框架结构中半地下室设计探讨

2013-11-06刘鹏程刘士锋

山西建筑 2013年2期

刘鹏程刘士锋

(国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明 650216)

0 引言

半地下室是指房间地面低于室外地平面的高度超过该房间净高的1/3，且不超过1/2者。由于其可以通过窗户进行自然采光通风，既可以降低工程造价，又能充分的利用地下空间，因此半地下室在无人防要求的建筑上的应用越来越多。本文结合实际工程对半地下室的结构设计谈谈自己的体会。

1 工程概述

昆明地区某工程，地上4层，地下1层(半地下室)，结构总高度19．1 m，纯框架结构体系。本建筑的主要功能为办公、住宿以及森林火情的监测。本项目设防烈度为8度(0．20g)，拟建场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第三组。框架的抗震等级为二级。建筑剖面见图1。

2 半地下室设计分析

由于半地下室对上部结构的约束是非常有限的，因此结构的嵌固端必须取在基础顶部。在建筑的结构计算中，半地下室与上部结构必须整体考虑，从而半地下室的结构选型对整个结构的计算的影响是不可忽略的。本工程的结构计算采用SATWE进行弹性分析。

2．1 常规设计及存在的问题

对于半地下室的设计通常采用的方法主要有两种:

一种(后文称为“方法一”)是在地下室的挡土一侧设置剪力墙，由于建筑上需要通过大窗来进行自然通风采光，所以剪力墙的设置一般只高出填土高度的100 mm～300 mm，并不是沿底层柱全高设置(见图2);

图1 建筑剖面图

另一种(后文称为“方法二”)就是在主体结构外围另外设置挡土结构，即挡土结构与主体结构完全脱离，两者一般间距为1．5 m以上，保证地震时，互相不发生碰撞(见图3)。

方法一是较早普遍采用的一种设计方法，但在长期的实际运用中，特别是汶川地震后，发现这种结构形式破坏都非常严重，通过理论分析以及结构计算，发现其存在的问题主要表现在以下几方面:

1)由于地下室外围设置了刚度比较大的剪力墙，再加上侧向土体的约束，导致底层的侧向刚度较上部几层的刚度大了不少，就整个框架结构来说，刚度是极不均匀的，从而引起结构在变形、内力等效应上也极不均匀，对结构的抗震性能非常不利。

图2 半地下室设计方法一

图3 半地下室设计方法二

2)对于底层柱，在水平荷载作用下，由于剪力墙对框架柱的侧向约束，窗户所在的高度范围内就形成了短柱。短柱由于其净高很小，而柱的截面高度又是不变的，从而导致其剪跨比很小(一般都小于1．5，为极短柱)。短柱在地震中大多会发生剪切斜拉破坏(见图4)，几乎没有延性，是非常不利于抗震的。

图4 地震中发生剪切破坏的短柱

基于以上两点，目前在半地下室结构中已严禁采用方法一，并且GB 50011-2010建筑抗震设计规范3．7．4条作为强制性条文明确规定在框架结构中应避免出现短柱。

为了避免由于方法一所造成的结构对抗震的不利作用，结构设计人员提出了把方法二应用于半地下室的设计中。方法二是现在比较认可、成熟的一套设计思路，但还是有其应用的局限性，主要表现为:

1)由于挡土结构与主体结构完全脱离且必须保持一定的间距，这就要求建筑物的四周预留出一定的空间来满足设计的要求，从而导致了土地的浪费，特别是在城市规划区内，这对业主来说，是非常不情愿的。

2)在填方区，设置独立挡土结构，其挡墙的基础持力层比较深，处理起来非常困难，且造价比较高，很不经济。

方法二从结构的安全性来说，是可行的。但对于一些特定的项目，实施起来比较困难，且经济性较差。

2．2 悬臂式挡墙在半地下室结构中的应用

本项目从一开始也是准备采用方法二来实现半地下室的设计，但后来通过对场地及地勘报告的分析，由于项目拟建场地存在2．1中所述的两点限制，方法二的做法无法实施。

在方法一中，可以通过在剪力墙与框架柱之间设置缝隙来消除剪力墙对框架柱的约束，从而避免短柱的出现，且墙的刚度对主体结构整体刚度的贡献就很小了，这样就可以基本上避免方法一存在的问题。但设置缝隙后，墙的受力就不再具有剪力墙的特性了，且缝隙宽度需要科学确定。

笔者结合以前在公路部门的设计经验，分析设置缝隙后的墙的受力特性类似于公路上通常采用的悬臂式挡墙，其主要功能都是为了抵抗土体的侧压力。结合本项目的特点，对悬臂式挡墙做了如下优化:

1)主体结构的基础地梁作为悬臂式挡墙的基础，其挡墙的竖向荷载、水平荷载、扭矩等均由地梁承受，因此地梁需经专门计算，且在构造措施上也进行了适当加强(地梁箍筋全长加密、抗扭腰筋提高级别等)。经计算，地梁均能满足承载力的要求;

2)整个墙体的截面定义为不变截面;

3)取消基础与墙体间的加腋。

优化后的悬臂式挡墙能很好的与本项目结合，且满足建筑和结构的需要，其大样图见图5。

图5 悬臂式挡墙大样图（未注钢筋均为12@250）

悬臂式挡墙的计算采用理正岩土计算5．1版软件，对其抗滑移、抗倾覆、墙身的承载力及裂缝宽度进行了验算，均能满足规范要求。

为了保证地震时，悬臂式挡墙对框架柱不形成约束，且避免相互之间的碰撞造成的破坏，缝隙宽度参照GB 50011-2010建筑抗震设计规范6．1．4条来确定即按防震缝的宽度进行设置。经计算，8度区框架结构，总高度为19．1m的防震缝宽度为140mm。其缝隙间的防水均采用柔性材料(如沥青及卷材等)，具体做法详见西南11J 302-20。