大底盤地下室錯層結(jié)構(gòu)設(shè)計論文

1、大底盤地下室錯層結(jié)構(gòu)設(shè)計論文 1大底盤地下室錯層結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代建筑綜合功能復(fù)雜，設(shè)備、設(shè)施專業(yè)要求較高，且設(shè)備設(shè)施占用的建筑空間面積較大。從建筑設(shè)計及使用功能要求方面綜合考慮，一般均考慮在建筑物底部地面以下部分設(shè)置一定區(qū)域來滿足這一方面的功能要求。預(yù)期達到一個較好的使用功效及工程性價比指標。隨著建筑使用功能要求的不斷提高，地下室部分越建越大，其工程成本占整個建筑物工程造價的比例也越來越高。從工程結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，這種情況下，地下部分結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)受力的影響不容忽視。因此，設(shè)計好這一部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程意義至關(guān)重要。下面筆者通過對在工作中遇到的一些實際問題的思考來共同探討一下如何處理好這一方面的相關(guān)問題，

2、使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠做到安全、經(jīng)濟、合理。從建筑整體功能角度出發(fā)，地下室部分往往會超出上部主樓平面范圍以外，超出部分可能會較大，且因考慮主樓底部設(shè)置管道夾層或室外貫穿預(yù)埋管溝及室外功能設(shè)施等要求，該部分結(jié)構(gòu)樓面標高需要降低。當(dāng)然也可能存在因建筑場地地勢高低的原因，造成室外地下室頂板抬高而高于主樓室內(nèi)地面樓板的情況，甚至僅室外部分頂板也會出現(xiàn)板頂不共面的情況。這些情況均會造成結(jié)構(gòu)底部樓板錯層。地下室頂板部位在整個結(jié)構(gòu)受力中是極其重要的關(guān)鍵部位，而樓板錯層又是結(jié)構(gòu)受力不利的復(fù)雜工況，那么在工程結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位出現(xiàn)受力不利的結(jié)構(gòu)錯層現(xiàn)象，這是一個很復(fù)雜而又不能避免的問題。關(guān)于結(jié)構(gòu)錯層的認知，因各建筑情

3、況不同，室外地下室頂板與主樓室內(nèi)地面樓板的高差也不盡相同，小的可在60cm以內(nèi)，大的可達23m不等。工程界一般認為:當(dāng)高差值不超過結(jié)構(gòu)主梁截面高度或60cm，甚至不超過地下一層層高的1/4時，當(dāng)對錯層部位周邊構(gòu)件采取有效結(jié)構(gòu)措施及相應(yīng)的構(gòu)造措施后，可近似按不錯層考慮。而當(dāng)高差值超出上述范圍時，則應(yīng)按結(jié)構(gòu)錯層對待，結(jié)構(gòu)需采取有效措施。采取何種有效措施，既使結(jié)構(gòu)安全可靠，又對建筑使用空間影響較小，筆者認為大致可按以下辦法來考慮:(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值不大時，可適當(dāng)加大樓層梁板截面剛度或采取梁板端部加腋的辦法，加腋可根據(jù)情況高標高梁板下加腋，低標高梁板上加腋。(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值不大時，可采取適當(dāng)降低

4、較高結(jié)構(gòu)板面標高，以減小或消除高差值，再在板頂覆土的辦法。結(jié)構(gòu)層按不錯層結(jié)構(gòu)考慮。(3)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值較大時，可結(jié)合設(shè)備要求設(shè)架空管道夾層，降低較高結(jié)構(gòu)板面標高，夾層頂部結(jié)構(gòu)層可考慮采用裝配式或裝配整體式地面，其與主體墻柱脫開并采用柔性材料填縫。此時夾層不作為結(jié)構(gòu)層參與整體結(jié)構(gòu)計算，而只考慮其荷載效應(yīng)及夾層自身的構(gòu)造措施。(4)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值較大時，亦可增加設(shè)備夾層，夾層按一個結(jié)構(gòu)層輸入模型，參與整體模型分析計算。(5)當(dāng)結(jié)構(gòu)面高差值較大時，可通過增設(shè)斜撐板或設(shè)置架空桁架，也可在錯層處增設(shè)剪力墻，以調(diào)整錯層處結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度，避免或減小錯層處受力不利結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不良受力狀態(tài)，使水平力在錯層部位相對均

5、勻平緩的過渡傳遞。(6)如通過以上幾種辦法均不能解決時，可考慮在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置設(shè)置永久變形縫，將室外部分與主樓部分徹底斷開，分別進行結(jié)構(gòu)分析計算。希望通過采取以上幾種方法，能夠處理一些情況下因樓板錯層所造成的不利影響，并能夠滿足工程結(jié)構(gòu)安全可靠度的要求。 2結(jié)構(gòu)嵌固端的考慮 從工程力學(xué)意義上講，結(jié)構(gòu)嵌固端一般理解為上部結(jié)構(gòu)作用于底部抗力剛度無窮大的支承面之上。通常在設(shè)計中假定上部結(jié)構(gòu)嵌固在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，而實際上這一假定只有在剛性地基的條件下才能實現(xiàn)，對于絕大多數(shù)都屬于柔性地基的地基土而言，在水平力作用下結(jié)構(gòu)底部以及地基都會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。因此所謂嵌固實質(zhì)上是指接近于固定的計算基面。大量工程試驗資料表明

6、了以下兩個基本特點:一是具有外墻的地下室結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)，與周邊土層緊密接觸，當(dāng)設(shè)有一定數(shù)量的內(nèi)縱橫墻時，地下室變形呈現(xiàn)出與剛體變形相似的特征。二是地下結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角體現(xiàn)了柔性地基的影響，地震作用下可假設(shè)地下結(jié)構(gòu)為一剛體，上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板之上，而在嵌固部位處增加一個與柔性地基相同的轉(zhuǎn)角?；谏厦娴馁Y料數(shù)據(jù)分析可以作出以下假定:在要求基礎(chǔ)和地下室結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和承載力，以保證上部結(jié)構(gòu)進入非彈性階段時，基礎(chǔ)和地下室結(jié)構(gòu)始終能承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并將荷載安全傳遞到地基上。此時可考慮地下室頂板可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。但為了避免塑性鉸轉(zhuǎn)移到地下一層結(jié)構(gòu)，保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下實現(xiàn)預(yù)期的耗能機

7、制，規(guī)范對地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了明確細致的設(shè)計規(guī)定，以滿足地下室結(jié)構(gòu)剛度及承載力足夠大的設(shè)計假定。下面試列舉一些規(guī)范對關(guān)于結(jié)構(gòu)嵌固端的具體規(guī)定及相關(guān)概念設(shè)計:(1)建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB500112010第6.1.14.1條“地下室頂板應(yīng)避免開設(shè)大洞口，地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍的頂板應(yīng)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，相關(guān)范圍以外的地下室頂板宜采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，其樓板厚度不宜小于180mm，砼強度等級不宜小于C30。應(yīng)采用雙層雙向配筋，且每個方向配筋率不宜小于0.25%”。第6.1.14.2條“結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍。地下室周邊宜有與其頂板相連的抗震墻?！?2)高層建筑混

8、凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ32010第5.3.7條“高層建筑結(jié)構(gòu)整體計算時，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2?！?3)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB500072011第8.4.25條“當(dāng)?shù)叵乱粚咏Y(jié)構(gòu)頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位時，應(yīng)符合下列規(guī)定:地下一層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大于或等于與其相連的上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的1.5倍。地下室外墻和內(nèi)墻邊緣的板面不應(yīng)有大洞口，以保證將上部結(jié)構(gòu)的地震作用或水平力傳遞到地下室抗側(cè)力構(gòu)件中。當(dāng)?shù)叵率覂?nèi)、外墻與主體結(jié)構(gòu)墻體之間距離符合以下要求時，地下室墻與主體結(jié)構(gòu)墻之間的最大間距d，當(dāng)抗震設(shè)防烈度在7度、8度或9度時分別不大于30m或20m時，該

9、范圍內(nèi)的地下室內(nèi)、外墻可計入地下一層的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，但此范圍內(nèi)的側(cè)向剛度不能重疊使用于相鄰建筑。當(dāng)不符合上述要求時，建筑物的嵌固部位可設(shè)在筏形基礎(chǔ)的頂面，此時宜考慮基側(cè)土和基底土對地下室的抗力。”多種規(guī)范均對結(jié)構(gòu)嵌固端提出了明確的規(guī)定，其旨在保證嵌固層結(jié)構(gòu)面具有足夠的傳遞水平力的整體剛度，也可充分發(fā)揮其有效減小基礎(chǔ)整體彎曲變形和基礎(chǔ)內(nèi)力的作用，使結(jié)構(gòu)受力及變形更為合理經(jīng)濟。實驗結(jié)果表明，嵌固層樓板參與工作后對降低基礎(chǔ)整體撓曲度有較大貢獻，且基礎(chǔ)整體撓曲度隨著樓板厚度的增加而減小。綜上所述，正是基于對結(jié)構(gòu)底部嵌固端的確認，結(jié)構(gòu)整體分析計算時其相關(guān)的一些計算指標就有了計算參考點。如結(jié)構(gòu)底部加強區(qū)范

10、圍，結(jié)構(gòu)抗震等級、層剛度比、結(jié)構(gòu)計算高度及結(jié)構(gòu)底部內(nèi)力調(diào)整等。在實際工程設(shè)計當(dāng)中如有需要，也可將整體計算模型從結(jié)構(gòu)嵌固端部位分開，分別進行上部及底部結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實現(xiàn)多人同時操作設(shè)計，以便提高設(shè)計效率。 3消防車荷載 隨著建筑物使用功能種類的多樣化，建筑體量也越來越大，對建筑消防防火的要求也大大提高，從而就會涉及到消防車和運輸車輛的問題。現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB500092012對消防車荷載有明確的規(guī)定。，使用時具有一定的前提條件。然而現(xiàn)在工程情況千差萬別，很難用一種或幾種工況來模擬代表所有的工程狀況。 4地下室剛度及外墻 結(jié)合目前常用的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件及設(shè)計者的操作方式，建立結(jié)構(gòu)計算模型時一

11、般直接將地下室外墻輸入模型，參與整體結(jié)構(gòu)計算，以體現(xiàn)真實的剛度計算模型。以此來考慮其對整體結(jié)構(gòu)受力的影響。此時外墻不單起傳統(tǒng)意義上擋土墻的作用，而且是重要的抗豎向力及水平力構(gòu)件，對提高地下室結(jié)構(gòu)整體剛度及基礎(chǔ)剛度有較大的作用。計算地下室結(jié)構(gòu)剛度的大小會影響到對上部結(jié)構(gòu)嵌固端位置的判定，尤其是抗側(cè)力剪切剛度。一般認為，在不考慮地下室周邊土體約束的情況下，地下一層有效抗側(cè)剪切剛度與上部結(jié)構(gòu)底層抗側(cè)剪切剛度的比值不宜小于2，且構(gòu)造措施滿足規(guī)范規(guī)定的條件，則地下室頂部可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。有效剪切剛度是指地下室相關(guān)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗側(cè)剛度，相關(guān)范圍以外部分抗側(cè)剛度則不予計入。因此為滿足剛度比條件，則

12、應(yīng)盡量提高相關(guān)范圍以內(nèi)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，并加強構(gòu)結(jié)構(gòu)造措施，但同時相關(guān)范圍以外部分仍應(yīng)采取一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。外墻剛度對地下室有效抗側(cè)剛度的貢獻大小與其在工程中所處的位置與上部結(jié)構(gòu)的距離有關(guān)。無論如何，對整個地下室結(jié)構(gòu)而言，其工程意義是非常重要的，所以設(shè)計者應(yīng)認真對待這一問題。外墻作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行設(shè)計時，因其計算簡圖中邊界約束條件的定義粗略程度以及墻體平面外荷載取值的近似性，還有對墻體構(gòu)造措施處理的強弱等因素均會造成設(shè)計與墻體實際受力狀態(tài)誤差偏大。大致可從以下幾個方面考慮。 41土壓力計算 目前工程中大多采用朗金理論和庫倫理論來計算土壓力。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

13、平衡狀態(tài)，外墻所承受的土壓力為靜止土壓力，而非被動土壓力。一般情況下靜止土壓力系數(shù)取值:對砂類土可取0.350.45，對黏性土可取0.50.7。當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎么箝_挖方式，無坑壁支護結(jié)構(gòu)時，靜止土壓力系數(shù)一般取0.5，但當(dāng)考慮坑壁支護結(jié)構(gòu)與外墻共同作用時，靜止土壓力系數(shù)可乘以0.66來近似計算，土壓力計算時地下水位以上取土的重度，水位以下取土的浮重度。 42墻體計算模型的確定 以往地下室外墻計算近似按單向板計算，即取頂板、板底為外墻的支承點，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，外墻的支承條件按外墻與周邊構(gòu)件的剛度比確定，當(dāng)外墻剛度相對于與之相連周邊構(gòu)件剛度較大時，按簡支考

14、慮，反之按固結(jié)考慮。目前常用的一些有限元計算程序已能按外墻的實際邊界條件進行計算，當(dāng)外墻兩側(cè)存在翼墻或線剛度較大的扶壁框架柱，且翼墻或扶壁框架柱間距不大于層高的2倍時，外墻可按雙向板計算。一般來說外墻多按墻體底部固結(jié)，頂部視情況為簡支、固結(jié)或半固結(jié)的壓彎構(gòu)件進行設(shè)計。當(dāng)計算時忽略翼墻或扶壁框架柱對外墻約束的有利因素時，則外墻計算結(jié)果將會偏大。 43構(gòu)造措施 構(gòu)造措施包括構(gòu)件計算抗震等級，墻體厚度、砼強度等級及配筋構(gòu)造等?？拐鸬燃壙筛鶕?jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB500112010第6.1.3條地下室無上部結(jié)構(gòu)的部分抗震構(gòu)造措施的抗震等級可根據(jù)情況采用三級或四級，建議取四級。各構(gòu)件的計算或構(gòu)造要求低。當(dāng)上部有主樓時，主樓相關(guān)范圍內(nèi)地下室構(gòu)件抗震等級與主樓相同，其它部分可定義為四級。計算外墻厚度取值應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的最小值，配筋在計算的基礎(chǔ)上可采用分離式配筋或?qū)ΨQ配筋。 5結(jié)語 本文通過在長期設(shè)計