蔣劍峰

東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 江蘇 南京 210096

隨著城市人口的集中化、小區(qū)建設(shè)的規(guī)模化、土地供應(yīng)的日趨緊張化，項目建設(shè)對地下空間的要求越來越高，地下結(jié)構(gòu)在整個工程建設(shè)中占有的比重越來越大，結(jié)構(gòu)方案的合理性及優(yōu)化設(shè)計的必要性越來越凸顯。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的內(nèi)涵不應(yīng)僅僅是工程造價的節(jié)約，建筑使用功能更舒適和完善，結(jié)構(gòu)受力更合理和可靠都應(yīng)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)有之義。本文從建筑方案、荷載取值、樓蓋及外墻設(shè)計、基礎(chǔ)及底板設(shè)計等幾個方面，淺談地下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的要點，可供相關(guān)設(shè)計參考。

1 建筑方案

結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該積極參與建筑方案的討論和比選，在不影響建筑使用功能的前提下，發(fā)揮引導(dǎo)作用，適當(dāng)減小柱網(wǎng)尺寸、對于多層地下室盡量用足地下一層面積、合理降低地下室層高，適當(dāng)減少頂板覆土等，對經(jīng)濟性的影響非常明顯。

2 荷載取值

1、在地下水位以下，地下室外墻的側(cè)壓力應(yīng)按水土合算，目前工程中大多采用W.J.M朗金（Ran.Kine）理論和C.A庫倫（Coulomb）理論。一般情況下，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)，地下室外墻所承受的土壓力為靜止土壓力。對砂土，靜止土壓力系數(shù)可取0.35～0.45，對粘性土可取0.5～0.7，當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎么箝_挖方式，無支護樁或連續(xù)墻支護時，靜止土壓力系數(shù)一般取0.5。當(dāng)?shù)叵率沂┕r采用支護樁或連續(xù)墻支護時，土壓力計算中可考慮支護結(jié)構(gòu)和地下室外墻的共同作用或可對靜止土壓力系數(shù)進行折減，折減系數(shù)近似可取2/3[1]。

2、在有可靠設(shè)計依據(jù)的前提下，可適當(dāng)考慮地下水的浮托作用，平衡部分豎向荷載，減小基礎(chǔ)尺寸或優(yōu)化樁基布置。

3、依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》（GB50009-2012）[2]，設(shè)計樓面梁、墻、柱及基礎(chǔ)時，可對樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行折減；設(shè)計基礎(chǔ)時不考慮消防車荷載；設(shè)計樓蓋時消防車荷載可按覆土厚度折減；由于準(zhǔn)永久值系數(shù)可取0，消防車荷載可不參與正常使用極限狀態(tài)的驗算。

3 樓蓋及外墻設(shè)計

1、常用的地下室結(jié)構(gòu)樓蓋形式有：主梁加厚板、單向次梁、十字交叉梁、井字梁、無梁樓蓋等，與空心樓蓋、預(yù)應(yīng)力技術(shù)等相結(jié)合，又能衍生出很多新的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)工程實際條件，進行方案的比選和優(yōu)化，選擇最為經(jīng)濟合理的方案。一般情況下，樓蓋設(shè)計采用彈性方法計算內(nèi)力，含消防車荷載工況時，也可適當(dāng)考慮塑性變形內(nèi)力重分布。在戰(zhàn)時工況下，宜按塑性方法計算，并在配筋設(shè)計時考慮材料強度的提高。頂板通長鋼筋在滿足最小配筋率的前提下，應(yīng)盡量采用細而密的布置，支座處根據(jù)計算采用較大直徑的附加鋼筋。附加鋼筋向跨內(nèi)延伸的長度應(yīng)根據(jù)負彎矩圖確定，并滿足鋼筋錨固長度[3]。

2、一般地下室外墻，常用單向板計算簡圖。以地下室頂（樓）板、底板為外墻的支撐點，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)板進行計算。一般將底部按照固定支座考慮，中間樓層處有樓板時可將樓板視為側(cè)向支承，頂部一般可按簡支端考慮。

3、當(dāng)?shù)叵率彝鈮Υ嬖趧偠茸銐虼蟮囊韷η乙韷﹂g距不大于2倍層高時，地下室外墻可按雙向板設(shè)計（多層地下室可按豎向連續(xù)多向板設(shè)計）。當(dāng)多層地下室存在某層樓板缺失時，可視其周邊支承間距通過外墻增設(shè)水平橫梁、扶壁柱等措施來減少外墻計算跨度從而減小地下室外墻的厚度和配筋。當(dāng)設(shè)置水平橫梁、扶壁柱作為外墻的支承時，應(yīng)考慮外墻傳遞過來的水平荷載。水平橫梁或扶壁柱設(shè)置見圖1示意。

圖1 水平橫梁或扶壁柱設(shè)置示意圖

4、由于下沉式廣場、庭院的廣泛應(yīng)用，會出現(xiàn)部分地下室外墻頂無約束的大懸臂外墻，此時可通過在外墻上增設(shè)挑板（需保證外挑挑板與下部回填層保持一定距離），挑板覆土荷載產(chǎn)生反向的附加彎矩，外墻根部的彎矩為附圖2中（b）和（d）的疊加，從而起到優(yōu)化的作用。

5、外墻配筋在滿足抗裂的前提下，可采取分離式配筋，通長鋼筋與支座附加筋可采用不同直徑的配筋搭配布置。外墻外側(cè)豎向受力主筋可根據(jù)彎矩圖截斷50%（一般在距支座1/3處，含墻下端支座及多層地下室的中間支座）。如圖2示意。

圖2 外墻增設(shè)挑板覆土示意圖

圖3 外墻外側(cè)受力主筋分離式配置示意圖

4 基礎(chǔ)及底板設(shè)計[4、5]

1、基礎(chǔ)設(shè)計在滿足埋深的前提下，應(yīng)遵循淺埋原則。應(yīng)充分利用天然地基承載力。因地制宜采用設(shè)計所在地成熟先進的基礎(chǔ)形式。在有充分設(shè)計依據(jù)的前提下，勇于應(yīng)用新技術(shù)和工藝。

2、控制基礎(chǔ)及底板的變形差異是優(yōu)化設(shè)計的核心?？赏ㄟ^變剛度調(diào)平、考慮上部結(jié)構(gòu)剛度的影響等措施，使基礎(chǔ)及底板變形趨于協(xié)調(diào)。當(dāng)防水板范圍設(shè)有分布布置的抗拔樁或抗浮錨桿時，可適當(dāng)減薄防水板的厚度，作用于防水板的水浮力可將抗拔樁或抗浮錨桿的拉力適當(dāng)折減后扣除，也可將樁錨視為防水板的彈性約束，采用有限元分析，對防水板配筋進行優(yōu)化設(shè)計。

3、合理修正地基承載力。主樓帶有裙樓的房屋，當(dāng)主樓有地下室而裙樓無地下室時，主樓、裙樓的深度修正計算埋深可按各自基礎(chǔ)底面至室外最低地面起算；有地下室的主樓帶裙房（含純地下室）的房屋，裙房及地下室深度修正計算埋深從室內(nèi)地面算起，當(dāng)裙樓基礎(chǔ)整體性較好時，主樓深度修正計算埋深可考慮裙樓重量的影響，即將裙樓基底以上的荷載視為主樓基礎(chǔ)兩側(cè)的超載。當(dāng)超載寬度大于主樓基礎(chǔ)寬度2倍時，可將超載折算成土層厚度作為折算埋深，主樓基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時取小值，且折算埋深不應(yīng)大于其實際埋深；在填方整平場地，一般自室外地面起算。但如填土在上部結(jié)構(gòu)施工后進行，則應(yīng)不考慮該部分填土所產(chǎn)生的超載作用，計算埋深從天然地面起算。

4、筏板基礎(chǔ)設(shè)計時，可采用局部增設(shè)柱墩、局部加厚或配置抗沖切鋼筋等措施優(yōu)化筏板基礎(chǔ)的厚度。筏板變厚度時，應(yīng)驗算筏板變厚度處的受剪承載力。對于筏板基礎(chǔ)計算配筋文件中常出現(xiàn)的較大配筋峰值情況，可采用以下措施：1）調(diào)整網(wǎng)格尺寸重新計算（適當(dāng)加大網(wǎng)格尺寸并使網(wǎng)格劃分規(guī)則）；2）在滿足抗沖切要求的前提下適當(dāng)調(diào)整筏板厚度；3）在合理范圍內(nèi)調(diào)整基床系數(shù)重新計算；4）取相鄰3-5個網(wǎng)格（網(wǎng)格總寬度不宜大于半個柱距）配筋值加以平均，按平均值配筋。筏板在地下室外墻處外挑可降低基底反力、調(diào)節(jié)不均勻沉降、外挑板覆土可平衡水浮力等?；A(chǔ)筏板和合理外挑長度，一般不宜超過基礎(chǔ)底板厚度的2-3倍。

圖4 筏板下柱墩抗沖切驗算示意圖

5 裂縫控制及優(yōu)化設(shè)計

相對于地上結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)具有環(huán)境溫差相對較小，基底及側(cè)壁外墻對結(jié)構(gòu)約束較強等特點。加上復(fù)雜的水土環(huán)境，多變的施工條件，超長的混凝土地下室結(jié)構(gòu)，普遍存在防滲抗漏問題，控制結(jié)構(gòu)裂縫成為關(guān)鍵核心問題之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往由正常使用極限狀態(tài)控制。裂縫的存在是混凝土固有的一種現(xiàn)象，也為相關(guān)規(guī)范所允許。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）對允許裂縫（三級裂縫控制）的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在I～III類環(huán)境條件下，最大裂縫寬度的限值為0.2mm。《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB 50108—2008）也規(guī)定，混凝土裂縫不得大于0.2mm。

裂縫控制應(yīng)考慮以下因素的影響：①環(huán)境濕度、溫差；②外部約束條件；③建筑形體和結(jié)構(gòu)布置；④結(jié)構(gòu)承受的外荷載、構(gòu)件的內(nèi)力裂縫及其控制標(biāo)準(zhǔn)；⑤結(jié)構(gòu)長度；⑥混凝土干縮性能、徐變特性、彈性模量、線膨脹系數(shù)、極限抗拉強度等。

在學(xué)術(shù)界長期存在混凝土的裂縫控制的“抗”與“放”之爭，這并非對錯之爭，而是結(jié)合具體工程實際，采取什么樣的裂縫控制原則更合適的問題。一般認為小體量淺埋結(jié)構(gòu)宜“抗放兼施，以抗為主”，大體量、超長、埋置很深的結(jié)構(gòu)宜“抗放兼施，以放為主”[6]。

工程實際中，可以在預(yù)想的位置人為設(shè)置縫，稱為“預(yù)開裂”，從而引導(dǎo)裂縫在規(guī)定的位置產(chǎn)生并控制裂縫的開展?！邦A(yù)開裂”的方式主要有：變形縫、誘導(dǎo)縫、后澆帶和調(diào)倉澆搗工藝等。這些預(yù)先設(shè)置的縫或后被引導(dǎo)產(chǎn)生的縫，通過施工工藝在新舊混凝土間留下的施工縫，都是在預(yù)先設(shè)定的位置，以“放”的方式釋放混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以達到減少分散性裂縫，最大程度保證較大范圍內(nèi)的混凝土不開裂或少開裂?！邦A(yù)開裂”的位置裂縫產(chǎn)生不可避免，需采用合適的防水措施，主要有：鋼板止水帶、橡膠止水帶、遇水膨脹止水條（膠）、預(yù)埋化學(xué)注漿管、丁基鋼板止水帶等，將裂縫控制在無害范圍內(nèi)。

總之，地下結(jié)構(gòu)的抗裂和防水設(shè)計至關(guān)重要，應(yīng)根據(jù)工程實際情況，合理選擇設(shè)計原則，結(jié)合施工工藝，確定控制目標(biāo)，配套采用正確的構(gòu)造措施，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟合理，安全可靠。