何日雄

(廣州市科城建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510663)

地下室側(cè)墻開裂滲水是地下室結(jié)構(gòu)常見的工程質(zhì)量事故，其中又以出現(xiàn)垂直方向的貫通裂縫最為常見。究其主要原因，其一是對(duì)地下室側(cè)墻的模型簡化與邊界實(shí)際約束條件不相符導(dǎo)致配筋與構(gòu)件實(shí)際受力不相吻合;其二是對(duì)超長地下室側(cè)墻溫度收縮應(yīng)力考慮不足;其三是對(duì)側(cè)墻后澆帶施工處理不到位。

本文從設(shè)計(jì)角度去對(duì)地下室側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇到的荷載取值及其組合，模型簡化與邊界條件等設(shè)計(jì)方法作出討論。

1 荷載及荷載組合

1.1 水土壓力的計(jì)算

一般地下室工程都為永久性工程，其受力狀態(tài)與靜止土壓力模型較為吻合，因此通常采用靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算，確定靜止土壓力系數(shù)的方法主要有三種:

1)經(jīng)驗(yàn)法:砂土為0.34 ～0.45，粘性土為0.5 ～0.7;

2)半經(jīng)驗(yàn)公式:K0=1－sinφ;

3)日本《建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議，不區(qū)分土的種類，K0均取為 0.50。

筆者認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵率一庸こ滩捎米匀环牌?、臨時(shí)性的鋼板樁或土釘墻支護(hù)時(shí)，靜止土壓力系數(shù)宜采用經(jīng)驗(yàn)法或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行取值;當(dāng)采用重力式水泥土墻、鋼筋混凝土支護(hù)樁、地下連續(xù)墻等方式支護(hù)時(shí)，可采用日本規(guī)范的建議值取為0.50。

1.2 水位標(biāo)高的確定及水壓力的屬性

地下水位受水文地質(zhì)條件、季節(jié)的變化而變動(dòng)，水文地質(zhì)調(diào)查通?？梢蕴峁﹫龅爻Ｄ甑叵滤粯?biāo)高、歷史最低地下水位標(biāo)高及歷史最高地下水位標(biāo)高。對(duì)于降雨量較大的沿海地區(qū)，一般可取室外地坪標(biāo)高作為歷史最高地下水位。由于作用于地下室側(cè)墻的地下水位標(biāo)高在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)具有浮動(dòng)性、可變性，因此水壓力本質(zhì)上屬于活荷載。但確定設(shè)計(jì)中所取用的水壓力這種活荷載標(biāo)準(zhǔn)值暫無標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的定義:荷載標(biāo)準(zhǔn)值為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T中具有不被超越的概率Pk，如圖1所示，假定Hh，Hl分別為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T內(nèi)最高水位標(biāo)高與最低水位標(biāo)高，Hk為在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T中具有不被超越的概率Pk的地下水位標(biāo)高，則地下室外墻承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的水壓力可分解為恒載部分和活載部分，如圖1所示，所采用的荷載分項(xiàng)系數(shù)可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取用。由于水位標(biāo)高的浮動(dòng)具有較強(qiáng)的地域性，即使采用相同的Pk值，不同地區(qū)甚至相同地區(qū)不同水文地質(zhì)條件下統(tǒng)計(jì)意義上的水壓力標(biāo)準(zhǔn)值都可能不同。為便于設(shè)計(jì)，地下室側(cè)墻承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)水壓力可按歷史最高水位標(biāo)高，沿海雨量豐富地區(qū)可將歷史最高水位標(biāo)高取至建筑場地室外地坪處。由于此水位標(biāo)高在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)為極值，按此水位標(biāo)高作為水壓力荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，其荷載分項(xiàng)系數(shù)可取為1.20。同樣，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，理論上水壓力應(yīng)取為準(zhǔn)永久組合值參與計(jì)算，當(dāng)缺乏統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，可近似取常年地下水位標(biāo)高或者最高水位標(biāo)高與最低水位標(biāo)高的0.7分位值，即Hl+(Hh－Hl)×0.7，作為側(cè)墻正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)所采用的準(zhǔn)永久值水頭壓力高度。

圖1 地下水位標(biāo)高

1.3 荷載組合問題

作用于地下室側(cè)墻的土壓力可認(rèn)為是恒載，水壓力及地面超載(主要考慮側(cè)墻鄰近道路車輛等荷載)可認(rèn)為是活載。筆者認(rèn)為，作用于地下室側(cè)墻的水壓力荷載與地面超載同時(shí)出現(xiàn)峰值存在一定的概率問題，可按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行荷載組合，當(dāng)?shù)孛娉d主要考慮路面車輛荷載時(shí)，組合值系數(shù)與準(zhǔn)永久值系數(shù)參照汽車通道分別取為0.7與0.6。

2 模型及邊界條件簡化

地下室側(cè)墻計(jì)算模型簡化的準(zhǔn)確程度往往直接影響到配筋的合理性，由于殼元模型與桿單元模型在桿長度方向不能耦合，目前各主流商業(yè)結(jié)構(gòu)計(jì)算程序均不能對(duì)帶扶壁柱(FBZ)的地下室側(cè)墻進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。因此將地下室側(cè)墻從主體結(jié)構(gòu)模型中剝離出來進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算仍為多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師所采納的方法。地下室側(cè)墻一般同時(shí)承受著水平及豎向荷載作用，多數(shù)情況下以承受水平荷載為主，為大偏心壓彎構(gòu)件。當(dāng)無上部塔樓傳遞豎向軸壓力或側(cè)墻軸壓應(yīng)力水平較低時(shí)，可近似偏于安全簡化為受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，否則按壓彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算較為合理。

2.1 不帶FBZ地下室側(cè)墻(以單層地下室為例)

對(duì)于不帶扶壁柱的地下室側(cè)墻，通常根據(jù)實(shí)際邊界條件簡化為懸臂式模型、上端鉸接下端固接模型或兩端固接模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，如圖2所示。

設(shè)計(jì)中較易被忽略的是側(cè)墻底端固接的嵌固條件，筆者認(rèn)為，當(dāng)?shù)装搴穸炔恍∮趦杀秱?cè)墻厚度或底板厚度大于側(cè)墻厚度且底板在側(cè)墻外側(cè)外挑長度不小于兩倍底板厚度時(shí)，計(jì)算時(shí)將底板簡化為側(cè)墻嵌固條件可接近成立;當(dāng)?shù)装鍡l件無法達(dá)到上述條件時(shí)，對(duì)于圖2中b)，c)超靜定結(jié)構(gòu)模型，底端約束條件宜按半剛接支座考慮，可采用彎矩調(diào)幅的方法對(duì)端支座彎矩進(jìn)行折減，調(diào)幅系數(shù)可取為0.7～0.9。不管底端支座約束條件如何，設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)按實(shí)際配筋反算側(cè)墻底端外側(cè)彎矩MW與底板底面彎矩Mb(如圖3所示)在節(jié)點(diǎn)處是否平衡，當(dāng)不能平衡時(shí)應(yīng)采取加大底板在支座處底面配筋或?qū)?cè)墻外側(cè)彎矩調(diào)幅等措施使兩者基本平衡。同理對(duì)于圖2c)模型的上端固接約束，也需按節(jié)點(diǎn)彎矩平衡條件確定配筋。而圖2b)模型上端鉸接的簡化則過于保守，實(shí)際工程中地下室頂板厚度一般不小于160 mm，對(duì)側(cè)墻頂端仍具有一定的約束作用，設(shè)計(jì)時(shí)可按地下室頂板在側(cè)墻支座處配設(shè)的負(fù)筋配筋量反算其抗彎承載力，根據(jù)節(jié)點(diǎn)處彎矩平衡條件，用該反算彎矩值作為地下到側(cè)墻頂部鉸接端的負(fù)彎矩值，進(jìn)而降低側(cè)墻底端及跨中彎矩。

圖2 常見計(jì)算模型彎矩示意圖

圖3 節(jié)點(diǎn)彎矩

2.2 帶FBZ地下室側(cè)墻(以單層地下室為例)

對(duì)于帶扶壁柱的地下室側(cè)墻，如圖4所示，分為側(cè)墻與扶壁柱兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算側(cè)墻時(shí)需考慮扶壁柱剛度對(duì)其內(nèi)力的影響，而計(jì)算扶壁柱時(shí)也需考慮側(cè)墻剛度對(duì)其內(nèi)力的影響，因此，只有采用有限元法按照扶壁柱與側(cè)墻協(xié)同工作機(jī)理進(jìn)行計(jì)算分析才能得到較為準(zhǔn)確的內(nèi)力結(jié)果。如采用手工計(jì)算時(shí)，以下兩種常用簡化值得商榷。

圖4 扶壁柱（FBZ）受力圖示

其一是計(jì)算扶壁柱時(shí)，按壓彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算所取用的軸向力直接采用上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的最小軸力組合值。筆者認(rèn)為，由于側(cè)墻對(duì)柱頂壓應(yīng)力有擴(kuò)散作用，實(shí)際上扶壁柱軸壓力沿柱高是逐漸減小的。對(duì)于大偏心壓彎構(gòu)件而言，計(jì)算時(shí)將扶壁柱軸壓力考慮偏大則配筋偏于不安全。

其二是計(jì)算側(cè)墻時(shí)，忽視扶壁柱的實(shí)際剛度，一律將兩側(cè)作為固定邊考慮，如圖5所示。筆者認(rèn)為，當(dāng)扶壁柱剛度較小時(shí)，此種簡化導(dǎo)致側(cè)墻內(nèi)力分配不合理，扶壁柱支座水平筋配設(shè)過大而底端及跨中配筋不足。

圖5 邊界簡圖

圖6 扶壁柱受荷簡化圖示

筆者認(rèn)為采用傳統(tǒng)手工簡化計(jì)算的辦法解決上述問題較為復(fù)雜，首先是扶壁柱沿柱高軸向壓應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系不易獲取，其二，扶壁柱與側(cè)墻協(xié)同工作一般需采用有限元法才能得到較為準(zhǔn)確結(jié)果。筆者運(yùn)用有限元法對(duì)長寬比L/H≥1.5、扶壁柱高寬比h/b≥1.0的帶扶壁柱側(cè)墻分析(見圖4)，得到以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)供手工簡化計(jì)算時(shí)參考使用:

由于側(cè)墻側(cè)壓力沿高度方向是逐漸變化的，按雙向板導(dǎo)荷方式傳遞至扶壁柱的側(cè)壓力荷載則不易手工計(jì)算，作用于扶壁柱的側(cè)壓力可近似取H/2寬度范圍側(cè)壓力值進(jìn)行計(jì)算(見圖6)。

由上部結(jié)構(gòu)傳遞到扶壁柱頂端的軸力，在側(cè)墻范圍內(nèi)的擴(kuò)散角θ近似按30°線性變化去確定扶壁柱相應(yīng)計(jì)算截面的附加軸向壓應(yīng)力(見圖4)。

當(dāng)扶壁柱(FBZ)截面h≤1.5bW，扶壁柱可作為側(cè)墻的弱支座，偏于安全考慮，設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)墻豎向配筋宜按無扶壁柱(忽略扶壁柱剛度)計(jì)算確定，側(cè)墻水平筋根據(jù)混凝土縱向收縮情況構(gòu)造配設(shè)，另在扶壁柱處宜附加側(cè)墻水平支座短筋，附加短筋直徑及間距取與該側(cè)水平貫通筋一致;扶壁柱豎向縱筋宜按兩倍扶壁柱柱寬(2b)范圍內(nèi)側(cè)墻豎筋面積之和且不小于上層結(jié)構(gòu)柱配筋量配設(shè)。

當(dāng)扶壁柱截面1.5bW＜h≤2.0bW，扶壁柱剛度對(duì)側(cè)墻內(nèi)力分布具有較明顯的影響，當(dāng)B/H≤2.5時(shí)側(cè)墻豎向配筋近似按無扶壁柱時(shí)的計(jì)算結(jié)果0.85倍～0.95倍取用，比值小時(shí)可取低值，B/H＞2.5則不宜進(jìn)行折減，按單向受力考慮;水平筋可根據(jù)混凝土縱向收縮情況構(gòu)造配設(shè)，另在扶壁柱處附加側(cè)墻水平支座短筋，附加短筋直徑較該側(cè)水平貫通筋直徑大一級(jí)，間距取為與水平貫通筋間距一致。扶壁柱豎向縱筋宜按三倍扶壁柱柱寬(3b)范圍內(nèi)側(cè)墻豎筋面積之和且不小于上層結(jié)構(gòu)柱配筋量配設(shè)。

當(dāng)扶壁柱截面h＞2.0bW，扶壁柱可作為側(cè)墻的較強(qiáng)支座，側(cè)墻按雙向板計(jì)算確定配筋量，扶壁柱配筋按壓彎構(gòu)件(需考慮軸壓力時(shí))或受彎構(gòu)件(軸力較小時(shí))計(jì)算確定。

3 結(jié)語

地下室側(cè)墻承受的荷載作用復(fù)雜，模型簡化對(duì)其計(jì)算內(nèi)力影響較大，長期以來采用手工簡化計(jì)算時(shí)，由于假定與實(shí)際條件的差異一般多易造成豎向縱筋配設(shè)過于保守，而水平縱筋配設(shè)過少，造成地下室側(cè)墻出現(xiàn)垂直方向的貫通裂縫，出現(xiàn)滲水事故。因此，建議對(duì)于直線長度超過50 m的地下室側(cè)墻，水平貫通筋間距不宜大于150 mm，配筋率不宜小于0.60%。簡化計(jì)算時(shí)遵循實(shí)際剛度決定邊界約束條件及其內(nèi)力分布的原則，充分考慮各種客觀條件，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

［1］GB 50068-2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［3］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GDA 0003-2012，高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一技術(shù)措施(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院標(biāo)準(zhǔn))［S］.

［5］李國強(qiáng)，黃宏偉，鄭步全.工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計(jì)原理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.