丁敏宝,毛树果

地下车库的顶板加固及实例分析

丁敏宝,毛树果*

山东博宇建筑设计有限责任公司, 山东 泰安 271000

为保证地下车库顶板施工安全，本文在总结既有施工经验的基础上，提出车吊在地下室顶板上设备布局和施工的方案，并对其进行临时支撑钢柱加固处理，采用理论与有限元分析相结合的方法对180 t汽车吊在地下室顶板上行走和吊装过程进行模拟分析。通过某医院地下车库现场施工予以验证，证明该方案能够确保施工安全，达到预期的各项建筑指标要求。

地下车库; 顶板加固; 实力分析

随着土地资源的日益紧张，地上车位数量很难满足人们需求，地下车库被广泛应用，在现代建筑中，无论是住宅还是商场带有地下车库的建筑也越来越多。地下车库缓解了人们停车问题的同时也带来了麻烦。近年来，由于车辆超载、施工荷载超重和不按设计施工等原因导致地下车库塌陷的事故也层出不穷，带来了人员和经济的损失。由于很多地上结构的施工过程需要在地下车库顶板上进行，在汽车吊的吊装施工中，车库顶板作为施工的临时道路如何保证施工安全和怎样合理的选择加固方案，成为一个重要问题。

车库顶结构常用的加固方案有永久增强原结构法、支撑满堂脚手架和支撑钢柱等。目前对于如何的选择合适加固方案的还没有明确的指导建议。目前，国内已有学者做了地下室顶板作为施工道路时承载力的验算以及如何加固的研究。段开元[1]等根据地下室顶板兼做汽车吊行驶路线及吊装支点的施工要求，结合地下室顶板结构特点，提出了采用碗扣式钢管满堂支撑架对地下室顶板进行加固的方案，并通过详细的方案设计与验算，保证了方案的可行性与安全性。陈国梁[2]等针对在地下室顶板上进行超重钢箱梁吊装问题，提出采用支撑加固，通过Midas Gen软件对支撑圆管、路基箱、支撑下结构、吊车行走及吊装状态进行有限元分析，确保了施工过程的结构安全。刘重阳[3]等为确保250t吊车在地下室顶板安全行走，介绍了通过脚手架计算规则采用板底均布支撑，并合理布置现场吊车位置及桁架构件进场顺序，高效地完成了桁架结构安装。

文章借鉴上述研究思路提出影响加固方案的因素，并结合某重型汽车吊在地下室顶板上施工的工程实例，采用理论与有限元分析相结合的方法对汽车吊在地下室顶板上行走和吊装过程进行模拟分析。通过模拟分析确定汽车吊的合理行走和吊装方案，对不满足施工要求的构件选择合适的加固，并验证了加固方案的合理性，保证吊装施工的安全，旨在为类似的施工工况提供参考和借鉴。

1 加固方案的选择

1.1 加固方案的影响因素

加固方案的选择不是单一的施工问题，应该综合多重影响因素并结合工程自身特点，最终确定合适的加固方案。影响因素有经济效益、加固施工难度、加固施工周期、安全性和加固用途等。

1.2 不同加固方案的优缺点及适用条件

1.2.1 永久增强原结构法常见的永久增强原结构法包括增加楼板厚度或增大梁截面、梁板贴碳纤维布和贴钢板的方法。通过这些措施可以有效提升构件的承载能力，施工后不需要拆除，加固完成后不占用其他施工空间。这种方案施工周期比较长，设计时偏于保守可能会导致浪费材料，需要专业技术人员进行施工，对施工质量要求严格。该方案对原结构有一定的破坏，影响建筑美观，恢复难度大。由于构件截面的增大还可能影响建筑的使用要求，需要协调多个专业。当地下室顶板作为施工的主要通道，行驶车辆荷载较重，并且使用时间较长时可以采用永久增强原结构的加固方案。

1.2.2 支撑满堂脚手架法支撑满堂脚手架的方案不会破坏原结构的美观，对原结构影响较小，有着不错的的承载能力，所需脚手架的数量和间距需要根据计算来确定。工人能熟练的掌握支撑脚手架的技术，当加固面积较小时，施工周期较短，便于拆卸。当加固面积较大时，支撑数量较多，施工周期长，节点较多，不能保证施工的安全性，同时会影响地下室空间的正常使用。当地下室层数较多时，需要在每层都支撑脚手架，保证荷载有效传入地基中。该方法所需的脚手架数量较多，工人较多，造价较高。当地下室顶板作为临时道路且车载较轻，轮胎压力主要作用在楼板上时可以采用支撑满堂脚手架的加固方案。

1.2.3 支撑钢柱法支撑钢柱的方案适用于梁上作用较大的集中静荷载，梁承载力不足时的选择。该方法施工便利，方便拆除，有着较大的承载能力。支撑点较少，钢柱的承载能力大于支撑脚手架的方案，对地下室的空间占用较小，施工经济。在施工过程中需要保证钢柱和原梁处于顶紧状态，保证梁顶的集中力直接传给钢柱，撑钢柱应设在支撑点的正下方位置，可以避免出现较大偏心，产生附加弯矩，需要保证施工质量。当地下室顶作为临时施工的支撑结构，荷载作用较大且支撑点较少时，如汽车吊吊装作业时，可以采用支撑钢柱的加固方案，重型汽车吊停靠和支撑时应把支腿放置在柱或者主梁上，保证结构的稳定，防止楼板的冲切破坏。

1.2.4 增设钢梁法当施工的集中荷载较大，且无法避免作用到楼板上时，楼板的刚度较小容易发生冲切破坏，可以在楼板下采取增设钢梁的方法。钢梁需要与楼板顶紧，保证两者协同受力，在施工完成后钢梁可不需要拆除。该方案需要钢梁与原结构的有效连接，对原结构有一定的破坏。

当地下室顶板结构作为施工场地时，可以根据上述建议有效的采取合理的加固方案，有时也需要根据自身工程的特点采取多个方案相结合的加固方案。

2 工程概况及工程难点

2.1 工程概况

某综合医院地下一层，地上四层，采用框架结构体系，筏板基础。该医院综合楼与门诊楼之间设有多座钢连廊（人行通道），均采用全焊接钢箱梁[1]的结构形式，其中最重钢连廊约54 t，该连廊长度33.6 m，宽度2.7 m，连廊底标高约18 m。该医院主体结构已经施工完成，考虑到施工现场的结构布局等因素导致无法采用塔吊进行钢连廊吊装作业，拟采用180 t汽车吊对钢连廊进行吊装定位施工，如图1所示。由于该医院有一层地下车库，汽车吊需要在地下车库顶板上进行行走和吊装工作，为确保吊装施工的安全进行和地下车库结构的正常使用，需要对施工过程进行安全性分析[2-4]，并对不满足施工要求的构件选择合理的加固方案。

该医院地下车库柱距8.1 m，采用井字梁格楼盖，次梁间距2.7 m。主梁截面为550 mm×900 mm，次梁截面为300 mm×800 mm，车库顶板板厚为250mm，配筋为双层双向C10@150。梁板混凝土强度等级均为C30，柱混凝土强度等级为C35。

2.2 工程难点

（1）由于汽车吊自重较大，在地下车库顶板上行走时轮压荷载过大可能会超出原结构的承载能力，对原结构产生不利影响。为了确保安全施工的同时不破坏原结构的承载能力，需要对汽车吊在车库顶空车行走时对原结构受力影响进行模拟分析，找出合理行走方案。

（2）考虑到本工程吊装施工在地下车库顶板上进行，汽车吊支腿需要根据地下车库顶的现场结构布置来确定支腿的实际支撑位置，保证安全施工的正常进行。

图 1 钢连廊吊装施工现场

（3）在吊装过程中，由于汽车吊吊臂的旋转，支腿和钢连廊的相对位置会随着施工的进行而改变，支腿的受力状态也会变化，在任意吊装工况中都可能出现最大支点压力。需要对各种吊车工况下对结构产生的影响进行简化验算，找出最不利的吊装工况。如果施工荷载超过原结构的承载能力，应给予合理的加固方案。

（4）钢连廊吊装是临时施工，原结构还没有正式投入使用，对于不满足要求的构件应该采取合理的加固方式，在对原结构产生较小影响的前提下，既方便加固施工又便于拆除。

3 汽车吊参数

180 t汽车吊的轮胎轴距如图2所示。考虑到汽车吊自身的重量以及地下车库顶板的实际承载情况，为了尽可能减小汽车吊在行驶过程中对原结构产生不利的受力影响，汽车吊在到达吊装位置之前空车运行，到达吊装位置后再加上配重，汽车吊自重65 t，配重60 t。汽车吊空车行走时，按10个轮子考虑[5]，从车头到车尾轮胎承受近似轴荷由汽车吊厂家提供，轮胎着地面积约0.2 m×0.2 m，单个轮胎承受的最大压力约为75 kN。

图 2 汽车吊轮胎布置

图 3 汽车吊行走路线和停放位置

4 汽车吊空车行走时方案分析

以T轴-Y轴区域为例，汽车吊的行驶路线和停放位置如图3所示。采用通用有限元软件SAP2000对180 t汽车吊行走时地下车库顶板的承载力进行了计算复核，当承载力不满足施工要求时可采取支撑满堂脚手架的加固方案。

汽车吊在到达吊装地点前在地下车库顶板上空车行驶，地下车库的柱距是8100 mm×8100 mm，最不利楼板尺寸为次梁间楼板2700 mm×2700 mm。汽车吊最小轮距为1.5 m，当汽车吊行驶在T-Y轴的楼板上时，最不利荷载情况可能为单轮压在板中心和双轮均压在最不利板上，对汽车吊行驶在一跨结构上时整体建模分析，同时对两种最不利荷载情况下板的受力单独建模进行计算分析。

汽车吊行驶时由于速度较慢可按静力荷载考虑，在该过程中作用给地下车库结构的荷载是局部分布荷载，在进行简化计算时按照《建筑结构荷载规范》[6]的要求，需转化为等效均布荷载[7,8]作用在该楼板上进行计算。根据周边约束情况，将楼板简化为四边固定楼板[9,10]。

利用有限元软件[11]SAP2000对上述情况下的楼板承载能力进行验算。计算结果如下图所示。

图 4 汽车吊行驶在一跨结构上时弯矩云图

图 5 汽车吊行驶在一跨结构上时位移云图

图 6 单轮压在板中心时支座处弯矩云图

图 7 单轮压在板中心时跨中弯矩云图

图 8 双轮压在板中心时支座处弯矩云图

图 9 双轮压在板中心时跨中弯矩云图

通过对以上SAP2000弯矩计算结果进行配筋校核，当汽车吊单轮或者双轮行驶在T-Y轴楼板上时，支座和跨中计算配筋均小于板的实际承载力，当汽车吊行驶在整跨结构上时的车库顶板挠度小于设计限值，说明该区域楼板满足汽车吊正常行驶要求，不需要进行加固处理。

5 汽车吊吊装540 kN连廊时方案分析

采用通用有限元软件SAP2000对180 t汽车吊吊装钢连廊时地下车库结构的承载力进行计算复核，找出不满足吊装施工的构件，便于加固方案的选择。

5.1 吊装作业方案

图 10 汽车吊吊装时支腿布置

图 11 支腿布置定位尺寸

在进行钢连廊吊装之前需要根据现场结构布置确定吊车支腿的支撑位置，该工程的吊车支腿应该支承在结构的主要承力构件上。根据地下车库结构的梁柱布置结合现场吊车作业范围，最终确定在结构的18/19-FG轴对吊车支腿进行定位。采取西侧2个支腿支撑在主梁上，东侧2个支腿支撑在柱子上的定位方案。根据汽车吊支腿的作用面积，支撑垫板按照500 mm×500 mm来考虑。汽车吊吊装540 kN钢连廊时的支腿定位如图10和图11所示。

5.2 吊装工况

钢连廊在吊装作业过程中，随着汽车吊的旋转，钢连廊和汽车吊的相对位置也会随着改变，最不利支点压力可能出现在旋转过程中的任意工况中[12]。采取简化计算分析，吊车工况可以分如图10～图13所示的4种工况，并考虑楼面附加恒载1.5 kN/m2，活载2 kN/m2。

1）空载工况：汽车吊空车未进行吊装时4个支腿均分荷载。

2）吊装工况一：汽车吊吊装时东侧2个支腿承担所有的荷载，该工况下汽车吊的全部支点压力由两个支腿均传到地下室结构的柱顶。

3）吊装工况二：汽车吊吊装时北侧2个支腿承担所有的荷载，该工况下汽车吊的支点压力通过支腿一个传到地下室结构的柱顶，一个传到地下室结构的主梁上。

4）吊装工况三：汽车吊吊装时最东北侧1个支腿承担所有的荷载，该工况下汽车吊的全部支点压力由一个支腿传到地下室结构的柱顶。

5）吊装工况四：汽车吊吊装时最西北侧1个支腿承担所有的荷载，该工况下汽车吊的全部支点压力由一个支腿传到地下室结构的主梁上。

图 12 吊装工况一

图 13 吊装工况二

图 14 吊装工况三

图 15 吊装工况四

表 1 不同吊车工况下支腿受力状态

从上表可以看出，在汽车吊工作过程中，支点压力会随着钢连廊与汽车吊的相对位置变化而改变，其中空载工况下由4个支腿均分荷载时支点压力最小为312.5 kN，工况三和四的情况下单个支腿承担所有荷载时支点压力最大为1790 kN。

5.3 吊装作业时结构验算

对上述的空载工况和四种吊装工况下的主梁进行承载力验算，采用有限元软件SAP2000整体建模进行分析计算并与梁的实际承载能力进行对比，工况一和工况三的支点反力全部由柱子承担，两种工况下的支点反力小于1.2 m厚覆土的重量，考虑到覆土还未回填，所以两种工况下的柱子承载能力均满足施工要求，对其他三种工况计算结果如下图所示：

图 16 空载工况下梁支座处弯矩和剪力

图 17 空载工况下跨中弯矩和剪力

图 18 工况二梁支座处弯矩和剪力

图 19 工况二跨中弯矩和剪力

图 20 工况四支座处弯矩和剪力

图 21 工况四跨中弯矩和剪力

图 22 最不利工况下结构位移云图

5.4 支撑点下梁的承载力验算

五种荷载工况下局部受压承载力都大于支腿反力，局部承压满足施工要求。通过有限元软件SAP2000计算该梁在汽车吊施工过程中实际受力与其承载力进行对比结果如表2所示。

表 2 三种吊车工况下梁实际受力与承载能力对比

由上图和表结果可知，汽车吊空载工况和工况二时，该主梁满足施工要求。工况四时，主梁支座处抗弯和抗剪承载力均小于汽车吊吊装作业时计算值。所以工况四的情况下地下车库主梁承载力不能保证正常施工安全，最不利工况下梁板的最大位移为5.85 mm，变形满足施工要求。因此该地下车库结构的变形满足施工要求，但承载力不满足，为了保证钢连廊正常的吊装施工，应对支撑汽车吊支腿的主梁进行加固处理。

6 加固措施

汽车吊在吊装作业时，工况四的情况下主梁承载能力是不满足施工要求的，需要采取必要的加固措施保证施工的顺利进行。该施工属于梁上承受较大的集中荷载，梁的承载能力不满足施工要求的情况，根据前文对加固方案选择的建议，可采用梁下临时支撑[15,16]钢柱的加固方法。

钢柱按承担1790 kN荷载考虑，考虑分项系数1.5，钢柱截面建议采用300 mm×12 mm的圆钢管，柱顶设置600 mm×600 mm×20 mm厚钢板顶紧梁底，使混凝土梁将支点压力直接传给钢柱，保证两者协调受力，发挥钢柱支撑作用。该加固方案施工周期较短，保证了钢连廊吊装的有效进行，节约了工期和经济，施工完成后便于拆除，对原结构影响较小。

7 结论

文章针对地下室结构作为临时施工道路时如何保证施工安全性和怎样合理的选择加固方案进行了研究，根据不同的施工工况，给出了如何合理选择加固方案的建议。结合某医院基于地下车库结构上钢连廊吊装施工的工程实例，通过理论分析和有限元计算相结合的方法分析了重型汽车吊在行驶和吊装作业过程中对地下车库结构的受力影响。对不满足施工要求的构件采取了合理的加固方案，验证文章中提出的的加固方案选择方法的正确性，确保了吊装施工的安全进行。同时，加固方案的选择和其分析过程可为类似工程提供参考和借鉴。

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The Reiforcement of the Roof on Underground Park and Application Analysis

DING Min-bao, MAO Shu-guo*

271000,

In order to ensure the safety of the underground garage roof construction, on the basis of summarizing the existing construction experience, this paper put forward the car hanging in the basement roof on the equipment layout and the construction scheme, and reinforcement, adopt the method of combination of theory and finite element analysis on 180 t crane in the basement roof walking and lifting process simulation analysis. The site construction of a hospital underground garage proves that the scheme can ensure construction safety and meet the expected requirements of various building indicators.

Underground park; roof reinforcement; instance analysis

TU2483.3

A

1000-2324(2022)01-0150-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.023

2021-11-12

2021-11-28

丁敏宝(1971-),男,高级工程师,主要从事结构设计工作. E-mail:dmb9898@163.com

Author forcorrespondence. E-mail:maosg167@126.com