地下室外墙受力分析及优化设计的讨论

　　摘 要：本文分析了地下室外墙计算和构造措施两个方面，阐述了如何针对地下室外墙进行设计。

　　关键词：地下室;外墙;受力分析;优化设计;讨论

　　Abstract: This paper analyzes the exterior wall of basement calculation and construction measures two aspects, and elaborates on how to design the basement exterior wall.

　　Key words: underground chamber; exterior wall; stress analysis; optimization design; discussion

　　中图分类号:TU2 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

　　地下室外墙设计应根据以上因素综合分析考虑,以满足计算及构造要求。但由于各个工程的实际情况不尽相同,所以在进行地下室外墙设计时,应根据具体情况具体分析,使地下室外墙设计既安全可靠、经济合理,又能满足地下室结构抗渗这一特殊要求,真正解决工程的实际需要,保证其正常使用。

　　1 地下室外墙所受荷载及受力分析

　　1.1 地下室外墙所承受的荷载分为水平和竖向荷载。竖向荷载有上部及地下室结构的楼盖传重和自重,水平荷载有地面活载、侧向土压力、水压力、人防等效静荷载。风荷载或水平地震作用对地下室外墙平面内产生的内力较小。在实际工程设计中,竖向荷载、风荷载或地震作用产生的内力一般不起控制作用,墙体配筋主要由垂直墙面的水平荷载产生的弯矩确定,而且通常不考虑与竖向荷载组合的压弯作用,仅按墙板弯曲计算。地下室外墙的受力状态与主体结构中的剪力墙最大区别在于它是平面外受力(作用力有土压力、水压力或爆炸震动力),因此地下室外墙的受力钢筋主要是分布在墙段而不是在其端部,而主体结构的剪力墙主要是平面内受力(墙端部受拉受压、墙段受剪)。

　　1.2 地下室外墙土压力作用按静止土压力计算还是按主动土压力计算目前还未达成统一,在《全国民用建筑工程设计技术措施》-结构P18第2.6.2条中为地下室侧墙承受的土压力宜取静止土压力;在《多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例》(李国胜)P183公式13-23中建议取主动土压力,Ka约为1/3。我个人倾向于地下室外墙计算侧压力应按静止土压力计算,因为地下室墙板往往较厚(≥300mm),具有一定的刚度,在综合土、水外力作用下,变形较小,可以近似认为是不移动的,比较符合静止土压力受力模型。而主动土压力的产生条件一般要满足在密砂填土中墙体变形位移+Δ≈0.5%H;在密实粘性土中墙体变形位移+Δ≈1～2%H的要求。实际工程中回填土往往采用粘性土进行分层夯实回填,压密系数≥0.94以上;另静止土压力比主动土压力要大,在地基及基础的角度讲,不确定因素较多,故采用静止土压力计算能留有一定的储备能力,保证了工程的质量与安全。

　　1.3 地下水压力应当根据当地的历史水位情况确定,当地勘报告未提出明确的水位及水压力分布情况时,对一般性的工程取在使用年限内可能出现的最高地下水位和最大水压,同时考虑最高防洪水位的不利影响,考虑土、水造成的压力对地下室外墙的共同影响。

　　1.4 外墙荷载组合。作用在外墙上的荷载可有以下组合。

　　1.4.1 结构自重、地面活荷载、土压力、地下水压力;

　　1.4.2 结构自重、地面活荷载、土压力、地下水压力、爆炸动荷载(有人防要求时)。

　　地下室外墙受弯及受剪计算时,荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合考虑,土、水压力引起的效应为永久荷载效应,地面活荷载引起的效应为可变荷载效应。当考虑由可变荷载效应控制的组合时,土压力的荷载分项系数取1.2;当考虑由永久荷载效应控制的组合时,其荷载分项系数取1.35。对于地面活荷载,荷载分项系数取1.4。地下室外墙裂缝计算时,荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合考虑。

　　2 外墙结构受力理论分析

　　一般地下室外墙的分析计算模式有两种方法,可根据支承情况的不同按单向板或四边支承板来考虑。

　　2.1 在框架或框剪结构体系中按单向板受力或双向板考虑计算。

　　把地下室墙体作单向板计算,楼面顶板(连续板块)和基础底板作为外墙的支点其余两边按自由考虑。墙板自身刚度比较大(板厚≥300mm),与柱子的刚度相差不太悬殊,一般不再考虑柱子对板块的分割作用,柱子对其形不成理论上的支撑作用,故弯矩均让墙体来抵抗。对于支座形式的判断,则应具体分析,一般顶板处,可按简支,底板处,若底板是一大的筏板,墙体直接生根其中,则做固端合适,若下部不是筏板,仅为单独的基础或基础梁时,对外墙的约束刚度不大,则做简支考虑比较合适。在实际工程中,有时考虑到边界条件不可能十分明确,通常在计算端弯矩和跨中弯矩时,对同一边界采用两种不同的支承假设,如按端部固定计算端弯矩,按端部铰接计算跨中弯矩等。

　　在层数较高的建筑物中,其柱子截面可能会比较大(壁柱式墙体的壁柱厚度不宜小于墙厚的2.5倍),自身刚度也较大,轴压比也很大,这时,应考虑其对墙体的部分支撑约束作用,可考虑按四边支撑双向板计算。如果不考虑的话,可能会造成水平分布筋的偏小,产生裂缝过大。对于这种情况如按单向板计算,在设计中应该从概念角度对水平分布筋采取增大配筋的加强措施。

　　2.2 在剪力墙结构体系中按四边支承板受力考虑计算。

　　剪力墙结构中,房间开间往往并不是很大,决定了地下室外墙的板跨也不会很大,这就为本计算方法提供了实际模型条件,把地下室墙体作四边支承板来计算,楼面顶板(连续板块)和基础底板以及与外墙垂直的内墙作为外墙的支承考虑。内墙的抗侧移刚度很大,完全可以作为外墙的固端来提供对外墙的约束作用。

　　2.3 其他特殊情况(地下室顶板有大开口的地下室墙)。

　　当地下室外墙设计中考虑楼梯间,车道等支承条件不同的外墙计算与设计,此时地下室外墙为悬臂构件受力,与一般外墙受力不同,应当另外分析计算。地下室外墙顶与顶板不在同一标高时,还应注意外墙上部支座水平力的传递问题。半地下室时外墙开采光通风窗时,地下室外墙为悬臂构件受力。对于同一个地下室,地下室外墙所在位置不同,上面三种计算简图可能都会出现,此时应该按照实际情况分别计算,分别配筋,决不可一个断面代表所有外墙,这样做既不经济,也不一定安全。

　　3 地下室外墙计算公式

　　外墙除承受水平荷载外,还承受上部结构及各层地下室顶板传来的荷载和外墙自重等竖向荷载。所以,严格来讲,外墙应按偏心受压构件计算配筋。但在实际工程设计中,考虑竖向荷载产生的截面应力很小,而且为了计算方便,仅按墙板平面外受弯计算配筋。当竖向荷载很大时,也可分别按受弯和轴心受压计算墙体配筋,然后将二者叠加。

　　外墙板在三角形和均布荷载作用下的双向弯矩计算系数和公式可参见静力计算手册;考虑混凝土板的各向异性,泊松比取为0.2。外墙板单向弯矩计算公式也参见静力计算手册。

　　4 优化设计

　　按上面介绍的原理计算出的地下室外墙虽然满足受力和使用要求,但不一定是最经济的厚度和配筋组合。还应该改变墙厚度,多做几组厚度和配筋组合,比较材料用量、造价、施工方便等因素,从中选出最优组合。

　　5 整体结构计算时的计算模型

　　关于结构整体计算时外墙是否输入这个问题。个人认为,主要是担心输入侧墙影响地下室结构刚度,在计算时候地震力会变大,影响最后结果。现在SATWE里面有选项设置地下室层数,设置后,地下室的刚度放大到地上的3倍以上,而且设置地下室后,首层作为上部结构的嵌固端,地下室不参与地震计算。这时候,地下室侧墙输入与否,应该差别不大。所以,地下室是否输入侧墙,不是关键问题,而是是否设置成为地下室,这才是影响到程序计算结果的原因。如果不设置地下室层数,所有层都作为上部结构参与地震计算,这时候,侧墙的输入与否,就相差很大了。外墙开洞的影响:如果地下室不参与抗震计算(地下室层数在操作软件中已定义)。这时,地下室外墙按开洞设计还是按不开洞设计,差别不大,从理论上也应当没有多大影响。但此时,须保证地下室侧向刚度是一层的两倍及以上。否则地下室应参与抗震计算。假如地下室参与抗震计算。外墙设计开洞与不开洞对上部结构抗震分析,可能有不同的结果,要视工程具体情况而定,不能一概而论。

　　6 结语

　　随着我国经济的高速发展,城市化进程不断加快,迫使人们不断的开发利用地下空间,地下室外墙的计算就变成结构设计中不可或缺的重要一环。但是不同的设计人员计算出的地下室外墙厚度、配筋相差较大,有些计算简图、配筋形式也欠合理。本文就如何考虑地下室设计做一探讨,为以后的类似设计提供参考。

　　参考文献：

　　[1] 王凯鹏.地下室外墙设计探讨 [J].福建建设科技,2006(6).

　　[2] 蔡舒.浅析地下室外墙计算和设计 [J].价值工程,2011(15).