淺談建筑半地下室框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

張弢

摘 要：本文以某一工程為案例，介紹了兩種建筑半地下室框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，同時對這兩種設(shè)計方案進行了計算結(jié)果對比、整體模型受力分析等，而后又提出了相應的設(shè)計措施，希望能夠為半地下室框架結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：半地下室；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計

中圖分類號：TU323 文獻標識碼：A

某學校教學樓工程，建筑功能主要以教學、試驗為主，地上5層，地下1層（半地下室），結(jié)構(gòu)總高20.95m。按照某市建設(shè)“關(guān)于提高學校醫(yī)院等人員密集場所建設(shè)工程抗震設(shè)防標準的通知”，所有7度（0.15g）的學校建筑均按8度（0.2蔚設(shè)計。框架結(jié)構(gòu)抗震等級為二級，屯類場地土。室內(nèi)地坪為±0.000m，室外地坪為-1.450m，地下室結(jié)構(gòu)底板上皮標高為-4.100m，地下室建筑地坪為-3.900m，地下室結(jié)構(gòu)層高4.1m。

一、計算模型與分析

1 模型的建立與計算結(jié)果對比

該建筑工程要求地面以上窗戶的高度為30cm，同時要保證窗戶沿著兩柱貫通，要想滿足這一要求，地下水擋土墻與頂板之間都不能相互連接。正是因為如此，該工程的模型嵌固端，無法充當?shù)叵率翼敯?，嵌固端應該設(shè)計到頂面之上，地下室有245cm深入地下。

此次工程中共有兩種模型設(shè)計方案：第一種模型方案，根據(jù)6層框架進行相應的設(shè)計，既不設(shè)計擋土墻，也不設(shè)計地下室。使用PKPM軟件來進行模型設(shè)計，輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)時，地下室層數(shù)一欄填寫0。第二種模型方案，輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)時，地下室層數(shù)一欄填寫1。高位窗根據(jù)剪力墻開洞方式來進行處理。

通過計算分析比較發(fā)現(xiàn)，如果考察整體指標，則第二個設(shè)計模型方案比較好，第一種設(shè)計模型方案存在著不安全因素；第二種模型方案因為是剪力墻結(jié)構(gòu)，而且參數(shù)數(shù)據(jù)是一層地下室，此時就會明顯出現(xiàn)側(cè)向剛度突變的問題，彎矩與第一種模型方案相比，明顯要大；第二種模型方案框柱內(nèi)力值與第一種模型方案相比，明顯很大，橫向縱筋與豎向縱筋，第二種模型方案都要比第一種模型要打，但是框柱箍筋這兩種模型方案都沒有明顯差異。

2 整體模型受力分析

因為第二種方案中需要設(shè)計擋土墻，而擋土墻的剛度非常大，同時受到周圍土體非常大的約束，所以地層側(cè)向剛度要非常大。此時就框架來說，剛度難以均勻，地上一層是最為重要的突變位置，因此非常容易出現(xiàn)剪切破壞。因為擋土墻與框架柱存在著比較大的約束力，而底層框柱同時會受到水平荷載的影響，這就使得窗戶高度范圍轉(zhuǎn)變?yōu)槎讨?，同時剪跨比非常小，能夠?qū)⑵淇醋魇嵌讨绻l(fā)生地震，短柱常常會造成斜拉破壞。所用的PKPM軟件并沒有對小孔洞加以考慮，這與工程的顯示要求并不相同。如果高窗能夠貫通，框架梁無法與剪力墻進行連接，則第二種模型設(shè)計方案的梁內(nèi)力不會如模型中計算的那么小。

二、整體模型設(shè)計措施

地下室擋土墻進行開洞處理后，會出現(xiàn)短柱，此時擋土墻抗震效果并不好。如果施工場地能夠滿足要求，擋土墻與主體結(jié)構(gòu)可以不連接，相互脫離，換言之，就是與主體相差一段距離后，再進行砌體磚墻。主體結(jié)構(gòu)并不連接擋土結(jié)構(gòu)，這樣即便發(fā)生地震，兩者也不會發(fā)生碰撞。但是施工場地無法滿足要求，所以上述方法并不能實現(xiàn)。如果設(shè)計地下室剪力墻，則外圈框架柱必須要提高抗剪能力，這就需要設(shè)計人員對框架柱進行全高加密處理，如果有需要還需要入型鋼芯柱。

對于沒有開洞的剪力墻，需要依據(jù)水平長度大小來進行設(shè)計，如果水平長度比較小，則可以設(shè)計成暗柱，能夠上下貫通，這是由于窗戶的受力情況與短柱基本上相同，為了能夠防止地震發(fā)生時，暗柱發(fā)生拉裂，設(shè)計人員應該增加抗剪箍筋。

站在整體指標角度來考慮這一問題，模型一的確存在著安全隱患，而整體框架梁柱是根據(jù)第一種設(shè)計方案獲得的。但是因為地下室擋土墻能夠為整體結(jié)構(gòu)提供剛度，使得地上一層變?yōu)榧械膭偠韧蛔兾恢?，第二種模型方案框梁內(nèi)力要明顯高于第一種設(shè)計方案。所以現(xiàn)實設(shè)計過程中，設(shè)計人員為了能夠滿足結(jié)構(gòu)要求，需要將這兩個方案有效結(jié)合，進行包絡(luò)設(shè)計。

三、地下室擋土墻計算分析

地下水位非常低時，擋土墻與框架柱就能夠進行有效的連接，而且還能夠進行設(shè)縫，但是此種現(xiàn)狀基本上不會發(fā)生。通常情形都是，擋土墻與框架柱直接設(shè)計成為固接或者是鉸接的方式。擋土墻上端因為需要開窗，變?yōu)樽杂啥?，墻下端與底板相連接，因此可以進行固接處理。

擋土墻與框架柱相連接時，橫向方向上會受到很多壓力的影響，第一個就是直接測壓力，第二個就是間接側(cè)壓力。如果梁柱的側(cè)向剛度非常大，間接側(cè)壓力更加的突出。但是如果擋土墻與框架柱并沒有設(shè)置任何的縫隙，則不會出現(xiàn)側(cè)壓力，如果兩者相互連接，即使是鉸接處理，依然會出現(xiàn)間接側(cè)壓力。

設(shè)計人員采用簡化計算方法，將地下室擋土墻共角形荷載等效為矩形荷載。將地下室擋土墻視為三邊固定一邊自由的板，荷載按周邊傳遞考慮，得出傳到框架柱上的間接側(cè)壓力。通過與有限元計算，當?shù)叵率覔跬翂﹂L與高的比值在1.2～1.5時，簡化計算誤差在5%以內(nèi)。實際上，可以將地下室擋土墻作為板單元結(jié)構(gòu)進行分析。按照板計算的一般原則，若擋土墻長與高的比值>3，擋土墻即可視為單向板，側(cè)向壓力僅向擋土墻上下兩端傳遞，而傳給框架柱的間接側(cè)壓力則很小，可忽略不計。若擋土墻長與高的比值<2，可按雙向板計算。

本工程中，柱距為8.4m，墻高為3m，外墻上端自由、下端固接。由于地下水位較高，為防止水滲人，外墻與柱之間不設(shè)縫。側(cè)壓力沿地下室擋土墻豎直方向單向傳遞，計算模型取lm寬板帶，按懸挑構(gòu)件計算內(nèi)力，用0.2mm裂縫控制配筋，擋土墻豎向筋為主受力鋼筋。為弱化地下室擋土墻與框架柱的連接，水平方向鋼筋配置宜盡量減小，但仍需保證二者交接處裂縫限值。

結(jié)語

綜上所述，可知本文提出的兩種設(shè)計方案要結(jié)合起來使用，單獨任用任何一種方案都會出現(xiàn)安全隱患。開高窗的短柱設(shè)計人員要恰當?shù)倪M行處理，以此提高短柱的抗剪能力，如果場地條件能夠滿足需求，可以讓擋土墻與整體不連接。此外，設(shè)計人員在進行設(shè)計時，要需要考量到間接側(cè)壓力的問題。

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