地下室外墙计算模型的选择

2009-09-28储加健

中国高新技术企业 2009年16期

摘要：地下室外墙选取合适的计算模型是非常重要的，我们在实际的设计过程中，应对工程项目的具体情况进行具体的分析，应对地下室的顶板、底板、壁柱、内隔墙、垂直外墙、中间层楼板对外墙的支承作用进行合理的评价，从而选择相应合适的支座类型，并对外墙板的各个方向的支承跨度进行分析，通过分析选择合理的简化模型，只有这样，才能保证选择的计算模型符合实际，才能保证地下室外墙结构的经济与安全。

关键词：地下室外墙；计算模型；支座；跨度；支承作用

中图分类号：TU311文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）16-0181-02

一、问题的提出

在日常结构审核工作中，常常发现设计人在地下室外墙设计过程中所选择的计算模型与实际受力不符的情况。

例如：某项目地下室外墙有顶板无底板，墙顶与顶板相连，墙底设置的是条型基础，未设置内隔墙与壁柱，设计人员将该外墙按悬臂式档土墙考虑，显然没有考虑顶板对墙体的支承作用。

又例如：某项目地下室外墙无顶板和底板，设计人在墙顶布置一道暗梁，墙底处设置一道比墙体稍宽的地梁，而在计算时采用的却是上端简支，下端固定的单向板计算模型，如图1所示。这个计算模型显然是错误的。我发现很多设计人员经常不论地下室的外墙支承情况如何，都会机械的照搬如图1或图4的单向板计算模型，这在很多情况下与实际受力是不相符的。

二、地下室外墙受力模型分析

地下室外墙可以看成是竖向放置的板，主要承受侧向的土压力与水压力。当上部结构荷载主要由柱和剪力墙承受，外墙仅承受顶板的荷载时，则沿板平面方向的压力可忽略不计，外墙可以简化为以承受侧向压力为主的板式受弯构件。当上部结构的荷载较大且直接作用于地下室外墙上时，则沿板平面方向的压力不能忽略，外墙可以简化为以承受侧向压力为主的板式压弯构件。板构件的支承应根据地下室的层数、与外墙相连的壁柱及内隔墙、顶板、中间楼板与底板的支承情况综合考虑。一般地下室的顶板厚度较外侧墙薄，认为顶板对外侧墙的抗弯可以忽略，顶板对外墙仅提供垂直于外墙的轴力支承即简支。地下室的底板一般较厚，外墙下与底板相交处一般都设置一条较大的地梁，且底板下的地基土对底板的变形也起到一定的约束作用，故在这种情况下，认为底板对外墙除了提供垂直轴力支承以外，还提供完全的抗弯约束即固定支承。这其实都是为了计算方便而做出的简化假定，要知道在任何情况下都不可能有完全的简支与固定支承，因此在设计时对这样的假定所产生的不利影响应有足够的估计并通过构造手段处理。当不存在顶板或底板又没有其它足够的垂直支承时，相应端应按自由端考虑。当与外墙相连的壁柱较大或存在有垂直于外墙的内隔墙时，外墙可按多跨连续板考虑，壁柱或内隔墙可以作为多跨连续板的内支座，对外侧墙提供支承，当壁柱较小时，可忽略壁柱的作用，而将外墙按整块板考虑，当地下室超过一层时，则中间层的楼板也可以作为外墙连续板的中间支座考虑。

因此，地下室外墙的一般计算模型就是：以承受水土压力为主的，以顶板、底板、垂直向外墙、内隔墙、壁柱、中间层楼板为支承的多跨连续板。如图2所示。

必须指出的是：如果外侧墙的中间支座是壁柱的话，外侧墙对壁柱的侧向作用不能忽略，此时应将壁柱对外侧墙的支座反力反作用于壁柱，对壁柱进行压弯验算。

三、地下室外墙的模型简化

上一节提到的多跨连续板外墙计算模型非常符合实际，但要精确计算必须采用有限元分析方法进行。因此在实际设计过程中，可以将以上模型适当简化，以便于计算。

首先，可以将多跨连续板简化为单跨双向板，如图3所示，顶板或底板相连处可以按上一节的情况进行支座简化，中间支座处可以简化为固定支承。

值得注意的是，不同地下室的层高和内隔墙或壁柱的跨度是千变万化的，即使同一个工程的地下室的不同开间这些参数也不完全相同，因此对一个地下室的外墙不可能仅选用一个板块就解决整个地下室外墙计算，而要根据不同的开间和层高选取几个不同的典型板块进行计算才能保证整个外墙的经济合理与安全。

图3的计算模型适用于b/h＜2的情况。

有些工程不采用壁柱，或壁柱较小不计其作用，此时如简化为图3计算模型时，会出现b/h≥3的情况，根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002），10.1.2条第3小条，则可以简化为竖向的单向板进行计算，此时该计算模型就简化成了图1的计算模型。同样的另一个特例是二层地下室，无壁柱或内隔墙，开间远大于层高的情况下，可以简化为竖向的单向连续板，即图4模型，当然同样情形出现在多层地下室的情况下，则可以类推为相应的多跨单向连续板模型。必须注意，单跨和多跨连续的单向板计算模型只是地下室外墙计算模型比较典型的特例，不分场合和支座与边界情况机械照搬这些计算模型是错误的。

对于简化为图3计算模型时2≤b/h＜3的情况，按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002），10.1.2条第2小条的规定，建议最好仍按图3双向板计模型进行计算，也可以采用图1或图4单向板计算模型计算，此时应对水平构造分布筋适当加强。

现在回到第一小节提到的两个外墙实例。

第一个实例是：地下室外墙有顶板无底板，墙顶与顶板相连，墙底设置的是条型基础，未设置内隔墙与壁柱，由于墙底设有条形基础，基础的大放脚对墙身有足够的抗弯能力，所以墙底可按固定支承考虑，墙顶的顶板对墙身构成铰支。由于未设壁柱和内隔墙，开间远大于层高，可简化为竖向的单向板，因此该实例的最终简化的计算模型最接近图1。

第二个实例的地下室外墙无顶板和底板，中间设有与外墙相连的壁柱，由于没有顶板与底板，该墙的上下端应视为自由端，而以两壁柱为固定支座，形成如图5所示的水平单向板的计算模型，该外墙的主要受力筋应是水平钢筋，而竖向钢筋为构造分布筋，这与图1计算模型，主要受力筋为竖向筋，而水平钢筋为分布筋的情况正好相反，可见，计算模型选取错误，计算结果与实际配筋肯定是不正确的。

该例还需要注意的一点是，外墙板的主要支座为壁柱，则外墙对壁柱的侧向压力是不可忽略的，事实上，在将外墙压力添加到壁柱，对壁柱进行压弯验算后，壁柱的配筋比不考虑侧压力的情况下增加了50%以上。

该例的另一个处理办法是在项目允许的情况下在墙顶和墙底增加垂直于外墙的肋梁，形成板的支座，注意该肋梁应有足够的水平刚度，如图6所示，此时该外墙则可以简化为如图7的计算模型。

四、结语

地下室外墙选取合适的计算模型是非常重要的，不分场合不管实际的支承条件生搬硬套某一个计算模型是不对的，甚至是非常危险的。我们在实际的设计过程中，应对工程项目的具体情况进行具体的分析，应对地下室的顶板、底板、壁柱、内隔墙、垂直外墙、中间层楼板对外墙的支承作用进行合理的评价，从而选择相应合适的支座类型，并对外墙板的各个方向的支承跨度进行分析，通过分析选择合理的简化模型，只有这样，才能保证选择的计算模型符合实际，才能保证地下室外墙结构的经济与安全。