地下室侧墙结构设计的若干问题讨论

何日雄

(广州市科城建筑设计有限公司，广东广州 510663)

地下室侧墙开裂渗水是地下室结构常见的工程质量事故，其中又以出现垂直方向的贯通裂缝最为常见。究其主要原因，其一是对地下室侧墙的模型简化与边界实际约束条件不相符导致配筋与构件实际受力不相吻合;其二是对超长地下室侧墙温度收缩应力考虑不足;其三是对侧墙后浇带施工处理不到位。

本文从设计角度去对地下室侧墙结构设计中所遇到的荷载取值及其组合，模型简化与边界条件等设计方法作出讨论。

1 荷载及荷载组合

1.1 水土压力的计算

一般地下室工程都为永久性工程，其受力状态与静止土压力模型较为吻合，因此通常采用静止土压力进行计算，确定静止土压力系数的方法主要有三种:

1)经验法:砂土为0.34 ～0.45，粘性土为0.5 ～0.7;

2)半经验公式:K0=1－sinφ;

3)日本《建筑基础结构设计规范》建议，不区分土的种类，K0均取为 0.50。

笔者认为，当地下室基坑工程采用自然放坡、临时性的钢板桩或土钉墙支护时，静止土压力系数宜采用经验法或半经验公式进行取值;当采用重力式水泥土墙、钢筋混凝土支护桩、地下连续墙等方式支护时，可采用日本规范的建议值取为0.50。

1.2 水位标高的确定及水压力的属性

地下水位受水文地质条件、季节的变化而变动，水文地质调查通常可以提供场地常年地下水位标高、历史最低地下水位标高及历史最高地下水位标高。对于降雨量较大的沿海地区，一般可取室外地坪标高作为历史最高地下水位。由于作用于地下室侧墙的地下水位标高在结构设计基准期内具有浮动性、可变性，因此水压力本质上属于活荷载。但确定设计中所取用的水压力这种活荷载标准值暂无标准。根据荷载标准值的定义:荷载标准值为在结构设计基准期T中具有不被超越的概率Pk，如图1所示，假定Hh，Hl分别为设计基准期T内最高水位标高与最低水位标高，Hk为在设计基准期T中具有不被超越的概率Pk的地下水位标高，则地下室外墙承载力极限状态设计时所考虑的水压力可分解为恒载部分和活载部分，如图1所示，所采用的荷载分项系数可按《建筑结构荷载规范》取用。由于水位标高的浮动具有较强的地域性，即使采用相同的Pk值，不同地区甚至相同地区不同水文地质条件下统计意义上的水压力标准值都可能不同。为便于设计，地下室侧墙承载力极限状态设计时水压力可按历史最高水位标高，沿海雨量丰富地区可将历史最高水位标高取至建筑场地室外地坪处。由于此水位标高在设计基准期内为极值，按此水位标高作为水压力荷载标准值时，其荷载分项系数可取为1.20。同样，正常使用极限状态设计时，理论上水压力应取为准永久组合值参与计算，当缺乏统计资料时，可近似取常年地下水位标高或者最高水位标高与最低水位标高的0.7分位值，即Hl+(Hh－Hl)×0.7，作为侧墙正常使用极限状态设计时所采用的准永久值水头压力高度。

图1 地下水位标高

1.3 荷载组合问题

作用于地下室侧墙的土压力可认为是恒载，水压力及地面超载(主要考虑侧墙邻近道路车辆等荷载)可认为是活载。笔者认为，作用于地下室侧墙的水压力荷载与地面超载同时出现峰值存在一定的概率问题，可按照《建筑结构荷载规范》进行荷载组合，当地面超载主要考虑路面车辆荷载时，组合值系数与准永久值系数参照汽车通道分别取为0.7与0.6。

2 模型及边界条件简化

地下室侧墙计算模型简化的准确程度往往直接影响到配筋的合理性，由于壳元模型与杆单元模型在杆长度方向不能耦合，目前各主流商业结构计算程序均不能对带扶壁柱(FBZ)的地下室侧墙进行准确的计算。因此将地下室侧墙从主体结构模型中剥离出来进行独立计算仍为多数结构设计师所采纳的方法。地下室侧墙一般同时承受着水平及竖向荷载作用，多数情况下以承受水平荷载为主，为大偏心压弯构件。当无上部塔楼传递竖向轴压力或侧墙轴压应力水平较低时，可近似偏于安全简化为受弯构件进行计算，否则按压弯构件进行配筋计算较为合理。

2.1 不带FBZ地下室侧墙(以单层地下室为例)

对于不带扶壁柱的地下室侧墙，通常根据实际边界条件简化为悬臂式模型、上端铰接下端固接模型或两端固接模型进行内力计算，如图2所示。

设计中较易被忽略的是侧墙底端固接的嵌固条件，笔者认为，当底板厚度不小于两倍侧墙厚度或底板厚度大于侧墙厚度且底板在侧墙外侧外挑长度不小于两倍底板厚度时，计算时将底板简化为侧墙嵌固条件可接近成立;当底板条件无法达到上述条件时，对于图2中b)，c)超静定结构模型，底端约束条件宜按半刚接支座考虑，可采用弯矩调幅的方法对端支座弯矩进行折减，调幅系数可取为0.7～0.9。不管底端支座约束条件如何，设计时均应按实际配筋反算侧墙底端外侧弯矩MW与底板底面弯矩Mb(如图3所示)在节点处是否平衡，当不能平衡时应采取加大底板在支座处底面配筋或对侧墙外侧弯矩调幅等措施使两者基本平衡。同理对于图2c)模型的上端固接约束，也需按节点弯矩平衡条件确定配筋。而图2b)模型上端铰接的简化则过于保守，实际工程中地下室顶板厚度一般不小于160 mm，对侧墙顶端仍具有一定的约束作用，设计时可按地下室顶板在侧墙支座处配设的负筋配筋量反算其抗弯承载力，根据节点处弯矩平衡条件，用该反算弯矩值作为地下到侧墙顶部铰接端的负弯矩值，进而降低侧墙底端及跨中弯矩。

图2 常见计算模型弯矩示意图

图3 节点弯矩

2.2 带FBZ地下室侧墙(以单层地下室为例)

对于带扶壁柱的地下室侧墙，如图4所示，分为侧墙与扶壁柱两部分进行设计，计算侧墙时需考虑扶壁柱刚度对其内力的影响，而计算扶壁柱时也需考虑侧墙刚度对其内力的影响，因此，只有采用有限元法按照扶壁柱与侧墙协同工作机理进行计算分析才能得到较为准确的内力结果。如采用手工计算时，以下两种常用简化值得商榷。

图4 扶壁柱（FBZ）受力图示

其一是计算扶壁柱时，按压弯构件进行计算所取用的轴向力直接采用上部结构传递下来的最小轴力组合值。笔者认为，由于侧墙对柱顶压应力有扩散作用，实际上扶壁柱轴压力沿柱高是逐渐减小的。对于大偏心压弯构件而言，计算时将扶壁柱轴压力考虑偏大则配筋偏于不安全。

其二是计算侧墙时，忽视扶壁柱的实际刚度，一律将两侧作为固定边考虑，如图5所示。笔者认为，当扶壁柱刚度较小时，此种简化导致侧墙内力分配不合理，扶壁柱支座水平筋配设过大而底端及跨中配筋不足。

图5 边界简图

图6 扶壁柱受荷简化图示

笔者认为采用传统手工简化计算的办法解决上述问题较为复杂，首先是扶壁柱沿柱高轴向压应力的函数关系不易获取，其二，扶壁柱与侧墙协同工作一般需采用有限元法才能得到较为准确结果。笔者运用有限元法对长宽比L/H≥1.5、扶壁柱高宽比h/b≥1.0的带扶壁柱侧墙分析(见图4)，得到以下经验数据供手工简化计算时参考使用:

由于侧墙侧压力沿高度方向是逐渐变化的，按双向板导荷方式传递至扶壁柱的侧压力荷载则不易手工计算，作用于扶壁柱的侧压力可近似取H/2宽度范围侧压力值进行计算(见图6)。

由上部结构传递到扶壁柱顶端的轴力，在侧墙范围内的扩散角θ近似按30°线性变化去确定扶壁柱相应计算截面的附加轴向压应力(见图4)。

当扶壁柱(FBZ)截面h≤1.5bW，扶壁柱可作为侧墙的弱支座，偏于安全考虑，设计时侧墙竖向配筋宜按无扶壁柱(忽略扶壁柱刚度)计算确定，侧墙水平筋根据混凝土纵向收缩情况构造配设，另在扶壁柱处宜附加侧墙水平支座短筋，附加短筋直径及间距取与该侧水平贯通筋一致;扶壁柱竖向纵筋宜按两倍扶壁柱柱宽(2b)范围内侧墙竖筋面积之和且不小于上层结构柱配筋量配设。

当扶壁柱截面1.5bW＜h≤2.0bW，扶壁柱刚度对侧墙内力分布具有较明显的影响，当B/H≤2.5时侧墙竖向配筋近似按无扶壁柱时的计算结果0.85倍～0.95倍取用，比值小时可取低值，B/H＞2.5则不宜进行折减，按单向受力考虑;水平筋可根据混凝土纵向收缩情况构造配设，另在扶壁柱处附加侧墙水平支座短筋，附加短筋直径较该侧水平贯通筋直径大一级，间距取为与水平贯通筋间距一致。扶壁柱竖向纵筋宜按三倍扶壁柱柱宽(3b)范围内侧墙竖筋面积之和且不小于上层结构柱配筋量配设。

当扶壁柱截面h＞2.0bW，扶壁柱可作为侧墙的较强支座，侧墙按双向板计算确定配筋量，扶壁柱配筋按压弯构件(需考虑轴压力时)或受弯构件(轴力较小时)计算确定。

3 结语

地下室侧墙承受的荷载作用复杂，模型简化对其计算内力影响较大，长期以来采用手工简化计算时，由于假定与实际条件的差异一般多易造成竖向纵筋配设过于保守，而水平纵筋配设过少，造成地下室侧墙出现垂直方向的贯通裂缝，出现渗水事故。因此，建议对于直线长度超过50 m的地下室侧墙，水平贯通筋间距不宜大于150 mm，配筋率不宜小于0.60%。简化计算时遵循实际刚度决定边界约束条件及其内力分布的原则，充分考虑各种客观条件，做到安全可靠、经济合理。

［1］GB 50068-2001，建筑结构可靠度设计统一标准［S］.

［2］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［3］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［4］GDA 0003-2012，高层住宅结构设计统一技术措施(广东省建筑设计研究院标准)［S］.

［5］李国强，黄宏伟，郑步全.工程结构荷载与可靠度设计原理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.