大底盤地下室錯層結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題的思考

■袁建龍 ■寶雞市民用建筑勘察設(shè)計院，陜西 寶雞 721001

1 大底盤地下室錯層結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代建筑綜合功能復(fù)雜，設(shè)備、設(shè)施專業(yè)要求較高，且設(shè)備設(shè)施占用的建筑空間面積較大。從建筑設(shè)計及使用功能要求方面綜合考慮，一般均考慮在建筑物底部地面以下部分設(shè)置一定區(qū)域來滿足這一方面的功能要求。預(yù)期達(dá)到一個較好的使用功效及工程性價比指標(biāo)。隨著建筑使用功能要求的不斷提高，地下室部分越建越大，其工程成本占整個建筑物工程造價的比例也越來越高。從工程結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，這種情況下，地下部分結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)受力的影響不容忽視。因此，設(shè)計好這一部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程意義至關(guān)重要。下面筆者通過對在工作中遇到的一些實(shí)際問題的思考來共同探討一下如何處理好這一方面的相關(guān)問題，使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

從建筑整體功能角度出發(fā)，地下室部分往往會超出上部主樓平面范圍以外，超出部分可能會較大，且因考慮主樓底部設(shè)置管道夾層或室外貫穿預(yù)埋管溝及室外功能設(shè)施等要求，該部分結(jié)構(gòu)樓面標(biāo)高需要降低。當(dāng)然也可能存在因建筑場地地勢高低的原因，造成室外地下室頂板抬高而高于主樓室內(nèi)地面樓板的情況，甚至僅室外部分頂板也會出現(xiàn)板頂不共面的情況。這些情況均會造成結(jié)構(gòu)底部樓板錯層。地下室頂板部位在整個結(jié)構(gòu)受力中是極其重要的關(guān)鍵部位，而樓板錯層又是結(jié)構(gòu)受力不利的復(fù)雜工況，那么在工程結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位出現(xiàn)受力不利的結(jié)構(gòu)錯層現(xiàn)象，這是一個很復(fù)雜而又不能避免的問題。

關(guān)于結(jié)構(gòu)錯層的認(rèn)知，因各建筑情況不同，室外地下室頂板與主樓室內(nèi)地面樓板的高差也不盡相同，小的可在60cm 以內(nèi)，大的可達(dá)2～3m 不等。工程界一般認(rèn)為:當(dāng)高差值不超過結(jié)構(gòu)主梁截面高度或60cm，甚至不超過地下一層層高的1/4 時，當(dāng)對錯層部位周邊構(gòu)件采取有效結(jié)構(gòu)措施及相應(yīng)的構(gòu)造措施后，可近似按不錯層考慮。而當(dāng)高差值超出上述范圍時，則應(yīng)按結(jié)構(gòu)錯層對待，結(jié)構(gòu)需采取有效措施。采取何種有效措施，既使結(jié)構(gòu)安全可靠，又對建筑使用空間影響較小，筆者認(rèn)為大致可按以下辦法來考慮:(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值不大時，可適當(dāng)加大樓層梁板截面剛度或采取梁板端部加腋的辦法，加腋可根據(jù)情況高標(biāo)高梁板下加腋，低標(biāo)高梁板上加腋。(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值不大時，可采取適當(dāng)降低較高結(jié)構(gòu)板面標(biāo)高，以減小或消除高差值，再在板頂覆土的辦法。結(jié)構(gòu)層按不錯層結(jié)構(gòu)考慮。(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值較大時，可結(jié)合設(shè)備要求設(shè)架空管道夾層，降低較高結(jié)構(gòu)板面標(biāo)高，夾層頂部結(jié)構(gòu)層可考慮采用裝配式或裝配整體式地面，其與主體墻柱脫開并采用柔性材料填縫。此時夾層不作為結(jié)構(gòu)層參與整體結(jié)構(gòu)計算，而只考慮其荷載效應(yīng)及夾層自身的構(gòu)造措施。(4)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值較大時，亦可增加設(shè)備夾層，夾層按一個結(jié)構(gòu)層輸入模型，參與整體模型分析計算。(5)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值較大時，可通過增設(shè)斜撐板或設(shè)置架空桁架，也可在錯層處增設(shè)剪力墻，以調(diào)整錯層處結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度，避免或減小錯層處受力不利結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不良受力狀態(tài)，使水平力在錯層部位相對均勻平緩的過渡傳遞。(6)如通過以上幾種辦法均不能解決時，可考慮在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置設(shè)置永久變形縫，將室外部分與主樓部分徹底斷開，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算。

希望通過采取以上幾種方法，能夠處理一些情況下因樓板錯層所造成的不利影響，并能夠滿足工程結(jié)構(gòu)安全可靠度的要求。

2 結(jié)構(gòu)嵌固端的考慮

從工程力學(xué)意義上講，結(jié)構(gòu)嵌固端一般理解為上部結(jié)構(gòu)作用于底部抗力剛度無窮大的支承面之上。通常在設(shè)計中假定上部結(jié)構(gòu)嵌固在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，而實(shí)際上這一假定只有在剛性地基的條件下才能實(shí)現(xiàn)，對于絕大多數(shù)都屬于柔性地基的地基土而言，在水平力作用下結(jié)構(gòu)底部以及地基都會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。因此所謂嵌固實(shí)質(zhì)上是指接近于固定的計算基面。

大量工程試驗(yàn)資料表明了以下兩個基本特點(diǎn):一是具有外墻的地下室結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)，與周邊土層緊密接觸，當(dāng)設(shè)有一定數(shù)量的內(nèi)縱橫墻時，地下室變形呈現(xiàn)出與剛體變形相似的特征。二是地下結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角體現(xiàn)了柔性地基的影響，地震作用下可假設(shè)地下結(jié)構(gòu)為一剛體，上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板之上，而在嵌固部位處增加一個與柔性地基相同的轉(zhuǎn)角。基于上面的資料數(shù)據(jù)分析可以作出以下假定:在要求基礎(chǔ)和地下室結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和承載力，以保證上部結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段時，基礎(chǔ)和地下室結(jié)構(gòu)始終能承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并將荷載安全傳遞到地基上。此時可考慮地下室頂板可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。但為了避免塑性鉸轉(zhuǎn)移到地下一層結(jié)構(gòu)，保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的耗能機(jī)制，規(guī)范對地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了明確細(xì)致的設(shè)計規(guī)定，以滿足地下室結(jié)構(gòu)剛度及承載力足夠大的設(shè)計假定。

下面試列舉一些規(guī)范對關(guān)于結(jié)構(gòu)嵌固端的具體規(guī)定及相關(guān)概念設(shè)計:

(1)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010 第6.1.14.1 條“地下室頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞口，地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關(guān)范圍以外的地下室頂板宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，其樓板厚度不宜小于180mm，砼強(qiáng)度等級不宜小于C30。應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每個方向配筋率不宜小于0.25%”。第6.1.14.2 條“結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5 倍。地下室周邊宜有與其頂板相連的抗震墻。”

(2)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010 第5.3.7 條“高層建筑結(jié)構(gòu)整體計算時，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2。”

(3)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011 第8.4.25 條“當(dāng)?shù)叵乱粚咏Y(jié)構(gòu)頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時，應(yīng)符合下列規(guī)定:①地下一層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大于或等于與其相連的上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的1.5 倍。②地下室外墻和內(nèi)墻邊緣的板面不應(yīng)有大洞口，以保證將上部結(jié)構(gòu)的地震作用或水平力傳遞到地下室抗側(cè)力構(gòu)件中。③當(dāng)?shù)叵率覂?nèi)、外墻與主體結(jié)構(gòu)墻體之間距離符合以下要求時，地下室墻與主體結(jié)構(gòu)墻之間的最大間距d，當(dāng)抗震設(shè)防烈度在7 度、8 度或9 度時分別不大于30m 或20m 時，該范圍內(nèi)的地下室內(nèi)、外墻可計入地下一層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，但此范圍內(nèi)的側(cè)向剛度不能重疊使用于相鄰建筑。當(dāng)不符合上述要求時，建筑物的嵌固部位可設(shè)在筏形基礎(chǔ)的頂面，此時宜考慮基側(cè)土和基底土對地下室的抗力。”

多種規(guī)范均對結(jié)構(gòu)嵌固端提出了明確的規(guī)定，其旨在保證嵌固層結(jié)構(gòu)面具有足夠的傳遞水平力的整體剛度，也可充分發(fā)揮其有效減小基礎(chǔ)整體彎曲變形和基礎(chǔ)內(nèi)力的作用，使結(jié)構(gòu)受力及變形更為合理經(jīng)濟(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嵌固層樓板參與工作后對降低基礎(chǔ)整體撓曲度有較大貢獻(xiàn)，且基礎(chǔ)整體撓曲度隨著樓板厚度的增加而減小。

綜上所述，正是基于對結(jié)構(gòu)底部嵌固端的確認(rèn)，結(jié)構(gòu)整體分析計算時其相關(guān)的一些計算指標(biāo)就有了計算參考點(diǎn)。如結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)范圍，結(jié)構(gòu)抗震等級、層剛度比、結(jié)構(gòu)計算高度及結(jié)構(gòu)底部內(nèi)力調(diào)整等。在實(shí)際工程設(shè)計當(dāng)中如有需要，也可將整體計算模型從結(jié)構(gòu)嵌固端部位分開，分別進(jìn)行上部及底部結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)多人同時操作設(shè)計，以便提高設(shè)計效率。

3 消防車荷載

隨著建筑物使用功能種類的多樣化，建筑體量也越來越大，對建筑消防防火的要求也大大提高，從而就會涉及到消防車和運(yùn)輸車輛的問題?，F(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012 對消防車荷載有明確的規(guī)定。，使用時具有一定的前提條件。然而現(xiàn)在工程情況千差萬別，很難用一種或幾種工況來模擬代表所有的工程狀況。當(dāng)工程情況與規(guī)范規(guī)定條件不同時，如何正確合理的使用規(guī)范來進(jìn)行設(shè)計，先從規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012 出發(fā)，由規(guī)范第5.1.1 條部分列表及注解說明:

注:3.表中消防車活荷載適用于滿載總重為300kN 的大型車輛，當(dāng)不符合本表的要求時，應(yīng)將車輪的局部荷載按結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效原則，換算為等效的均布荷載。4.第8 項消防車活荷載，當(dāng)雙向板樓蓋板跨介于3m ×3m～6m ×6m 之間時，應(yīng)按跨度線性插值確定。

由規(guī)范第5.1.3 條“設(shè)計墻、柱時本規(guī)范表中的消防車活荷載可按實(shí)際情況考慮。設(shè)計基礎(chǔ)時可不考慮消防車荷載，常用板跨的消防車活荷載按覆土厚度的折減系數(shù)可按附錄B 規(guī)定采用?！惫P者對地下室結(jié)構(gòu)考慮消防車荷載時規(guī)范規(guī)定的理解，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)知:(1)使用的荷載值為車輪局部荷載按結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效原則換算后得到的均布荷載。(2)荷載的取值與樓蓋的形式及板跨度大小有關(guān)，雙向板可根據(jù)板跨度區(qū)間進(jìn)行線性內(nèi)插取值。(3)規(guī)范中使用的荷載等效值是考慮滿載的重型消防車荷載值，重型消防車荷載取值范圍一般在20t～30t，規(guī)范按30t 考慮。適用條件是一般考慮當(dāng)建筑物總高度在30m 以上或建筑面積較大時應(yīng)考慮重型消防車荷載。而目前常見的中型消防車總質(zhì)量一般小于15t，對于住宅，賓館等建筑物滅火時常以中型消防車為主?？梢钥闯觯谙喈?dāng)多的情況下如直接采用規(guī)范取值顯然過于偏大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力過大，不經(jīng)濟(jì)，此時應(yīng)按實(shí)際荷載情況取值，可有效降低地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面及配筋。(4)地下室頂板有覆土?xí)r，在計算梁板時可根據(jù)覆土厚度對活荷載進(jìn)行折減。(5)計算結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)時可不考慮消防車荷載。(6)在對樓蓋梁板變形(撓度及裂縫)計算時按正常使用情況下活荷載效應(yīng)考慮，可不考慮消防車荷載。(7)考慮到消防車荷載作用的偶然性和短暫性(消防站工作地面及通道除外)，則消防車活荷載不應(yīng)參與荷載的基本組合，而應(yīng)參與荷載的偶然組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算。不應(yīng)參與荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，而應(yīng)參與荷載的頻遇組合進(jìn)行構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。筆者以為，目前工程上一般卻將其視為一般活荷載與其他荷載組合，這在荷載組合概念上是欠妥的。

綜上所述，要正確合理的使用消防車荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要設(shè)計者根據(jù)不同的工程情況，結(jié)合規(guī)范精神作出合理的判斷，這樣才能確保結(jié)構(gòu)安全的同時做到合理經(jīng)濟(jì)。

4 地下室剛度及外墻

結(jié)合目前常用的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件及設(shè)計者的操作方式，建立結(jié)構(gòu)計算模型時一般直接將地下室外墻輸入模型，參與整體結(jié)構(gòu)計算，以體現(xiàn)真實(shí)的剛度計算模型。以此來考慮其對整體結(jié)構(gòu)受力的影響。此時外墻不單起傳統(tǒng)意義上擋土墻的作用，而且是重要的抗豎向力及水平力構(gòu)件，對提高地下室結(jié)構(gòu)整體剛度及基礎(chǔ)剛度有較大的作用。計算地下室結(jié)構(gòu)剛度的大小會影響到對上部結(jié)構(gòu)嵌固端位置的判定，尤其是抗側(cè)力剪切剛度。一般認(rèn)為，在不考慮地下室周邊土體約束的情況下，地下一層有效抗側(cè)剪切剛度與上部結(jié)構(gòu)底層抗側(cè)剪切剛度的比值不宜小于2，且構(gòu)造措施滿足規(guī)范規(guī)定的條件，則地下室頂部可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。有效剪切剛度是指地下室相關(guān)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)剛度，相關(guān)范圍以外部分抗側(cè)剛度則不予計入。因此為滿足剛度比條件，則應(yīng)盡量提高相關(guān)范圍以內(nèi)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，并加強(qiáng)構(gòu)結(jié)構(gòu)造措施，但同時相關(guān)范圍以外部分仍應(yīng)采取一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。外墻剛度對地下室有效抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)大小與其在工程中所處的位置與上部結(jié)構(gòu)的距離有關(guān)。無論如何，對整個地下室結(jié)構(gòu)而言，其工程意義是非常重要的，所以設(shè)計者應(yīng)認(rèn)真對待這一問題。

外墻作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計時，因其計算簡圖中邊界約束條件的定義粗略程度以及墻體平面外荷載取值的近似性，還有對墻體構(gòu)造措施處理的強(qiáng)弱等因素均會造成設(shè)計與墻體實(shí)際受力狀態(tài)誤差偏大。大致可從以下幾個方面考慮。

4.1 土壓力計算

目前工程中大多采用朗金理論和庫倫理論來計算土壓力。地下室外墻在土壓力作用下不會發(fā)生整體側(cè)移，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，外墻所承受的土壓力為靜止土壓力，而非被動土壓力。一般情況下靜止土壓力系數(shù)取值:對砂類土可取0.35～0.45，對黏性土可取0.5～0.7。當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎么箝_挖方式，無坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)時，靜止土壓力系數(shù)一般取0.5，但當(dāng)考慮坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)與外墻共同作用時，靜止土壓力系數(shù)可乘以0.66 來近似計算，土壓力計算時地下水位以上取土的重度，水位以下取土的浮重度。

4.2 墻體計算模型的確定

以往地下室外墻計算近似按單向板計算，即取頂板、板底為外墻的支承點(diǎn)，取單位寬度的外墻視地下室的層數(shù)按單跨或多跨連續(xù)板進(jìn)行計算，外墻的支承條件按外墻與周邊構(gòu)件的剛度比確定，當(dāng)外墻剛度相對于與之相連周邊構(gòu)件剛度較大時，按簡支考慮，反之按固結(jié)考慮。目前常用的一些有限元計算程序已能按外墻的實(shí)際邊界條件進(jìn)行計算，當(dāng)外墻兩側(cè)存在翼墻或線剛度較大的扶壁框架柱，且翼墻或扶壁框架柱間距不大于層高的2 倍時，外墻可按雙向板計算。一般來說外墻多按墻體底部固結(jié)，頂部視情況為簡支、固結(jié)或半固結(jié)的壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)計算時忽略翼墻或扶壁框架柱對外墻約束的有利因素時，則外墻計算結(jié)果將會偏大。

4.3 構(gòu)造措施

構(gòu)造措施包括構(gòu)件計算抗震等級，墻體厚度、砼強(qiáng)度等級及配筋構(gòu)造等?？拐鸬燃壙筛鶕?jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010 第6.1.3條地下室無上部結(jié)構(gòu)的部分抗震構(gòu)造措施的抗震等級可根據(jù)情況采用三級或四級，建議取四級。各構(gòu)件的計算或構(gòu)造要求低。當(dāng)上部有主樓時，主樓相關(guān)范圍內(nèi)地下室構(gòu)件抗震等級與主樓相同，其它部分可定義為四級。計算外墻厚度取值應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的最小值，配筋在計算的基礎(chǔ)上可采用分離式配筋或?qū)ΨQ配筋。

5 結(jié)語

本文通過在長期設(shè)計工作當(dāng)中針對帶大底盤地下室錯層結(jié)構(gòu)中遇到的一些問題的思考與分析，面對地下室結(jié)構(gòu)情況較為復(fù)雜，設(shè)計時需針對不同的工程情況進(jìn)行具體分析，采取合理、恰當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，使結(jié)構(gòu)設(shè)計既能安全可靠，滿足規(guī)范要求，而且要做到經(jīng)濟(jì)合理，避免造成浪費(fèi)，以提高該部分工程結(jié)構(gòu)的性價比，這是每個結(jié)構(gòu)設(shè)計者必須關(guān)注和認(rèn)真面對的問題。

［1］GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［6］徐傳亮，光軍.《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及實(shí)例》［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［7］谷貴風(fēng).關(guān)于嵌固端的探討［J］.PKPM 新天地，2013，97(2):9-10，34.