地下结构与构造设计探讨
2016-10-11金利华
摘 要：为了符合目前国家的政策，许多房屋都要设置地下室，不过在地下室结构设计与抗浮验算设计，现行国家主要结构设计规范并没有明确的规定。每人有不同的想法和思路，最终引来不一样结果。由于地下室成本占整个房屋建筑成本比率较大，因此如何正确把握地下室结构设计和构造很重要，笔者结合国家规范和地方标准，提出地下室结构设计和构造措施基本思路和方法，以便正确快速进行地下室结构设计和构造措施的确定，减少浪费，节约地下室投资。通过本文，在以后的地下室工程的设计过程中，可以引导他人能正确，快速进行地下室结构设计和构造措施确定。
关键词：地下室； 结构设计； 构造措施
Abstract： In order to comply with current national policy， many houses should be set to the basement， but in the basement structural design and the checking of Anti-floating design， structural design of the existing national norms are not clearly defined. Everyone has different thoughts and ideas， and they ultimately lead to different results. Basement cost of the total housing construction cost ratio larger， and therefore how to correctly grasp the basement structure is very important， I designed and constructed with the state standards and local standards， proposed the basic ideas and methods of the basement structural design and construction measures， in order to determine basement structure design and construction measures correctly and quickly and reduce waste， save the basement investment. Through this paper， later in the basement of the design process they can guide others can correctly and quickly to determine the basement structural design and construction measures.
Key words： basement； structural design； construction measures
目前情况下，地下室设置比较普遍，许多房屋都要设置地下室，不过在地下室结构设计与抗浮验算设计，现行国家主要结构设计规范并没有明确的规定。本人结合国家规范和地方标准，提出地下室结构构造设计与抗浮设计过程的想法，供设计人员探讨、参考。
1.地下室设计中有关规范的选用
在地下室设计计算过程中选用的现行规范有：《混凝土结构设计规范》，《人民防空地下室设计规范》，《地下工程防水技术规范》，《种植屋面工程技术规程》，《建筑结构荷载规范》（2006年版）等。
2.地下室的各种荷载选取
2.1地下室顶部：
2.1.1上部覆土：根据地下室顶板上部的实际覆土情况进行计算。
2.1.2 消防车道：双向楼盖（板跨不小于6mX6m），无梁楼盖（柱网尺寸不小于6mX6m）按20 KN/m2计算。单向楼盖（板跨不小于2m）， 按35 KN/m2计算。
2.1.3活荷载：按5 KN/m2取值。
2.1.4 水荷载：根据地下室顶板上部的实际水位情况进行计算。
2.2地下室侧墙荷载：
2.2.1 地下室顶板以外以上部分覆土引起的侧向压力。一般侧压力系数取0.5。
2.2.2 地下室侧向土压力：地下水位（抗浮设计水位）以上土侧向压力。地下水位（抗浮设计水位）以下土侧向压力。
2.2.3 地下室侧向水压力。
2.2.4 地下室外周边地面活荷载：10 KN/m2。
2.2.5 人防荷载：按《人民防空地下室设计规范》取值。
（注：抗浮设计水位为，国家规范没有明确规定，一般可按当地标准确定（地质报告中有明确数据）。福建省防洪设计的暂行规定要求：对重大工程按室外地面以上500mm高度确定。地质报告中没有明确数据的按室外地坪标高确定。地下室的防水设计水位：也就是地下水的最大水头，可按历史最高水位+1m确定，主要用于建筑室外防水设计及地下室室外防水和确定地下结构的抗渗等级。）
2.3 地下室底部荷载：
2.3.1地下室底部水浮力。
2.3.2地下室底板自重及底板上覆土自重，底板上面层自重。
3.地下室的各种计算系数选取
3.1防水混凝土等级：按《地下工程防水技术规范》见下表：
3.2防水混凝土结构底板的混凝土垫层强度等级不应小于C15，厚度不应小于100mm，在软弱土层中不应小于150mm。
3.3 防水混凝土结构，结构厚度不应小于250mm
3.4裂缝宽度不得大于0.2mm
3.5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
3.6《人民防空地下室设计规范》规定：承重钢筋混凝土外墙的最小厚度为200mm。
3.7混凝土结构设计规范》中规定当对地下室墙体采取可靠的建筑防水做法或防护措施时，与土层接触一侧钢筋的保护层厚度可适当减少，但不应小于25mm。保护层厚度大于50mm时采用钢筋网片保护。在设计中一般情况下与土接触的保护层选用为40mm并做好建筑防水面层。这样既满足了《地下工程防水技术规范》，又满足《混凝土结构设计规范》。
3.8混凝土等级：《人民防空地下室设计规范》规定：混凝土强度不应低于C20。一般情况下，混凝土强度等级宜低不宜高，常用C30，当地下室外墙有上部结构的承重柱，混凝土强度等级较高，此时进行局部受压验算。满足局部受压要求。
3.9各种力的分项系数：（竖向受力从上往下时）
恒载：对结构不利时按1.2（对由永久荷载效应控制的组合时取1.35），对结构有利时按1.0。
活载：对结构不利时按1.4，对结构有利时按0.0。
地下水压力：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。
土压力：土压力引起的效应为永久荷载效应，当考虑由可变荷载效应控制的组合时，分项系数取1.2，当考虑由永久荷载效应控制的组合时，荷载分项系数取1.35.侧墙土压力宜取静止土压力。
4.裂缝控制：
4.1地下室侧墙：与土接触一侧为0.2mm，室内为0.3mm（通风良好）
4.2地下室底板梁板：与土接触一侧为0.2mm，室内为0.3mm
4.3地下室顶板梁板：与土接触一侧为0.2mm，室内为0.3mm
但设计时底板梁板，顶板梁板采用0.25mm控制裂缝。
5.地下室各种材料：
5.1水泥品种宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥
5.2宜选用坚固耐久、粒形良好的洁净石子，最大粒径不宜大于40mm，泵送时其最大粒径不应大于输送管径的1/4，吸水率不应大于1.5%，不得使用碱活性骨料，石子符合国家现行规定。
5.3砂宜选用坚硬、抗风化性强洁净的中粗砂，不宜使用海砂，砂质量符合国家现行标准。
5.4防水混凝土中各类材料总碱量（Na2O 量）不得大于3kg/m3，氯离子含量不应超过胶凝材料总量的0.1%。
6.地下室计算
6.1抗浮验算
2006年版《荷载规范》第3.2.5条第3款规定：对结构的倾覆滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应按有关的结构设计规范的规定采用。
6.1.1广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）第5.2.1条规定：地下室抗浮满足下式：
W/F≥1.05
W——地下室自重及其上作用的永久荷载标准值的总和
F——地下水浮力（地下水浮力标准值）
6.1.2 北京市建筑设计技术细则（结构专业）第3.1.8条第5款规定按下式：
建筑物重量（不包括活载）/水浮力≥1.0
建筑物重量及水浮力的分项系数取1.0
6.1.3 水池设计规程的规定
《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CEC 9138.2002）第5.2.4条规定：
验算时作用力均取标准值，抵抗力只计算不包括池内盛水的永久作用和水池侧壁上的摩擦力，抗力系数不应小于1.05。
本人建议：北方缺水地区参考北京规定，南方富水地区参考广东规定。
6.2地下室顶板计算：
地下室顶板：结构可分为梁板式或柱板式结构，可用PKPM建模，按SATWE进行计算。
6.3地下室侧墙：
一般情况下，把楼板和基础底板作为外墙板的支点，按单向板（单跨、两跨或多跨）计算，顶板处按铰支座，楼层处为连续梁铰支。基础底板处按固端（当基础底板厚度小于侧墙板时按铰支座）。
6.4地下室底板：结构可分为筏板式或抗水板式结构，按pkpm中的JCCAD进行计算，或按倒楼盖进行PKPM建模，按SATWE进行计算。
7.构造措施
7.1后浇带
地下室长度超过40m时，宜每隔20-30m设置后浇带一道，其宽度一般不小于800mm，后浇带位置宜在距柱或距墙的中部1/3范围内。后浇带混凝土强度提高一级，采用微膨胀砼，时间不得小于后浇带两侧砼浇灌完毕后1个月。后浇带防水构造见《地下工程防水技术规范》P47页。
7.2变形缝
变形缝处混凝土结构厚度不应小于300mm。
变形缝最大允许沉降差值不应大于30mm。
变形缝宽宜为20-30mm。
7.3桩头防水设计
桩头防水构造见《地下工程防水技术规范》P54页。
7.4当只有一层地下室，外墙高度不满足首层柱荷载扩散刚性角（柱间中心距离大于墙的高度），或者窗洞较大时，外墙平面内在基础底板反力作用下，应按深梁或空腹桁架验算，确定墙底部及墙顶部的所需配筋。当有多层地下室，或外墙高度满足了柱荷载扩散刚性角时，外墙顶部宜配置两根直径不小于20mm的水平通长构造钢筋，墙底部由于基础底板钢筋较大没有必要另配附加构造钢筋。
7.5地下室外墙竖向钢筋与基础底板的连接，因为外墙厚度一般远小于基础底板，底板计算时在外墙端常按铰支座考虑，外墙在底板端计算时按固端，因此底板上下钢筋可伸至外墙外侧，在端部可不设弯钩（底板上钢筋锚入支座按需要5d或15d就够）。外墙外侧竖向钢筋在基础底板弯后直段长度按其搭接与底板下钢筋相连，见图1。
7.6当有多层地下室的外墙，各层墙厚度和配筋可以不相同。墙的外侧竖向钢筋宜在距楼板1/4～1/3层高处接头，内侧竖向钢筋可在楼板处接头。墙外侧水平钢筋宜在内墙间中部接头，内侧水平钢筋宜在内墙处接头。钢筋接头当直径小于22mm时可采用搭接接头，直径等于大于22mm时宜采用机械接头或焊接。
7.7地下室外墙的竖向和水平钢筋，除按计算确定外，每侧均不应小于受弯构件的最小配筋率。当外墙长度较长时，考虑到混凝土硬化过程及温度影响可能产生收缩裂缝，水平钢筋配筋率宜适当增大。外墙的竖向和水平钢筋宜采用变形钢筋，直径宜小间距宜密，最大间距不宜大于200mm。外侧水平钢筋与内侧水平钢筋之间应设拉接钢筋，其直径可选6mm，间距不大于600mm梅花形布置，人防外墙时拉接钢筋间距不大于500mm。
8.几点体会
8.1在地下室各种荷载选用中，一定要以建成后的现场实际情况为依据，满足各种受力情况。
8.2在地下室各种计算系数的选用中，一定要符合现场的实际情况，分析对结构有利还是不利来确定系数值。
8.3对地下室的裂缝控制，要从建成后实际情况来确定裂缝宽度。
8.4选用地下室材料时，各种材料一定要满足现行国家规范。
8.5对地下室的抗浮验算中，要分南方北方地区的实际地下水位情况，来定抗浮系数。在结构计算中要明确简化结构模型的方法。
8.6在地下室结构构造措施中，超长结构要设置后浇带，变形缝，要明确墙板钢筋布置方法，钢筋搭接位置。
总之，地下室设计过程中，首先选用各种荷载，各种系数正确无误，其次要有正确的结构计算方法及正确构造措施。这样才能保证地下结构的安全，经济，适用。
参考文献
[1] 混凝土结构设计规范.（GB 50010-2010）；
[2] 人民防空地下室设计规范.（GB 50038-2005）；
[3] 地下工程防水技术规范.（GB 50108-2008）
[4] 建筑结构荷载规范.（GB 50009-2001（2006年版）
[5] 李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例
【作者简介】 金利华 （1962-），男，国家一级注册结构工程师，现在华东勘测设计研究院从事结构设计工作。
【文章编号】1006-2688（2016）09-0070-03
