探讨地下室结构设计
关健词:地下室；结构设计；计算
0引言
地下室的结构设计在整个建筑结构中的设计中往往比较重要。因为地下室的位置较为特殊，地下室是否与上部结构一起计算对于计算结果影响较大；其底板经常同时作为结构的基础，需要考虑地基的反作用力；顶板作为人防工程的重要部位，需要组合核爆炸力的等效静荷载；侧墙则需考虑侧向的土、水的水平作用组合。总之，地下室的结构设计可按整体设计和构件的单独设计分别进行。下面对几个问题进行阐述。
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。
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
1.2.1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。
1.2.2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,豺性土可取0.5-0.7。
1.2.3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，如建筑外框架柱之间，按双向板计算配筋为宜，如图1所示，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，其一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。
1.2.4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地下室结构超长的问题
由于建筑布局的要求，有时地下室结构超长，多数情况下都超过了40-60M。地下结构虽然受温度变化的影响较地上结构小，但周边约束作用较强，结构超长问题的重要性仍然不容忽视。目前比较成熟的做法有以下几种:
1.3.1设置伸缩后浇带
地下结构一般在结构长度大于40-60M时宜设置一道伸缩后浇带，普通的伸缩后浇带宽度约为800-1000MM，钢筋贯通不切断。对于平面尺寸特别长的地下结构，应设置钢筋断开的伸缩后浇带，后浇带的宽度按钢筋搭接所需最小尺寸和必要的操作空间确定。
1.3.2不设置伸缩后浇带，采取其它相应措施
主要有:采用低强度等级混凝土；混凝土中添加微膨胀剂；采用粉煤灰混凝土技术；适当加大分布钢筋配筋量；施工缝处设置膨胀止水条；设置膨胀加强带。事实上，目前已建成的许多建筑结构，由于采取了上述措施，并进行了合理的施工，伸缩缝间距已超过了规范规定的数值。
1.3.3以上两种方法结合使用
1.4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。地下室抗浮，是指设计考虑不利条件下，由于地下水设计水位高于地下室基础底板，地下水在底板就会产生浮托力，如果这个浮托力大于地下室的自重，就可能导致地下室上浮变形，所以地下室的抗浮，不是指基础底面土的隆起，虽然这有一定关系，但基坑底面隆起一般发生于基坑开挖过程中，属于地基土变形的范畴。考虑抗浮问题必须通过计算，一般在作用于基础底板的地下水浮托力大于地下室的自重时，应该考虑抗浮设计，这与土类关系不大，主要受地下水位和地下室结构荷载大小控制，当然基础底面地层属于弱透水或隔水层，对抗浮设计是有利的。就目前而言，国内抗浮设计主要采用抗拔桩或抗拔锚杆，其它坑浮结构几乎很少见，且抗拔桩或抗拔锚杆必须嵌入基础底板才能起到阻止基础上浮的目的。
2地下室侧墙分析
2.1荷载组合
需要对地下室侧墙进行组合的荷载有:顶板传来的活荷载与恒荷载；侧墙自重；侧土压力和水压力:
处于地下水位以上的侧墙所受的侧向土压力可按下式计算:
式中ekx——侧墙上位置K处的土侧压强度；
Vi—第i层土在天然状态下的容重；
hi—各层土的厚度；
ψ—位置K处土层的内摩擦角，工程上常不考虑内聚力而将ψ值提高。
处于地下水位以下的侧墙所受的土、水侧向压力。可将土、水分别计算，其中土仍按上式计算，但土层重度应以土的饱和重度代替，而侧向水压力按下式计算:eks=vshs
式中eks——侧墙在位置K处的水压力强度；
hs——K处离开地下水位的距离。
人防工程中的核爆压缩波形成的水平方向动载，可通过计算将该动载转化为等效静载。
3人防工程中地下室的计算
3.1人防作用效应组合
地下室构件的截面验算(如梁柱墙等)，除考虑恒、活、风、地震作用效应组合外，对于考虑人防地下室的普通构件，应考虑两组人防作用效应组合:①2SGK+1.OSQK；②1.OSGK+1.OSQK。其中，SGK为恒载作用效应，SQK为相应于Qe1的人防设计荷载作用效应；对于临空墙，考虑的人防作用效应组合同上，其中SQK为相应于Qel和Qc的人防设计荷载作用效应，截面验算内容包括墙平面内强度验算和平面外强度验算；对于地下室外墙，考虑的人防作用效应组合有:①1.2SGK+1.OSEK+1.OSQK；②1.OSGK+1.OSEK+1.OSQK其中，SEK为地下室外墙的侧向土、水压力作用效应，SQK为相应于Qe1和Qe2的人防设计荷载作用效应，截面验算内容包括墙平面内强度验算和平面外强度验算。
3.2构件材料强度的调整
3.2.1材料动力设计强度的调整硅、钢筋和钢材的动力强度设计值取静荷载作用下的强度设计值乘以强度综合调整系数
3.2.2硅强度的修正：①进行钢筋硅梁斜截面承载力验算时，考虑硅强度等级影响的修正；②进行梁、柱斜截面承载力验算时，硅的动力强度设计值乘以折减系数0.8；③进行墙、柱受压构件正截面承载力验算时，硅轴心抗压动力强度设计值乘以折减系数0.8。
3.2.3钢筋矽构件纵向钢筋的最小配筋率。
4结束语
地下室的设计应遵循安全、适用和合理的原则，合理的设计是前提。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JGJ3-2002(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]陈新农.地下室结构设计的影响因素与技术措施.建材技术与应用.2007年3月.
[2]徐建等.建筑结构设计常见及疑难问题解析[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.