浅谈地下结构外墙的设计优化与控制

刘巍

中天环宇建筑设计有限公司 安徽 合肥 230011

1 地下室外墙的结构计算模型

地下室外墙设计时应对地下室的顶板、底板、内隔墙、垂直外墙、中间层楼板对外墙的支承作用、地下室外墙在顶板以上的延续性进行全面客观的分析，从而确定与实际工作状况最为接近的几何模型与边界条件，才能保证安全与经济。

1.1 地下车库外墙的计算模型

很多结构设计师认为，扶壁柱的存在可以作为外墙板在水平方向的支座，故可以将外墙板按双向板设计。

扶壁柱的存在并不能有效降低竖向钢筋计算值，反而会使水平筋由构造变为计算。下面以有扶壁柱的普通地下室外墙按单向板与双向板模型计算的比较说明。

图1～图2为外墙厚250mm，8.0m柱距，3.8m层高，1.5m覆土厚度及5.0kN/m2地面超载作用下，室外地坪为-0.3m，抗浮水位取室外地坪下500mm，按单向板及双向板模型计算的弯矩分布。

图1 单向板模型组合弯矩

图2 双向板模型组合弯矩

从弯矩分布看，在8.0/3.8=2.1的长宽比下，两种模型下外墙的竖向弯矩几乎相同，几乎没有体现出双向受力效应，采用双向板模型计算没有实际意义，也不具有经济性。从计算结果可知，双向板模型的水平向最大弯矩仅为22.20kN•m，小于C10@200时的极限弯矩26.7kN•m，不必在扶壁柱附近考虑任何的加强措施，而在实际的设计工作中，为了控制竖向裂缝的开展，水平钢筋的配筋多采用C12@150，对250mm厚的外墙而言，两侧的合计配筋率为0.60%。总之，只有扶壁柱距较小或层高较大，使得扶壁柱之间板块的长宽比小于2.0，采用双向板模型可降低竖向弯矩，从而降低竖向钢筋量[1]。

1.2 剪力墙住宅地下室外墙的计算模型

剪力墙住宅的地下室外墙与纯地库的外墙有较大区别，前者存在较多的内隔墙与其垂直相交，且横墙间距较小，基本在3.0～4.5m之间；其次是主楼的地下室层高均不大，基本在2.6～3.3m之间，因此墙板长宽比基本在1.5左右。

前文所述，在实际工程设计中，需对模型进一步简化以便可以采用小软件等简单方法进行计算。墙与顶板、中间层楼板或底板连接处的边界条件与前文叙述一致，左右两边则需根据板块在该边是否连续及支承构件的刚度大小而取固支或铰支。下面以实际工程中的案例来分析说明如何将多跨连续板简化为一个个单块的双向板。

当为连续边或虽为端支座但支承构件对墙板的约束刚度较大时可简化为固接，如图3中5轴、8轴、12轴、15轴处的支承条件；当为端支座且支承构件对墙板的转动约束刚度较小时可简化为铰接，如图4中的1轴～3轴间的墙板在1轴与3轴处的支承条件、17轴～19轴间的墙板在17轴与19轴处的支承条件；3轴～17轴间的连续墙板在3轴、17轴处的支承条件理论上应简化为弹性转动约束，但在实际设计中，可采用固接和铰接两种支承条件分别进行计算，再根据端支座对墙板实际约束情况对内力及配筋进行适当调整[2]。

图3 某项目地下室外墙局部平面图

2 地下室外墙的计算高度

地下室外墙的计算高度，当基础底板较厚时（一般大于1.5倍墙厚），可从底板上皮算起；当底板厚度与外墙厚度相当时，应从底板中线算起。一些工程的基础底板上有较厚的覆土，这时最下层外墙的计算高度应视该层地面做法而定。

3 地下室外墙上的荷载与荷载组合

3.1 地面超载取值

有的结构工程师在计算地下室外墙时，地面超载取20kN/m2。首先，对于全埋地下室，顶板有1.5m厚覆土，考虑覆土扩散作用，传递到顶板处已折减很多；其次，不考虑消防车的可达性以及消防车荷载的作用范围，一律取值20kN/m2不合理；再次，消防车荷载是通过轮压施加到覆土层表面的局部荷载。综上所述，在计算地下室外墙时，一般民用建筑的室外地面活载可取5kN/m2（包括可能停放消防车的室外地面），有特殊情况时，按实际选取。

3.2 水土压力取值

在外墙设计时，地下水位以上的土容重可取18kN/m3，水位以下的土浮重度可取11kN/m3。

3.3 荷载分项系数取值

《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）4.0.1条中明确将土压力与水压力列为永久荷载。根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）知，分项系数取1.3。地面超载按活荷载对待，分项系数取1.5[3]。

4 地下室外墙的裂缝控制原则

在计算地下室外墙配筋时，是否考虑裂缝及裂缝宽度限值对配筋计算结果影响较大。最常见有两大问题，其一是保护层厚度取值不合理；其二是裂缝宽度限值不妥。

4.1 保护层厚度取值

综合《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）及《人民防空地下室设计规范》（GB500038-2005）的有关要求，设建筑防水层的地下室外墙外侧的保护层厚度可取30mm，内侧保护层厚度可取15mm。

4.2 裂缝宽度限值控制

一般认为，建筑防水层的存在，已经阻隔地下水与土壤对混凝土的不利作用，即混凝土并没有置于“干湿交替”、“水位频繁变动”的环境中，同时也不属于露天环境，因此其环境类别与“室内干燥环境”相似，故可视为一类环境，相应的裂缝宽度限值可放宽至0.3mm。

5 钢筋的优化配置原则

5.1 竖向钢筋的优化配置

一些结构工程师在配置外侧竖向钢筋时，采用将墙底最大负弯矩筋全部拉通的方式，这种配筋方式是非常不经济。

对于悬臂结构，外侧竖向钢筋可在0.5l处截断。实际工程中可采取同一种直径，间距可选75mm、100mm，然后在半高处隔一断一，这样既能满足底部最大弯矩的强度要求，又可满足构造要求，同时钢筋间距减少也有利于裂缝控制，经济性也能得到改善。对于下固上铰结构，当钢筋直径不大于22mm时，可将半数钢筋在1/3高处截断。实际工程设计时同悬臂结构。

5.2 水平钢筋的优化配置

当地下车库按规范要求设置变形缝或后浇带时，水平分布筋可按双侧合计0.3%的构造要求配置。对于超长不设缝的地下结构，设计方面可以要求采用低收缩或微膨胀混凝土、设置后浇带或加强带、采用细而密的配筋方式，也可适当增加水平构造钢筋的配筋率，但不能过大，可按受弯构件的最小配筋率，即双侧合计0.4%。

6 地下室外墙有关节点的优化

一些工程师习惯在基础底板及各层顶板与外墙连接部位设置与墙等厚的暗梁，甚至设置凸出墙面的明梁，实属没必要。地下室外墙的平面刚度与梁的抗弯刚度相比非常大，属于刚性墙，所设置的暗梁或明梁不可能发挥其抗弯作用，不经济。

7 结束语

地下车库外墙和剪力墙住宅外墙在计算模型的选取时有所不同，需要根据有无扶壁柱及内隔墙以及它们的间距来确定采用单向板或双向板模型。地下室外墙的计算高度起算位置是根据基础底板与外墙的厚度比，一般大于1.5倍时，从基础底板面算起。在计算地下室外墙时，一般民用建筑的室外地面活载可取5kN/m2（包括可能停放消防车的室外地面），有特殊情况时，按实际选取。地下水位以上的土容重可取18kN/m3，水位以下的土浮重度可取11kN/m3。水土压力的分项系数取1.3。地面超载按活荷载对待，分项系数取1.5。设有建筑防水层的地下室外墙外侧的保护层厚度可取30mm，内侧保护层厚度可取15mm；一般情况下，地下室外墙的裂缝宽度限值可放宽至0.3mm。地下室外墙的竖向外侧钢筋在设计时可采取隔一断一方式，截断的位置对顶端为自由时为1/2墙高处，顶端为铰接时为1/3墙高处，既经济又能控制裂缝的开展。