普通地下室结构设计要点分析

2013-04-29刘笑春胡海波谢红艳

中外建筑 2013年8期

关键词：固端抗浮侧墙

刘笑春胡海波谢红艳

摘要：针对普通地下室结构设计，论述了嵌固端确定方法及对结构设计的影响，从荷载、内力分析及构造要点的角度，对地下室底板、侧墙和底板等关键结构设计进行了分析，并强调了抗浮验算和超长裂缝控制，以供类似工程参考。

关键词：地下室结构；嵌固端；顶板；侧墙；底板；抗浮验算

中图分类号：TU354

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）08-0119-01

1 前言

随着社会经济的发展，从使用功能和经济的角度考虑，一般高层建筑均设有地下室。在地下室设计中，因地下室结构环境较为特殊，影响因素较多，结构受力也较为复杂，对地下室结构进行科学合理设计的对于安全和经济性具有重要的意义。本文针对普通地下室结构设计中一些设计要点和需特别注意的地方进行分析，以供类似工程参考。

2 嵌固端的确定

从理论的角度看，嵌固端是指除能承受轴力、弯矩、剪力之外，位移和转角均为零的部位。从工程的角度看，不存在纯理论上绝对嵌固，嵌固端只是一个区域，嵌固也是相对的嵌固，是在强震作用下可能首先发生屈服、出现塑性铰的部位。嵌固层的确定关系到局部构件内力、配筋调整和抗震等级确定等问题，因此需在结构计算过程中尽早明确。

抗规[1]和高规[2]均从板厚、梁板和柱配筋、侧向刚度比等角度对确定嵌固层做了相应规定，也对局部构件内力及配筋调整作了要求，同时对地下室顶板作为嵌固端地下室抗震等级也做了相关规定。两本规范提法略有不同，但是基本原则基本一致。文献[3]在结合规范的前提下对此做了更深入的总结归纳，对于规范不明确的地方也做了相应的建议。

3 地下室顶板设计要点

3.1 荷载分析

地下室顶板需考虑荷载主要有覆土自重荷载、活荷载、消防车荷载以及施工荷载。覆土自重荷载和活荷载较容易确定。

消防车荷载因荷载大也备受设计人员关注。消防荷载与板的受力形式和跨度有关。从经济的角度考虑，应根据消防车道布置确定需考虑消防车荷载范围，尽可能与总图设计人员沟通，使消防车荷载布置范围最小化。考虑覆土厚度影响，可根据荷载规范[4]附录B对消防车荷载进行折减。荷载规范给出的消防车荷载为已考虑消防车动力系数，当顶板覆土时可对其进行适当折减，折减系数可以参照荷载规范[4]附录B给出数据。

因施工运输或材料堆放等不可避免对顶板产生作用，因而需充分考虑结构顶板施工荷载，施工荷载可参考文献[5]按每平方米不宜少于10kN选取，构件承载力验算时，施工荷载的分项系数取1.0。

3.2 构造要点

作为上部结构嵌固部位，在相关范围内应采用梁板结构，板厚不宜小于180，配筋采用双层双向，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。不作为上部结构嵌固端时，也应考虑地下室顶板实际存在的嵌固作用，厚度不宜小于160mm，配筋采用双层双向，配筋率应较普通楼板有所加强。

抗震设计的高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层相关范围的抗震等级应按上部结构采用，对于嵌固端应根据规范[1，2]对梁柱节点部位内力进行调整，以便实现首层柱下端为“弱柱”设计，达到强震时首层柱底屈服、出现塑性铰。

4 地下室侧墙设计要点

4.1 荷载及内力分析

地下室侧壁受力情况较为复杂，主要受到各种不同方向、不同形式荷载的共同作用，综合起来可分为竖向荷载和水平荷载。竖向荷载主要为上部结构及地下室楼盖结构传递荷载及侧墙自重，水平荷载主要为侧向土压力、地下水压力、室外地面活载或堆载。侧墙承受的侧向土压力引起的效应为永久荷载效应，侧向土压力宜取静止土压力[6]。静止土压力系数，对一般固结土可取1-sinφ（φ—土的有效内摩擦角）；当无试验数据时，对砂土可取0.34～0.45，黏性土可取0.5～0.7。水位不急剧变化的水压力按永久荷载考虑，水位急剧变化的水压力按可变荷载考虑[6]。

根据工程经验，通常水平荷载产生的弯矩对地下室侧墙配筋起控制作用，为便于计算对其合理的简化，不考虑与竖向荷载组合的压弯作用，仅按水平荷载产生弯矩计算侧墙的配筋。

地下室外墙可根据支承情况按双向板或单向板计算水平荷载作用下计算。在工程设计中，一般按楼板和基础底板作为外墙板的支点按单向板计算，在基础底板处按固端、顶板处按铰支座。当地下室顶板与墙身厚度相近时，顶板处可按固端，此时地下室外墙顶部配筋应与地下室顶板配筋同时考虑；对于有扶壁柱的侧墙，应根据扶壁柱弯曲刚度与侧墙弯曲刚度的大小对比，判断扶壁柱是否可作为侧墙支座，从而确定侧墙是否可按四边支承进行内力分析；扶壁柱按上端简支、下端固支进行受力分析及配筋。

4.2 构造要点

地下室侧墙通常长度较长，除满足承载力要求外，抗裂也是地下室侧墙设计需考虑的一个重点。为控制温差和干缩引起的垂直裂缝，混凝土强度等级不应采用高强度，一般可取C30；侧墙竖向和水平钢筋应双层双向布置，水平分布筋直径宜采用小直径钢筋。对一般墙体，配筋率不宜小于0.3%，钢筋间距不宜大于150mm[2]；部分设计单位编制技术措施中，对于超长外墙，配筋率应不小于0.5%，钢筋间距不大于150mm。

除满足混凝土规范[7]要求外，尚应满足地下防水技术规程[8]要求：1）结构厚度不应小于250mm，一般不小于300mm。2）裂缝宽度不得大于0.2mm，并不得贯通；3）钢筋保护层厚度应根据结构的耐久性和工程环境选用，迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm。该要求较混凝土规范有所提高。

5 地下室底板结构设计要点

5.1 荷载和内力分析

根据基础的型式，可以按底板是否作为基础组成部分考虑。一种底板作为基础部分考虑，如筏板和箱型基础等，底板结构主要承受荷载有底板结构自重和装修层重量、底板面活荷载、竖向向上基底反力、水浮力。另一种底板不作为基础部分考虑，如桩基、独立基础等，底板结构主要承受荷载有底板结构自重和装修层重量、底板面活荷载、水浮力。不管何种型式底板，水浮力在底板计算中均占有重要影响。水位不急剧变化的水浮力按永久荷载考虑，水位急剧变化的水浮力按可变荷载考虑。设计时应根据实际情况采用不同的荷载组合，特别注意的是当恒载对结构有利时分项系数去1.0，当活荷载对结构受力有利时不考虑活荷载。

一般情况下，底板配筋通常由水浮力和基底反力起控制作用，迎水面的钢筋均由裂缝控制，根据弯矩大小的不同，可比相应的强度计算配筋增大约20%～55。

5.2 构造要点

根据结构受力特点，底板可以选择平板式或者梁板式。同外墙一样，底板除满足受力要求外，还要满足地下室抗渗、防水要求。

地下室底板厚度、配筋不宜太小，作为基础组成部分的底板厚度不宜小于400mm；只作为抗水板不作为基础部分考虑时，厚度不宜小于250mm，一般取300mm以上。底板配筋除满足计算要求外，为防止裂缝产生，最小配筋率可适当提高，一般情况下可取0.30%。

底板的混凝土垫层，强度等级不应小于C15，厚度不应小于l00mm，在软弱土层中不应小于150mm[8]。

双向支座钢筋尚应有1/3-1/2贯通配置，跨中钢筋应按实际计算的配筋全部贯通。

当采用独立基础加抗水板的型式时，应在抗水板下铺设一定厚度的具有一定强度和压缩性材料，如泡沫聚苯板等，避免因基础沉降使抗水板成为满堂底板。

6 抗浮验算和超长裂缝控制

6.1地下水与抗浮验算

抗浮验算首先是要正确确定上浮力，尤其是抗浮设计水头，地下水位及其变幅是地下室抗浮设计的重要依据，当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位；当无长期水位观测资料时，可按勘察期间实测最高水位并考虑地下水补给、排泄条件等因素综合确定；若只考虑施工期间的抗浮设防，设防水位可按水文库的最高水位确定[9]。

文献[10]要求验算建筑物抗浮能力应满足：建筑物自重及压重之和/浮力作用值≥1.05。在地下室上部有多高层建筑时通常能满足抗浮验算，而地下室上无上部建筑，且无覆土或者覆土较少，当抗浮设计水位较高时，地下室可能存在整体抗浮验算不满足要求，此时应采取抗浮措施时，应按工程具体情况区别对待。

6.2 地下室超长和裂缝控制

地下室一般情况下不设永久性缝，这就会造成地下室结构整体超长，而应采取防止裂缝的措施，目前较为常见的方法有：设置膨胀加强带、设置后浇带、加强配筋。根据实际情况可以综合采用。

7 结语

在地下室设计前期，需先确定嵌固端位置，在现行规范基础上，确定地下室结构抗震等级，并相应的对局部构件内力和钢筋进行调整，以便在嵌固端部位实现上部结构为“弱柱”的设计。

在地下室顶板、侧墙和底板等关键结构设计时，应仔细分析构件所受荷载及受力特点，合理选取计算模型，同时结合工程中实际发生的教训，科学的采取恰当的构造措施，达到安全经济的效果。

重视地下室的抗浮验算，当不满足抗浮要求时，应才是合理的措施进行抗浮设计。地下室由于超长极易产生裂缝，在设计中应采取有效的措施防止裂缝产生。

参考文献：

[1]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].2010.

[2]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].2010.

[3] 朱炳寅.建筑结构设计规范应用图解手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4] GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].2012.