可分别减少4460m3和14495m3，而且地下室的体积及上浮力的相应减小可以减小抗拔桩的造价。由于层高的降低，暖通专业的风量减小，前期投入及后期使用、维护费用均有所减少。
3.其它比较
除上述比较外，普通混凝土方案和预应力混凝土方案还可以从使用性能、施工进度等方面比较如下：
(1)使用功能
采用预应力方案可以改善结构的抗裂性能。若采用普通混凝土楼盖可能会由于混凝土材料的收缩以及温度应力，再加上很大的外荷载，从而导致地下室顶板的开裂渗水。而采用后张无粘结预应力无梁楼盖体系对于超长无缝结构有很好的效果，这是因为采用预应力可以通过在板内建立预压应力，使混凝土处于受压状态，可以抵消收缩和温度应力，防止裂缝的出现。此外，普通混凝土结构的竖向挠度比较大，而预应力混凝土构件在正常使用状态下的挠度非常小，受力性能可以得到显著改善。
另外由于层高降低，使得汽车坡道变缓或变短，使用性更加舒适。
(2)施工进度
采用预应力方案可以大大简化模板的施工，采用预应力方案2可以取消次梁模板支设，预应力方案3则完全取消了梁，显然大平板的施工进度明显比常规的主次梁结构快。预应力施工所增加的工期仅仅体现在铺束需要一定时间，只要合理安排流水施工，并不单独占用工期，张拉等工序在混凝土浇筑后与其它工序同步进行，不影响施工进度。根据大量工程的实际施工经验，采用预应力平板方案最有利于加快施工进度。
三.结论
1．对于地下室车库顶板，根据以上分析，采用预应力混凝土方案3（无梁楼盖方案）为最优方案，该方案减小了层高0.65m，大幅降低了工程造价，加快了施工工期，改善了结构的受力性能和建筑使用功能，有效解决了超长结构收缩和温度裂缝问题，因此预应力方案3宜优先考虑；
2．基于同样原因，对于地下室底板采用预应力技术可以降低用钢量，降低工程造价，改善抗裂性能，在许多大体量的地下室中得到普遍采用，在本工程中具有明显优势。