地下车库优化设计与措施

毛黎明

(南京长江都市建筑设计股份有限公司，南京 210000)

1 工程概况

某地下车库，地下室层高为3.6 m，顶板厚度300 mm，底板厚度350 mm，框架柱450 mm×550 mm，抗浮工程设计等级为甲级，地下车库标准柱网及典型梁截面尺寸如图1所示。

底板建筑面层为100 mm，顶板覆土厚度1.5 m。根据地勘报告提供的数据，抗浮水位取室外地面下0.5 m。

2 抗拔灌注桩设计

2.1 抗浮稳定性计算

根据JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》[1]，建筑工程抗浮稳定性应符合下式规定：

式中，Gk为建筑结构自重、附加物自重、抗浮结构及构件抗力设计值总和；Nw，k为浮力设计值；Kw为抗浮稳定安全系数，对于抗浮设计等级为甲级的工程，使用期时取1.1。

本工程抗浮水头高度为5.05 m，则水浮力值为Nw，k=9.8×5.05=49.49 kN/m2。结构自重及顶板、底板附加物自重计算详见表1。

表1 结构及附加物自重

由表1可知，Gk=44.703 kN/m2＜1.1Nw，k=1.1×49.49=54.439 kN/m2，说明结构抗浮不稳定，需要采取相应的抗浮措施，以保证结构的安全。

2.2 抗拔桩受拉钢筋计算

本项目采用直径600 mm 的抗拔灌注桩作为抗浮措施，钢筋采HRB400，一柱一桩。假定抗拔桩提供的总抗力值为Fk，即(Gk+Fk）≥1.1Nw，k，则有：

Fk≥1.1Nw，k-Gk=9.736 kN/m2

每个标准柱网下抗拔桩需要提供的抗拔承载力标准值为：

Nk=8.4×0.5×(4.8+6.6）×9.736=467 kN

计算抗拔灌注桩纵向受拉钢筋时，作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合，相应的分项系数为1.35，则抗拔灌注桩需要配置的受拉钢筋面积为As=1.35Nk×1 000/360，抗拔灌注桩顶部轴向拉力最大处桩身配筋为As=1.35×467×1 000/360=1 752mm2，实配钢筋取12φ14 mm，As=1 846 mm2＞1 752 mm2，满足强度计算要求。

2.3 抗拔桩裂缝计算

钢筋混凝土构件在正常使用阶段是允许出现裂缝的，为避免或延缓钢筋锈蚀影响耐久性，抗拔桩设计中，除满足抗拔承载力外，还需验算正常使用极限状态下的裂缝宽度。根据JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》，当计算地下室结构底板和抗浮结构及构件变形时，作用效应应按正常使用极限状态作用的标准组合，相应的分项系数为1.0，并应符合下式规定：Sd≤C，Sd为作用组合的效应，C 为结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值。

根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规程》[2]，本工程桩基所处环境类别为二a 类，对于位于稳定水位以下的基桩，其最大裂缝宽度限值可按0.3 mm，最大裂缝宽度ωmax应按式(2）计算：

式中，∂cr为构件受力特征系数，轴心受拉取2.7；ψ 为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σs为按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力；cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉边底边的距离，取50mm；deq为受拉纵向钢筋的等效直径；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；Es为钢筋弹性模量。

荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力σs=Nq/As，需特别注意的是，此处的轴向拉力Nq计算时不考虑抗浮稳定安全系数及抗浮重要性系数，则：

Nq=8.4×5.7×(Nw，k-Gk）=8.4×5.7×(49.49-44.703）=229 kN

此值仅为抗浮稳定验算所得的Nk=467 kN 的一半左右。故如设计时按Nk计算抗拔桩的桩身裂缝，将造成很大的材料浪费。当桩身 配置钢筋为12φ14 mm，As=1846 mm2时，按Nk=467 kN 计算的桩身裂缝宽度为0.418 mm，按Nq=229 kN计算的桩身裂缝宽度仅为0.071 mm。

综上所述，抗拔桩裂缝计算结果不起控制作用，按抗拉强度计算的配筋满足抗拔桩裂缝计算结果。

2.4 抗拔桩配筋长度

抗拔桩的桩顶荷载由桩周土侧摩阻力承担，侧摩阻力以剪力形式传递给桩周土体，随着上拔量的增加，桩周侧摩阻力会因土层松动等原因而低于抗压侧摩阻力，故规范引入抗拔系数来考虑其影响。因此，抗拔桩的桩身轴力沿桩长方向是变化的，在桩顶位置桩身轴力最大，桩端处桩身轴力最小，如果桩身通长等截面都按最大抗拔力作用下满足强度和裂缝要求的配筋量配置，则配筋偏于保守，会造成一定的浪费，因此，对于抗拔桩宜分段配筋，即在桩顶下某一深度上减少配筋量。

由于抗拔桩为摩擦桩，影响抗拔桩单桩抗拔承载力的主要因素是桩侧土的性质和土层分布。因此，理论上说桩每个截面处的配筋均可不同，考虑到施工的便利性，建议抗拔桩分两段配筋，钢筋截断点取2L/3 位置(L 为桩长），下段桩身配筋减少为6φ14 mm，As=923.4 mm2，同时计算钢筋截断位置处的轴向拉力，并按此轴向力验算钢筋减半后桩身在该位置的裂缝宽度，计算结果满足规范要求。

本工程桩基施工完毕后，随机抽取了8 根桩进行抗拔静载试验，试验加载到最大加载值时，各受检桩荷载-位移(Q-s）曲线上无明显的陡降，均属于缓变性曲线，受力钢筋无断裂的现象，桩身也未开裂。实践证明，该工程桩的分段配筋是成功的，既保证了结构的安全，又有效地节约了成本。

当然对于嵌岩抗拔桩，如抗拔承载力基本是由嵌岩段的侧摩阻力提供时，抗拔桩是否分段配筋要慎重，建议此时桩身通长等截面配筋。

3 下柱墩设计

对于地下车库，目前常规采用平板式筏板基础，单层地下室底板厚度为350～400 mm，一般无法满足柱下冲切验算要求，故可在柱下设置下柱墩，以满足受冲切承载力验算要求，下柱墩可按如下原则进行设计。

3.1 下柱墩尺寸的确定

1）下柱墩厚度首先需满足柱冲切验算要求，同时需满足柱纵筋在下柱墩内的直锚段长度≥0.6LabE(LabE为抗震设计时受拉钢筋基本锚固长度）且≥20d(d 为纵向钢筋直径）的要求，且厚度不应小于500 mm。

2）下柱墩的平面尺寸一般取柱距的1/3，当两个方向柱网跨度差异较大时(如差异超过10%），应分别取对应方向的柱网尺寸的1/3 来确定柱墩尺寸。

3.2 下柱墩配筋的构造

1）对于非人防地库，筏板的板底钢筋锚入下柱墩内即可，无须在下柱墩内拉通，且由于板底钢筋在其锚固长度范围内周边保护层厚度一般均大于5d(d 为纵向钢筋直径），根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版）[3]，锚固长度的修正系数可取0.7，故其锚入下柱墩内的长度可取0.7Lab(Lab为受拉钢筋基本锚固长度）。

2）由于下柱墩顶部受压，顶部钢筋无须满足最小配筋率的要求，将筏板的板面钢筋在柱墩内贯通即可。

3）目前，单层地下室底板厚度一般为350 mm，底板配筋计算时，往往跨度较大的网格内计算配筋较大，此时需特别注意，板底附加筋需在柱墩范围内断开，仅在两个柱墩之间的范围设置板底附加筋。

4 地下室外墙设计

对于地下车库而言，由于外墙范围很大，合理优化其计算假定和配筋构造，可有效地减少结构成本，对于地下室外墙建议按如下原则进行设计。

4.1 地下室外墙的计算假定

对地下室挡土墙，可采用单向板计算，不考虑地库柱作为其支承点。同时宜按墙底端固结，上端弹性支座(考虑地下室顶板的约束）计算。

对于层高为3.6 m 的地下室外墙，采用上端弹性计算假定时，外墙外侧的竖向钢筋配筋量可减少10%～15%左右。

4.2 地下室外墙的荷载取值

根据全国民用建筑工程技术措施，计算地下室外墙时，其室外地面荷载取值不宜低于10 kN/m2。但文献[4]认为室外地面活荷载常被取得过高，并指出计算地下室外墙时，一般民用建筑的室外地面活荷载可取5 kN/m2，包括可能停放消防车的室外地面。

4.3 地下室外墙的保护层厚度

南方地区的地下室外墙环境类别一般为二a 类，根据GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》[5]的规定，迎水面钢筋保护层厚度不应小于50 mm，而GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)第8.2.2 条指出：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25 mm。

根据GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》[5]3.5.4 条：对裂缝宽度无特殊外观要求的，当保护层设计厚度超过30 mm 时，可将厚度取为30 mm 计算裂缝最大宽度。

综上所述，由于地下室外墙建筑均有相应的防水等级及做法(如采用防水砂浆、卷材防水、防水涂料以及金属板防水等），故结构设计中地下室外墙强度计算时，其迎土面保护层厚度可适当减少，建议取40 mm，同时应区分裂缝计算时最大保护层厚度30 mm，从而可有效减少地下室外墙的配筋。

4.4 地下室外墙的配筋构造

1）外墙外侧竖向钢筋采用通长钢筋+ 附加钢筋的配筋方式，其中附加钢筋的长度为1/3 地库层高，通长筋在满足最小配筋率的前提下尽可能采用小直径钢筋。

2）地下室外墙一般简化为单向板计算，故其水平筋均为构造配筋，满足0.2%的配筋率即可，无须放大。

3）地下室挡土外墙顶部不需设置暗梁，底部也不需要设暗梁和附加钢筋。

5 结语

本文详细分析了影响地下车库经济性的几个关键点，对其细部设计有针对性地提出了优化措施，在保证结构安全的前提下，有效地节约了成本，可供同类工程设计参考。