地下車庫優(yōu)化設(shè)計與措施

毛黎明

(南京長江都市建筑設(shè)計股份有限公司，南京 210000)

1 工程概況

某地下車庫，地下室層高為3.6 m，頂板厚度300 mm，底板厚度350 mm，框架柱450 mm×550 mm，抗浮工程設(shè)計等級為甲級，地下車庫標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)及典型梁截面尺寸如圖1所示。

底板建筑面層為100 mm，頂板覆土厚度1.5 m。根據(jù)地勘報告提供的數(shù)據(jù)，抗浮水位取室外地面下0.5 m。

2 抗拔灌注樁設(shè)計

2.1 抗浮穩(wěn)定性計算

根據(jù)JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，建筑工程抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合下式規(guī)定：

式中，Gk為建筑結(jié)構(gòu)自重、附加物自重、抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力設(shè)計值總和；Nw，k為浮力設(shè)計值；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，對于抗浮設(shè)計等級為甲級的工程，使用期時取1.1。

本工程抗浮水頭高度為5.05 m，則水浮力值為Nw，k=9.8×5.05=49.49 kN/m2。結(jié)構(gòu)自重及頂板、底板附加物自重計算詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)及附加物自重

由表1可知，Gk=44.703 kN/m2＜1.1Nw，k=1.1×49.49=54.439 kN/m2，說明結(jié)構(gòu)抗浮不穩(wěn)定，需要采取相應(yīng)的抗浮措施，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

2.2 抗拔樁受拉鋼筋計算

本項目采用直徑600 mm 的抗拔灌注樁作為抗浮措施，鋼筋采HRB400，一柱一樁。假定抗拔樁提供的總抗力值為Fk，即(Gk+Fk）≥1.1Nw，k，則有：

Fk≥1.1Nw，k-Gk=9.736 kN/m2

每個標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)下抗拔樁需要提供的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：

Nk=8.4×0.5×(4.8+6.6）×9.736=467 kN

計算抗拔灌注樁縱向受拉鋼筋時，作用效應(yīng)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下作用的基本組合，相應(yīng)的分項系數(shù)為1.35，則抗拔灌注樁需要配置的受拉鋼筋面積為As=1.35Nk×1 000/360，抗拔灌注樁頂部軸向拉力最大處樁身配筋為As=1.35×467×1 000/360=1 752mm2，實配鋼筋取12φ14 mm，As=1 846 mm2＞1 752 mm2，滿足強度計算要求。

2.3 抗拔樁裂縫計算

鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用階段是允許出現(xiàn)裂縫的，為避免或延緩鋼筋銹蝕影響耐久性，抗拔樁設(shè)計中，除滿足抗拔承載力外，還需驗算正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度。根據(jù)JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)計算地下室結(jié)構(gòu)底板和抗浮結(jié)構(gòu)及構(gòu)件變形時，作用效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)作用的標(biāo)準(zhǔn)組合，相應(yīng)的分項系數(shù)為1.0，并應(yīng)符合下式規(guī)定：Sd≤C，Sd為作用組合的效應(yīng)，C 為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限值。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)程》[2]，本工程樁基所處環(huán)境類別為二a 類，對于位于穩(wěn)定水位以下的基樁，其最大裂縫寬度限值可按0.3 mm，最大裂縫寬度ωmax應(yīng)按式(2）計算：

式中，?cr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，軸心受拉取2.7；ψ 為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應(yīng)力；cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉邊底邊的距離，取50mm；deq為受拉縱向鋼筋的等效直徑；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率；Es為鋼筋彈性模量。

荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應(yīng)力σs=Nq/As，需特別注意的是，此處的軸向拉力Nq計算時不考慮抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)及抗浮重要性系數(shù)，則：

Nq=8.4×5.7×(Nw，k-Gk）=8.4×5.7×(49.49-44.703）=229 kN

此值僅為抗浮穩(wěn)定驗算所得的Nk=467 kN 的一半左右。故如設(shè)計時按Nk計算抗拔樁的樁身裂縫，將造成很大的材料浪費。當(dāng)樁身 配置鋼筋為12φ14 mm，As=1846 mm2時，按Nk=467 kN 計算的樁身裂縫寬度為0.418 mm，按Nq=229 kN計算的樁身裂縫寬度僅為0.071 mm。

綜上所述，抗拔樁裂縫計算結(jié)果不起控制作用，按抗拉強度計算的配筋滿足抗拔樁裂縫計算結(jié)果。

2.4 抗拔樁配筋長度

抗拔樁的樁頂荷載由樁周土側(cè)摩阻力承擔(dān)，側(cè)摩阻力以剪力形式傳遞給樁周土體，隨著上拔量的增加，樁周側(cè)摩阻力會因土層松動等原因而低于抗壓側(cè)摩阻力，故規(guī)范引入抗拔系數(shù)來考慮其影響。因此，抗拔樁的樁身軸力沿樁長方向是變化的，在樁頂位置樁身軸力最大，樁端處樁身軸力最小，如果樁身通長等截面都按最大抗拔力作用下滿足強度和裂縫要求的配筋量配置，則配筋偏于保守，會造成一定的浪費，因此，對于抗拔樁宜分段配筋，即在樁頂下某一深度上減少配筋量。

由于抗拔樁為摩擦樁，影響抗拔樁單樁抗拔承載力的主要因素是樁側(cè)土的性質(zhì)和土層分布。因此，理論上說樁每個截面處的配筋均可不同，考慮到施工的便利性，建議抗拔樁分兩段配筋，鋼筋截斷點取2L/3 位置(L 為樁長），下段樁身配筋減少為6φ14 mm，As=923.4 mm2，同時計算鋼筋截斷位置處的軸向拉力，并按此軸向力驗算鋼筋減半后樁身在該位置的裂縫寬度，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

本工程樁基施工完畢后，隨機抽取了8 根樁進行抗拔靜載試驗，試驗加載到最大加載值時，各受檢樁荷載-位移(Q-s）曲線上無明顯的陡降，均屬于緩變性曲線，受力鋼筋無斷裂的現(xiàn)象，樁身也未開裂。實踐證明，該工程樁的分段配筋是成功的，既保證了結(jié)構(gòu)的安全，又有效地節(jié)約了成本。

當(dāng)然對于嵌巖抗拔樁，如抗拔承載力基本是由嵌巖段的側(cè)摩阻力提供時，抗拔樁是否分段配筋要慎重，建議此時樁身通長等截面配筋。

3 下柱墩設(shè)計

對于地下車庫，目前常規(guī)采用平板式筏板基礎(chǔ)，單層地下室底板厚度為350～400 mm，一般無法滿足柱下沖切驗算要求，故可在柱下設(shè)置下柱墩，以滿足受沖切承載力驗算要求，下柱墩可按如下原則進行設(shè)計。

3.1 下柱墩尺寸的確定

1）下柱墩厚度首先需滿足柱沖切驗算要求，同時需滿足柱縱筋在下柱墩內(nèi)的直錨段長度≥0.6LabE(LabE為抗震設(shè)計時受拉鋼筋基本錨固長度）且≥20d(d 為縱向鋼筋直徑）的要求，且厚度不應(yīng)小于500 mm。

2）下柱墩的平面尺寸一般取柱距的1/3，當(dāng)兩個方向柱網(wǎng)跨度差異較大時(如差異超過10%），應(yīng)分別取對應(yīng)方向的柱網(wǎng)尺寸的1/3 來確定柱墩尺寸。

3.2 下柱墩配筋的構(gòu)造

1）對于非人防地庫，筏板的板底鋼筋錨入下柱墩內(nèi)即可，無須在下柱墩內(nèi)拉通，且由于板底鋼筋在其錨固長度范圍內(nèi)周邊保護層厚度一般均大于5d(d 為縱向鋼筋直徑），根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版）[3]，錨固長度的修正系數(shù)可取0.7，故其錨入下柱墩內(nèi)的長度可取0.7Lab(Lab為受拉鋼筋基本錨固長度）。

2）由于下柱墩頂部受壓，頂部鋼筋無須滿足最小配筋率的要求，將筏板的板面鋼筋在柱墩內(nèi)貫通即可。

3）目前，單層地下室底板厚度一般為350 mm，底板配筋計算時，往往跨度較大的網(wǎng)格內(nèi)計算配筋較大，此時需特別注意，板底附加筋需在柱墩范圍內(nèi)斷開，僅在兩個柱墩之間的范圍設(shè)置板底附加筋。

4 地下室外墻設(shè)計

對于地下車庫而言，由于外墻范圍很大，合理優(yōu)化其計算假定和配筋構(gòu)造，可有效地減少結(jié)構(gòu)成本，對于地下室外墻建議按如下原則進行設(shè)計。

4.1 地下室外墻的計算假定

對地下室擋土墻，可采用單向板計算，不考慮地庫柱作為其支承點。同時宜按墻底端固結(jié)，上端彈性支座(考慮地下室頂板的約束）計算。

對于層高為3.6 m 的地下室外墻，采用上端彈性計算假定時，外墻外側(cè)的豎向鋼筋配筋量可減少10%～15%左右。

4.2 地下室外墻的荷載取值

根據(jù)全國民用建筑工程技術(shù)措施，計算地下室外墻時，其室外地面荷載取值不宜低于10 kN/m2。但文獻[4]認(rèn)為室外地面活荷載常被取得過高，并指出計算地下室外墻時，一般民用建筑的室外地面活荷載可取5 kN/m2，包括可能停放消防車的室外地面。

4.3 地下室外墻的保護層厚度

南方地區(qū)的地下室外墻環(huán)境類別一般為二a 類，根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[5]的規(guī)定，迎水面鋼筋保護層厚度不應(yīng)小于50 mm，而GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)第8.2.2 條指出：當(dāng)對地下室墻體采取可靠的建筑防水做法或防護措施時，與土層接觸一側(cè)鋼筋的保護層厚度可適當(dāng)減少，但不應(yīng)小于25 mm。

根據(jù)GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]3.5.4 條：對裂縫寬度無特殊外觀要求的，當(dāng)保護層設(shè)計厚度超過30 mm 時，可將厚度取為30 mm 計算裂縫最大寬度。

綜上所述，由于地下室外墻建筑均有相應(yīng)的防水等級及做法(如采用防水砂漿、卷材防水、防水涂料以及金屬板防水等），故結(jié)構(gòu)設(shè)計中地下室外墻強度計算時，其迎土面保護層厚度可適當(dāng)減少，建議取40 mm，同時應(yīng)區(qū)分裂縫計算時最大保護層厚度30 mm，從而可有效減少地下室外墻的配筋。

4.4 地下室外墻的配筋構(gòu)造

1）外墻外側(cè)豎向鋼筋采用通長鋼筋+ 附加鋼筋的配筋方式，其中附加鋼筋的長度為1/3 地庫層高，通長筋在滿足最小配筋率的前提下盡可能采用小直徑鋼筋。

2）地下室外墻一般簡化為單向板計算，故其水平筋均為構(gòu)造配筋，滿足0.2%的配筋率即可，無須放大。

3）地下室擋土外墻頂部不需設(shè)置暗梁，底部也不需要設(shè)暗梁和附加鋼筋。

5 結(jié)語

本文詳細分析了影響地下車庫經(jīng)濟性的幾個關(guān)鍵點，對其細部設(shè)計有針對性地提出了優(yōu)化措施，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，有效地節(jié)約了成本，可供同類工程設(shè)計參考。