劉鵬程 劉士鋒

(國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院，云南昆明 650216)

0 引言

半地下室是指房間地面低于室外地平面的高度超過該房間凈高的1/3，且不超過1/2者。由于其可以通過窗戶進(jìn)行自然采光通風(fēng)，既可以降低工程造價，又能充分的利用地下空間，因此半地下室在無人防要求的建筑上的應(yīng)用越來越多。本文結(jié)合實際工程對半地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計談?wù)勛约旱捏w會。

1 工程概述

昆明地區(qū)某工程，地上4層，地下1層(半地下室)，結(jié)構(gòu)總高度19．1 m，純框架結(jié)構(gòu)體系。本建筑的主要功能為辦公、住宿以及森林火情的監(jiān)測。本項目設(shè)防烈度為8度(0．20g)，擬建場地類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第三組?？蚣艿目拐鸬燃墳槎?。建筑剖面見圖1。

2 半地下室設(shè)計分析

由于半地下室對上部結(jié)構(gòu)的約束是非常有限的，因此結(jié)構(gòu)的嵌固端必須取在基礎(chǔ)頂部。在建筑的結(jié)構(gòu)計算中，半地下室與上部結(jié)構(gòu)必須整體考慮，從而半地下室的結(jié)構(gòu)選型對整個結(jié)構(gòu)的計算的影響是不可忽略的。本工程的結(jié)構(gòu)計算采用SATWE進(jìn)行彈性分析。

2．1 常規(guī)設(shè)計及存在的問題

對于半地下室的設(shè)計通常采用的方法主要有兩種:

一種(后文稱為“方法一”)是在地下室的擋土一側(cè)設(shè)置剪力墻，由于建筑上需要通過大窗來進(jìn)行自然通風(fēng)采光，所以剪力墻的設(shè)置一般只高出填土高度的100 mm～300 mm，并不是沿底層柱全高設(shè)置(見圖2);

圖1 建筑剖面圖

另一種(后文稱為“方法二”)就是在主體結(jié)構(gòu)外圍另外設(shè)置擋土結(jié)構(gòu)，即擋土結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)完全脫離，兩者一般間距為1．5 m以上，保證地震時，互相不發(fā)生碰撞(見圖3)。

方法一是較早普遍采用的一種設(shè)計方法，但在長期的實際運用中，特別是汶川地震后，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)形式破壞都非常嚴(yán)重，通過理論分析以及結(jié)構(gòu)計算，發(fā)現(xiàn)其存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面:

1)由于地下室外圍設(shè)置了剛度比較大的剪力墻，再加上側(cè)向土體的約束，導(dǎo)致底層的側(cè)向剛度較上部幾層的剛度大了不少，就整個框架結(jié)構(gòu)來說，剛度是極不均勻的，從而引起結(jié)構(gòu)在變形、內(nèi)力等效應(yīng)上也極不均勻，對結(jié)構(gòu)的抗震性能非常不利。

圖2 半地下室設(shè)計方法一

圖3 半地下室設(shè)計方法二

2)對于底層柱，在水平荷載作用下，由于剪力墻對框架柱的側(cè)向約束，窗戶所在的高度范圍內(nèi)就形成了短柱。短柱由于其凈高很小，而柱的截面高度又是不變的，從而導(dǎo)致其剪跨比很小(一般都小于1．5，為極短柱)。短柱在地震中大多會發(fā)生剪切斜拉破壞(見圖4)，幾乎沒有延性，是非常不利于抗震的。

圖4 地震中發(fā)生剪切破壞的短柱

基于以上兩點，目前在半地下室結(jié)構(gòu)中已嚴(yán)禁采用方法一，并且GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范3．7．4條作為強(qiáng)制性條文明確規(guī)定在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免出現(xiàn)短柱。

為了避免由于方法一所造成的結(jié)構(gòu)對抗震的不利作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提出了把方法二應(yīng)用于半地下室的設(shè)計中。方法二是現(xiàn)在比較認(rèn)可、成熟的一套設(shè)計思路，但還是有其應(yīng)用的局限性，主要表現(xiàn)為:

1)由于擋土結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)完全脫離且必須保持一定的間距，這就要求建筑物的四周預(yù)留出一定的空間來滿足設(shè)計的要求，從而導(dǎo)致了土地的浪費，特別是在城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，這對業(yè)主來說，是非常不情愿的。

2)在填方區(qū)，設(shè)置獨立擋土結(jié)構(gòu)，其擋墻的基礎(chǔ)持力層比較深，處理起來非常困難，且造價比較高，很不經(jīng)濟(jì)。

方法二從結(jié)構(gòu)的安全性來說，是可行的。但對于一些特定的項目，實施起來比較困難，且經(jīng)濟(jì)性較差。

2．2 懸臂式擋墻在半地下室結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

本項目從一開始也是準(zhǔn)備采用方法二來實現(xiàn)半地下室的設(shè)計，但后來通過對場地及地勘報告的分析，由于項目擬建場地存在2．1中所述的兩點限制，方法二的做法無法實施。

在方法一中，可以通過在剪力墻與框架柱之間設(shè)置縫隙來消除剪力墻對框架柱的約束，從而避免短柱的出現(xiàn)，且墻的剛度對主體結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)就很小了，這樣就可以基本上避免方法一存在的問題。但設(shè)置縫隙后，墻的受力就不再具有剪力墻的特性了，且縫隙寬度需要科學(xué)確定。

筆者結(jié)合以前在公路部門的設(shè)計經(jīng)驗，分析設(shè)置縫隙后的墻的受力特性類似于公路上通常采用的懸臂式擋墻，其主要功能都是為了抵抗土體的側(cè)壓力。結(jié)合本項目的特點，對懸臂式擋墻做了如下優(yōu)化:

1)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)地梁作為懸臂式擋墻的基礎(chǔ)，其擋墻的豎向荷載、水平荷載、扭矩等均由地梁承受，因此地梁需經(jīng)專門計算，且在構(gòu)造措施上也進(jìn)行了適當(dāng)加強(qiáng)(地梁箍筋全長加密、抗扭腰筋提高級別等)。經(jīng)計算，地梁均能滿足承載力的要求;

2)整個墻體的截面定義為不變截面;

3)取消基礎(chǔ)與墻體間的加腋。

優(yōu)化后的懸臂式擋墻能很好的與本項目結(jié)合，且滿足建筑和結(jié)構(gòu)的需要，其大樣圖見圖5。

圖5 懸臂式擋墻大樣圖（未注鋼筋均為12@250）

懸臂式擋墻的計算采用理正巖土計算5．1版軟件，對其抗滑移、抗傾覆、墻身的承載力及裂縫寬度進(jìn)行了驗算，均能滿足規(guī)范要求。

為了保證地震時，懸臂式擋墻對框架柱不形成約束，且避免相互之間的碰撞造成的破壞，縫隙寬度參照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范6．1．4條來確定即按防震縫的寬度進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)計算，8度區(qū)框架結(jié)構(gòu)，總高度為19．1m的防震縫寬度為140mm。其縫隙間的防水均采用柔性材料(如瀝青及卷材等)，具體做法詳見西南11J 302-20。

3 結(jié)論及建議

本文通過對框架結(jié)構(gòu)中半地下室設(shè)計的深入分析，創(chuàng)新性地將懸臂式擋墻應(yīng)用于此類結(jié)構(gòu)中，并得到了審圖中心結(jié)構(gòu)專家的認(rèn)可，不僅取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，也為結(jié)構(gòu)工程師在此類問題上提供了一種新的有效的解決方法。

當(dāng)然，懸臂式擋墻在框架結(jié)構(gòu)中半地下室的應(yīng)用也有其適用條件，主要有以下幾點:

1)對于地下水位較淺(不低于地梁標(biāo)高)的場地:一方面由于懸臂式擋墻與框架柱之間的縫隙比較大，防水處理起來比較困難且效果不佳，容易引起滲透;另一方面由于擋墻側(cè)面水壓的存在，會導(dǎo)致側(cè)壓力大大增加，從而截面尺寸相應(yīng)增加，可能會與建筑功能發(fā)生沖突。

2)半地下室的填土高度不宜過高(最好不要超過4 m)，否則懸臂式擋墻的截面必須做成變截面的，會導(dǎo)致地梁尺寸過大，造成不必要的浪費，也同樣可能會與建筑功能發(fā)生沖突。

3)在場地條件允許的情況下，優(yōu)先采用方法二。

限于時間和設(shè)計示例的特殊性，本文難免有不足和片面之處，還請大家予以指正。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］黃世敏．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)典型震害及抗震設(shè)計概念［Z］．中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所，2012．

［4］朱炳寅．建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．

［5］北京市建筑設(shè)計研究院．建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．