劉笑春 胡海波 謝紅艷

摘 要：針對普通地下室結構設計，論述了嵌固端確定方法及對結構設計的影響，從荷載、內(nèi)力分析及構造要點的角度，對地下室底板、側(cè)墻和底板等關鍵結構設計進行了分析，并強調(diào)了抗浮驗算和超長裂縫控制，以供類似工程參考。

關鍵詞：地下室結構；嵌固端；頂板；側(cè)墻；底板；抗浮驗算

中圖分類號：TU354

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）08-0119-01

1 前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，從使用功能和經(jīng)濟的角度考慮，一般高層建筑均設有地下室。在地下室設計中，因地下室結構環(huán)境較為特殊，影響因素較多，結構受力也較為復雜，對地下室結構進行科學合理設計的對于安全和經(jīng)濟性具有重要的意義。本文針對普通地下室結構設計中一些設計要點和需特別注意的地方進行分析，以供類似工程參考。

2 嵌固端的確定

從理論的角度看，嵌固端是指除能承受軸力、彎矩、剪力之外，位移和轉(zhuǎn)角均為零的部位。從工程的角度看，不存在純理論上絕對嵌固，嵌固端只是一個區(qū)域，嵌固也是相對的嵌固，是在強震作用下可能首先發(fā)生屈服、出現(xiàn)塑性鉸的部位。嵌固層的確定關系到局部構件內(nèi)力、配筋調(diào)整和抗震等級確定等問題，因此需在結構計算過程中盡早明確。

抗規(guī)[1]和高規(guī)[2]均從板厚、梁板和柱配筋、側(cè)向剛度比等角度對確定嵌固層做了相應規(guī)定，也對局部構件內(nèi)力及配筋調(diào)整作了要求，同時對地下室頂板作為嵌固端地下室抗震等級也做了相關規(guī)定。兩本規(guī)范提法略有不同，但是基本原則基本一致。文獻[3]在結合規(guī)范的前提下對此做了更深入的總結歸納，對于規(guī)范不明確的地方也做了相應的建議。

3 地下室頂板設計要點

3.1 荷載分析

地下室頂板需考慮荷載主要有覆土自重荷載、活荷載、消防車荷載以及施工荷載。覆土自重荷載和活荷載較容易確定。

消防車荷載因荷載大也備受設計人員關注。消防荷載與板的受力形式和跨度有關。從經(jīng)濟的角度考慮，應根據(jù)消防車道布置確定需考慮消防車荷載范圍，盡可能與總圖設計人員溝通，使消防車荷載布置范圍最小化?？紤]覆土厚度影響，可根據(jù)荷載規(guī)范[4]附錄B對消防車荷載進行折減。荷載規(guī)范給出的消防車荷載為已考慮消防車動力系數(shù)，當頂板覆土時可對其進行適當折減，折減系數(shù)可以參照荷載規(guī)范[4]附錄B給出數(shù)據(jù)。

因施工運輸或材料堆放等不可避免對頂板產(chǎn)生作用，因而需充分考慮結構頂板施工荷載，施工荷載可參考文獻[5]按每平方米不宜少于10kN選取，構件承載力驗算時，施工荷載的分項系數(shù)取1.0。

3.2 構造要點

作為上部結構嵌固部位，在相關范圍內(nèi)應采用梁板結構，板厚不宜小于180，配筋采用雙層雙向，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。不作為上部結構嵌固端時，也應考慮地下室頂板實際存在的嵌固作用，厚度不宜小于160mm，配筋采用雙層雙向，配筋率應較普通樓板有所加強。

抗震設計的高層建筑，當?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y構的嵌固端時，地下一層相關范圍的抗震等級應按上部結構采用，對于嵌固端應根據(jù)規(guī)范[1，2]對梁柱節(jié)點部位內(nèi)力進行調(diào)整，以便實現(xiàn)首層柱下端為“弱柱”設計，達到強震時首層柱底屈服、出現(xiàn)塑性鉸。

4 地下室側(cè)墻設計要點

4.1 荷載及內(nèi)力分析

地下室側(cè)壁受力情況較為復雜，主要受到各種不同方向、不同形式荷載的共同作用，綜合起來可分為豎向荷載和水平荷載。豎向荷載主要為上部結構及地下室樓蓋結構傳遞荷載及側(cè)墻自重，水平荷載主要為側(cè)向土壓力、地下水壓力、室外地面活載或堆載。側(cè)墻承受的側(cè)向土壓力引起的效應為永久荷載效應，側(cè)向土壓力宜取靜止土壓力[6]。靜止土壓力系數(shù)，對一般固結土可取1-sinφ（φ—土的有效內(nèi)摩擦角）；當無試驗數(shù)據(jù)時，對砂土可取0.34～0.45，黏性土可取0.5～0.7。水位不急劇變化的水壓力按永久荷載考慮，水位急劇變化的水壓力按可變荷載考慮[6]。

根據(jù)工程經(jīng)驗，通常水平荷載產(chǎn)生的彎矩對地下室側(cè)墻配筋起控制作用，為便于計算對其合理的簡化，不考慮與豎向荷載組合的壓彎作用，僅按水平荷載產(chǎn)生彎矩計算側(cè)墻的配筋。

地下室外墻可根據(jù)支承情況按雙向板或單向板計算水平荷載作用下計算。在工程設計中，一般按樓板和基礎底板作為外墻板的支點按單向板計算，在基礎底板處按固端、頂板處按鉸支座。當?shù)叵率翼敯迮c墻身厚度相近時，頂板處可按固端，此時地下室外墻頂部配筋應與地下室頂板配筋同時考慮；對于有扶壁柱的側(cè)墻，應根據(jù)扶壁柱彎曲剛度與側(cè)墻彎曲剛度的大小對比，判斷扶壁柱是否可作為側(cè)墻支座，從而確定側(cè)墻是否可按四邊支承進行內(nèi)力分析；扶壁柱按上端簡支、下端固支進行受力分析及配筋。

4.2 構造要點

地下室側(cè)墻通常長度較長，除滿足承載力要求外，抗裂也是地下室側(cè)墻設計需考慮的一個重點。為控制溫差和干縮引起的垂直裂縫，混凝土強度等級不應采用高強度，一般可取C30；側(cè)墻豎向和水平鋼筋應雙層雙向布置，水平分布筋直徑宜采用小直徑鋼筋。對一般墻體，配筋率不宜小于0.3%，鋼筋間距不宜大于150mm[2]；部分設計單位編制技術措施中，對于超長外墻，配筋率應不小于0.5%，鋼筋間距不大于150mm。

除滿足混凝土規(guī)范[7]要求外，尚應滿足地下防水技術規(guī)程[8]要求：1）結構厚度不應小于250mm，一般不小于300mm。2）裂縫寬度不得大于0.2mm，并不得貫通；3）鋼筋保護層厚度應根據(jù)結構的耐久性和工程環(huán)境選用，迎水面鋼筋保護層厚度不應小于50mm。該要求較混凝土規(guī)范有所提高。

5 地下室底板結構設計要點

5.1 荷載和內(nèi)力分析

根據(jù)基礎的型式，可以按底板是否作為基礎組成部分考慮。一種底板作為基礎部分考慮，如筏板和箱型基礎等，底板結構主要承受荷載有底板結構自重和裝修層重量、底板面活荷載、豎向向上基底反力、水浮力。另一種底板不作為基礎部分考慮，如樁基、獨立基礎等，底板結構主要承受荷載有底板結構自重和裝修層重量、底板面活荷載、水浮力。不管何種型式底板，水浮力在底板計算中均占有重要影響。水位不急劇變化的水浮力按永久荷載考慮，水位急劇變化的水浮力按可變荷載考慮。設計時應根據(jù)實際情況采用不同的荷載組合，特別注意的是當恒載對結構有利時分項系數(shù)去1.0，當活荷載對結構受力有利時不考慮活荷載。

一般情況下，底板配筋通常由水浮力和基底反力起控制作用，迎水面的鋼筋均由裂縫控制，根據(jù)彎矩大小的不同，可比相應的強度計算配筋增大約20%～55。

5.2 構造要點

根據(jù)結構受力特點，底板可以選擇平板式或者梁板式。同外墻一樣，底板除滿足受力要求外，還要滿足地下室抗?jié)B、防水要求。

地下室底板厚度、配筋不宜太小，作為基礎組成部分的底板厚度不宜小于400mm；只作為抗水板不作為基礎部分考慮時，厚度不宜小于250mm，一般取300mm以上。底板配筋除滿足計算要求外，為防止裂縫產(chǎn)生，最小配筋率可適當提高，一般情況下可取0.30%。

底板的混凝土墊層，強度等級不應小于C15，厚度不應小于l00mm，在軟弱土層中不應小于150mm[8]。

雙向支座鋼筋尚應有1/3-1/2貫通配置，跨中鋼筋應按實際計算的配筋全部貫通。

當采用獨立基礎加抗水板的型式時，應在抗水板下鋪設一定厚度的具有一定強度和壓縮性材料，如泡沫聚苯板等，避免因基礎沉降使抗水板成為滿堂底板。

6 抗浮驗算和超長裂縫控制

6.1地下水與抗浮驗算

抗浮驗算首先是要正確確定上浮力，尤其是抗浮設計水頭，地下水位及其變幅是地下室抗浮設計的重要依據(jù)，當有長期水位觀測資料時，場地抗浮設防水位可采用實測最高水位；當無長期水位觀測資料時，可按勘察期間實測最高水位并考慮地下水補給、排泄條件等因素綜合確定；若只考慮施工期間的抗浮設防，設防水位可按水文庫的最高水位確定[9]。

文獻[10]要求驗算建筑物抗浮能力應滿足：建筑物自重及壓重之和/浮力作用值≥1.05。在地下室上部有多高層建筑時通常能滿足抗浮驗算，而地下室上無上部建筑，且無覆土或者覆土較少，當抗浮設計水位較高時，地下室可能存在整體抗浮驗算不滿足要求，此時應采取抗浮措施時，應按工程具體情況區(qū)別對待。

6.2 地下室超長和裂縫控制

地下室一般情況下不設永久性縫，這就會造成地下室結構整體超長，而應采取防止裂縫的措施，目前較為常見的方法有：設置膨脹加強帶、設置后澆帶、加強配筋。根據(jù)實際情況可以綜合采用。

7 結語

在地下室設計前期，需先確定嵌固端位置，在現(xiàn)行規(guī)范基礎上，確定地下室結構抗震等級，并相應的對局部構件內(nèi)力和鋼筋進行調(diào)整，以便在嵌固端部位實現(xiàn)上部結構為“弱柱”的設計。

在地下室頂板、側(cè)墻和底板等關鍵結構設計時，應仔細分析構件所受荷載及受力特點，合理選取計算模型，同時結合工程中實際發(fā)生的教訓，科學的采取恰當?shù)臉嬙齑胧_到安全經(jīng)濟的效果。

重視地下室的抗浮驗算，當不滿足抗浮要求時，應才是合理的措施進行抗浮設計。地下室由于超長極易產(chǎn)生裂縫，在設計中應采取有效的措施防止裂縫產(chǎn)生。

參考文獻：

[1]GB50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范[S].2010.

[2]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].2010.

[3] 朱炳寅.建筑結構設計規(guī)范應用圖解手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] GB50009-2012.建筑結構荷載規(guī)范[S].2012.

[5] DBJ/T5-46-2005.廣東省實施《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 3—2002）補充規(guī)定[S].2005.

[6] 《全國民用建筑工程設計技術措施》編委會. 全國民用建筑工程設計技術措施（結構）.2009.

[7] GB50010-2010.混凝土結構設計規(guī)范[S].2010.

[8] GB50108-2008.地下工程防水技術規(guī)范[S].2008.

[9] 劉東柏，王璇.地下室抗浮設計中的幾個問題討論[J].中外建筑，2010（2）.

[10] GB50007-2011.建筑地基基礎設計規(guī)范[s].2011.