浅谈地下室建筑外墙设计分析

2023-01-04

设计作为建筑及建筑外墙的第一道关卡, 是地下室质量保证的前提。充分考虑各种影响因素, 合理选用计算模型及设计荷载, 是地下室外墙设计的关键。

1 地下室的外墙设计相关事项

荷载组合地下室外墙承受的荷载, 除了上部结构传来的恒、活、风荷载和地震作用之外, 还有地下室本身的竖向荷载、地面活荷载、侧向土压力和地下水压力。在实际工程中, 风荷载和地震作用产生的内力一般不起控制作用, 墙体平面外配筋主要由垂直于墙体的水平荷载产生的弯矩和竖向荷载产生的轴力组合的压弯作用控制。

内力计算地下室外墙可根据支承情况计算水平荷载作用下的弯矩。由于地下室内墙间距不等, 可把楼板和基础底板作为外墙的支点按单向板计算, 基础底板为固端, 顶板为铰支座。也可按考虑塑性内力变形重分布的方法计算弯矩, 可以节省钢筋用量。外墙的受拉区混凝土可能出现弯曲裂缝, 但由于裂缝较细微不会贯通整个截面, 外墙仍具有足够的抗渗能力。

计算模型选取是地下室外墙的边界支承条件应根据两者抗弯刚度比值确定。一般而言, 地下室墙厚小于地下室底板的厚度, 而墙底均设有基础梁, 可按固端假定而地下室的顶板板厚较薄, 比地下室外墙厚度小, 难以平衡地下室墙顶弯矩, 因此地下室外墙与顶板连接一般按铰接假定。地下室外墙墙体间应根据扶壁柱大小确定是否作为支座, 一般主楼柱截面大, 可作为支座 (柱厚度不宜小于墙厚的2.5倍) , 裙房柱截面较小, 不能作为支座, 当柱作为外墙支座时, 计算柱时应计入外墙水平荷载对柱产生的弯矩, 否则柱会偏不安全。地下室外墙根据实际情况, 按照上述原则确定计算简图, 按单向板或双向板计算。

2 地下室外墙所受荷载

地下室墙体所承受荷载主要有上部结构传来的竖向荷载、土压力、水压力、核爆动荷载、温度应力等。上部结构传来的竖向荷载:当地下室墙体直接承受上部结构的竖向荷载时, 墙身计算应计入竖向荷载影响, 否则偏不安全, 当上部结构的竖向荷载由扶壁柱直接传递给基础时, 则可不考虑上部结构的竖向荷载。土压力:目前工程中大多采用W·J·M朗金 (Ran Kine) 理论和C·A库伦 (Coulomb) 理论。土压力根据回填土土层分层按静止土压力计算。

水压力:非人防工况时水压力计算, 考虑到地下水位一般随季节变化, 尤其是南方多雨地区应当考虑地表滞水形成的地下水的影响。同时当回填土高于原自然地面时, 可导致地下水位提高。因此水压力的计算不能完全依靠地质报告中的常年地下水水位计算, 应根据建筑物最高涝水位确定。人防工况时水压力计算考虑到人防荷载与最高涝水位同时出现的概率较小, 可采用地质报告中的常年地下水水位计算。

核爆动荷载:是指核武器爆炸形成的地面空气冲击波压力。核爆动荷载属偶然荷载, 具有荷载量值大、作用时间短且不断衰减等特点。该荷载只有人防地下室才考虑, 其荷载取值应根据其所在的位置及功能按文献取值。温度应力:地下室较长时会产生由于砼水化过程产生的砼自身收缩应力以及温度变化引起的温度应力, 一般情况下可采取设置后浇带、加强养护、构造配筋等措施来解决, 但墙长过长时应计入温度应力影响。

3 地下室墙体荷载组合的确认

按荷载规范对于承载力应按照承载力极限状态和正常使用极限状态进行荷载效应组合, 分别满足γ0 S≤R及S≤C要求。

(1) 承载力极限状态荷载组合设计值S。

防工况下S=外墙核爆动等效静荷载标准值+1.2x水土压力标准值+1.2x地面堆载产生的水平力标准值。

人防工况下S=1.2 x水土压力标准值+1.2 x地面堆载产生的水平力标准值。

(2) 正常使用极限状态荷载组合标准值S按规范人防工况下不必进行裂缝宽度验算, 在非人防工况下则必须进行裂缝宽度验算, 地下室外墙外侧与水、土壤直接接触, 裂缝宽度按小于等于0.2 m m控制, 地下室外墙内侧为室内环境, 裂缝宽度按小于等于0.3mm控制。标准值S=水土压力标准值+地面堆载产生的水平力标准值一般情况下裂缝宽度与承载力计算相比裂缝宽度计算起控制作用。

4 常见错误分析

模型选择不当出现的误差地下室外墙板左右两侧为钢筋混凝土内隔墙相连或截面较大的外墙扶壁柱相连, 高宽比满足双向板要求时, 未按双向板计算, 而采用沿纵向1 m板宽的竖向单向板计算, 且配筋时水平向为构造配筋, 易造成水平向负筋不足导致外墙开裂渗水。

例如:某单层外墙板, 混凝土强度为C 3 0, 左右两侧为钢筋混凝土内隔墙, 间距8 m。地面标高为-0.3 m, 水位标高为-0.8 m, 顶板面标高为-1.0 m, 底板面标高为-6.0 m, 墙厚度0.35m, 裂缝宽度按0.2mm控制。根据计算水平向配筋为Φ1 6@1 2 0 (As=1676mm2) 方可满足。若采用模型水平向为构造配筋即Φ14@200 (As=770mm2) , 不仅裂缝将达到0.7 m m, 且不能满足强度计算要求。荷载选择不当出现的误差不少参考书中未考虑室外地面、地下水与顶板不同位置时荷载的变化情况, 而统一采用近似计算。

5 地下室外墙设计时应注意的事项

(1) 地下室外墙混凝土水化过程中产生收缩应力及温度变化引起的温度应力, 受到结构底板和基坑边壁等的约束, 墙身会产生较大的拉应力, 容易产生收缩裂缝, 设计时应采取措施进行控制一般墙长3 0 m~4 0 m设置施工后浇带, 施工应加强养护, 减少外墙暴露时间, 墙身水平筋配筋率不宜小于0.5%, 钢筋间距不宜大于1 5 0, 墙身砼强度不宜过高, 宜控制在C 3 5及C 3 5以下, 并可掺入一定量的微膨胀剂减少砼自身收缩等。

(2) 不能作为墙身支座的外墙扶壁柱, 考虑计算模型与实际情况存在的差异, 在配筋时应予考虑, 对该扶壁柱内外侧主筋应予以适当加强;同理, 扶壁柱处外墙水平筋也应适当加强。

(3) 地下室外墙计算时底部为固端支座 (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平衡, 底板的抗弯能力不应小于侧壁, 其厚度和配筋量应匹配, 这方面问题在地下车道中最为典型, 车道侧壁为悬臂构件, 底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。

(4) 地面层开洞位置 (如通风井) 外墙顶部无楼板支撑, 外墙墙顶为自由端, 计算模型和配筋构造均应与实际相符。

(5) 车道紧靠地下室外墙时, 车道底板位于外墙中部, 应注意外墙承受车道底板传来的水平集中力作用。