摘要:从地下室结构平面、外墙、抗浮、防水、抗震及保护层和垫层厚度等几个方面,探讨了地下室结构设计中的存在的问题及相应的对策。
关键词:地下室 结构设计 防水设计 抗浮设计 嵌固
1. 地下室结构设计中存在的问题
1.1 地下室结构平面设计
地下室工程涉及的专业极为复杂,在高层建筑的地下室结构设计时,需综合考虑防火、使用功能、人防要求、设备用房及管道、坑道、排水、通风、采光等各专业的配合。例如地下室的长度超过设计规定的长度时,需要与结构专业配合,确定是否设置变形缝,通常应尽可能少设或不设变形缝,因为设置变形缝会使得变形缝处的防水处理变得复杂。设计人员可以通过设置后浇带和合理使用混凝土外加剂或地上设缝、地下不设缝等方式,达到不设缝的目的。若地下室过长,依靠设置后浇带的方法难以解决,设计人员应合理地调整平面,将地下室分割成几个小地下室,中间用较窄的通道相连,以满足使用及管道相连的要求,而将变形缝设置在通道处,这样可以使接缝较少且处于受力较小处,便于补救。在结构设计时应合理地设置采光通风井,若高层建筑采光通风井位置设计不当,例如在侧壁外作附加通长采光井,而采光井外壁又不能与地下室顶板整体连接,会造成地下室保证结构稳定功能的丧失,不能有效地将上部的地震及风力作用传至侧壁及地面,不能满足高层建筑的埋深要求。
1.2 地下室外墙结构设计
地下室的外墙是结构设计的重点,应按水、土压力验算外墙抗裂。在设计时应注意以下要求:
(1)荷载。地下室外墙所承受的荷载分为水平荷载和竖向荷载。竖向荷载包括上部及地下室结构的楼盖传重和自重,水平荷载包括地面活载、侧向土压力和人防等效静荷载。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,竖向荷载及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,仅按墙板弯曲计算弯曲的配筋。
(2)静止土压力系数。静止土压力宜由试验确定。当不具备试验条件时,砂土可取0.34～0.45,黏性土可取0.5～0.7。
(3)地下室外墙的配筋计算。实际设计时,在外墙的配筋计算中,对于带扶壁柱的外墙,不是根据扶壁柱的尺寸大小进行计算,而是均按双向板计算配筋;扶壁柱则按地下室结构的整体电算分析结果进行配筋,不按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。根据外墙与扶壁柱变形协调的原理,这种设计将使得外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋则有富余量。因此,在计算地下室外墙的配筋时,对于垂直于外墙方向、有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大的外墙板块,如高层建筑外框架柱之间,按双向板计算配筋为宜,其余的外墙宜按竖向单向板计算配筋。对竖向荷载(轴力)较小的外墙扶壁桩,其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋应根据扶壁柱截面尺寸的大小,适当地配以外侧附加短水平负筋加强,外墙转角处也应适当加强。地下室外墙计算时,底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端) ,侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩相等,底板的抗弯能力应不小于侧壁的抗弯能力,其厚度应与配筋量相匹配。这种情况在地下车道中最为典型,车道侧壁为悬臂构件,底板的抗弯能力应不小于侧壁底部的抗弯能力。
(4)地下室底板标高的设计。地下室底板标高变化处仅设1根梁,梁宽甚至小于底板的厚度,梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。地面层开洞位置(如楼梯间)外墙顶部无楼板支撑,计算模型和配筋构造均应与实际相符。车道紧靠地下室外墙时,车道底板位于外墙的中部,应注意车道底板作用于外墙的水平集中力,该荷载常被忽略。
1.3 地下室抗浮设计
地下水位及其变幅是地下室抗浮设计的重要依据。实际在地下室抗浮设计时仅考虑正常使用的极限状态,而对施工过程和洪水期重视不足,因而会造成地下室施工过程中因抗浮不够而出现局部破坏。另外,在同一整体大面积地下室的上部常建有多栋高层和低层建筑,由于地下室的面积较大、形状又不规则,且地下室上方的局部没有建筑,此类抗浮问题相对比较难以处理,须作细致分析后再进行处理。
1.4 地下室防水设计
地下室防水设计是一项十分重要的工作,甚至是决定地下室设计成败的关键。在防水设计时,应根据工程的性质、使用要求和重要性等合理确定防水等级,根据防水等级确定防水层数。无论防水等级为几级,地下室混凝土都应采用结构自防水混凝土,防水混凝土的抗渗等级应根据水头高度与混凝土壁的厚度比确定,不得人为地自行降低。
根据防水等级的要求,建筑的地下室仅设1道防水混凝土是不能满足要求的,一般应做卷材防水。在选用防水卷材时,应考虑到地下室环境恶劣、无法更换的特点,尽量选用耐久性好的卷材。防水卷材在地下室底侧应能闭合,尤其应重视节点设计如桩头、承台和积水坑等处,若构造设计不当,势必会形成漏底之舟,失去卷材防水的意义。另外,为了防止少量渗水,便于地下室车道处积水的排放,地下室应设排水明沟和积水坑。
1.5 地下室抗震设计
若地下室设计不当,对其整体的抗震性能会产生较大的影响。根据施工图审查要点,对于半地下室的埋深要求应大于地下室外地面以上的高度,才能不计算其层数,总高度才能从室外地面算起。地下室的墙柱与上部结构的墙柱应协调统一。对地下室顶板室内外板面标高变化处,当标高变化超过梁高范围时则形成错层,应采取一定的措施进行处理,否则不应作为上部结构的嵌固部位。相关规范明确规定,作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构,地下室顶板为无梁楼盖时不应作为上部结构的嵌固部位。结构计算应向下计算至满足嵌固端要求的地下室楼层或底板,但剪力墙底部加强区层数应从地面往上计算,并应包括地下层。
1.6 地下室保护层和垫层厚度
GB 50108―2008《地下工程防水技术规范》规定,防水混凝土结构厚度应≮250 mm;裂缝宽度应≯0. 2 mm,并不得贯通,在地下工程中宽度小于0.2的裂缝多数可以自行愈合;迎水面钢筋保护层厚度应≮50 mm。对于防水混凝土结构底板的混凝土垫层,其强度等级应≮C 15,厚度≮100 mm,在软弱土层中应≮150 mm。工程实践表明,若结构厚度或迎水面钢筋保护层厚度小于规范限值,经常会出现渗漏水现象,因此,修订以后的规范对限值作了相应的提高,在实际施工时应引起注意。GB 50108―2008《地下工程防水技术规范》在旧规范GB 50108―2001的基础上作了部分修订,设计人员应注意。
2. 结语
地下室的设计应遵循安全、适用和合理的原则,安全是合理设计的前提。地下室往往作为高层上部结构的嵌固部位,地下室的外墙刚度大,结构布置时应根据JGJ 3―2002《高层建筑混凝土结构技术规程》来保证其刚度,平面上尽量保持刚度均匀,各层板包括顶板的厚度应尽可能符合设计要求,尽量能使得地下室形成一个坚固的箱体。只有在参建各方的通力合作下,不断地进行探索和创新,才能更加合理、更加有效地开发和利用地下空间。
参考文献:
[1] 人民防空地下室设计规范(GB50038-2005)[S].
[2] JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S] .北京:中国建筑工业出社,2002.
[3] GB50108-2008《地下工程防水技术规范》[S].北京:中国建筑工业出社,2008.