某鋼屋蓋單側(cè)擋土結(jié)構(gòu)探討

章傳勝，江韓

（南京長江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，南京 210002）

1 工程概況

某鋼屋蓋建筑面積 1 755.39m2，斜屋面結(jié)構(gòu)高度在4.39～9.48m 間變化。根據(jù)建筑效果的需求，該屋蓋采用鋼框架結(jié)構(gòu)，抗側(cè)剛度很弱，難以承受單側(cè)堆至屋蓋頂?shù)耐馏w水平推力，需要在鋼結(jié)構(gòu)主體外邊界設(shè)置有效的擋土結(jié)構(gòu)，并與主體完全脫開，避免鋼屋蓋承受水平力【1】。該工程的典型斷面如圖1 所示，最高堆土已蓋過了鋼屋蓋頂板，從地面算起，結(jié)構(gòu)主體一側(cè)的堆土厚度從2m 變化到7m。

圖1 鋼框架主體與一側(cè)堆土的典型斷面示意圖

本工程所在場地在地面以下5m 是沒有承載力的雜填土，不能做天然基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)主體采用了旋挖鉆孔灌注樁，將樁端設(shè)置在中風(fēng)化巖層上【2】。下面詳細(xì)探討了3 種擋土結(jié)構(gòu)形式，分析其各自的特點(diǎn)，供類似工程參考。

2 空腔結(jié)構(gòu)

空腔結(jié)構(gòu)平面布置和對應(yīng)的剖面見圖2 和圖3。該做法是在堆土空間內(nèi)設(shè)置1 個(gè)框架梁板結(jié)構(gòu)，空腔頂?shù)母餐梁穸雀鶕?jù)景觀植被需要取值，本工程取1m，這種空腔結(jié)構(gòu)類似于地下室頂板，只是該頂板標(biāo)高是隨堆土斜面做成了帶坡度的斜板。在堆土頂?shù)?m 等高線位置做 1 個(gè)250mm 厚混凝土短墻，短墻下每隔6m 左右設(shè)置1 個(gè)獨(dú)立樁承臺，這樣能把7m高的堆土轉(zhuǎn)換為空腔框架加覆土，最外側(cè)的矮擋墻只有1m 高差的土側(cè)壓力可以直接由空腔結(jié)構(gòu)的框架承受，因此該結(jié)構(gòu)是可靠的，也有效地解決了堆土的水平土壓力對結(jié)構(gòu)主體的影響。這樣空腔框架柱下的樁主要承受壓力，而1m 高差的土體水平力可以忽略不計(jì)。

圖2 空腔平面布置圖

圖3 空腔剖面示意圖

圖4 擋土墻結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 擋土墻結(jié)構(gòu)剖面示意圖

空腔結(jié)構(gòu)對堆土面坡度較緩的情況可行，但遇到堆土面坡度很大時(shí)，隨坡面變化的空腔頂板不易穩(wěn)固覆土，土體產(chǎn)生滑移，需要采取行之有效的穩(wěn)固措施，當(dāng)堆土上需要種植大型樹木時(shí)，需要增加空腔頂板的覆土厚度，也會相應(yīng)提高空腔結(jié)構(gòu)的混凝土和鋼筋用量【3】。

3 擋土墻結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)主體外邊界設(shè)置擋土墻結(jié)構(gòu)時(shí)【4】，其平面布置和剖面示意分別見圖4 和圖5。

因擋土墻下雜填土沒有承載力，本工程需在擋土墻下布置樁基礎(chǔ)，作用在擋土墻上的豎向壓力和水平推力傳給樁，且壓力和推力會在墻底板產(chǎn)生很大的不平衡彎矩，需在擋土墻底部布置垂直于擋墻面的兩樁承臺，靠兩樁的拉壓軸力產(chǎn)生的力矩來抵抗，因此，擋土墻下的樁需要同時(shí)承受壓力、拉力和水平力。

作用在擋土墻的各力系計(jì)算剖面見圖6，本文以6m 高的擋土墻為例進(jìn)行分析，布置的承臺間距取5m。根據(jù)圖6，作用于擋土墻底板底面的水平力為240kN/m，彎矩為678kN·m/m，擋土墻自重+墻背面土體（取不利的三角形土體）為323kN/m，豎向壓力對擋土墻的形心產(chǎn)生的彎矩為132kN·m/m，這樣，作用于擋土墻底板的不平衡扭矩有546kN·m/m，取承臺2 側(cè)5m寬擋土墻為隔離體研究，根據(jù)力和力矩的平衡，圖6 中擋墻下樁反力R1和R2見表1，需要樁抗拔承載力為550kN，而水平承載力達(dá)到600kN。

擋土墻由于承受的土側(cè)壓力很大，需要在間隔5m 的承臺中心設(shè)置2m 長的扶壁柱，這樣擋土墻墻體可按底部和兩側(cè)3 邊固接的墻板受力，而不是單純的懸臂墻受力，使擋土墻的底部墻厚減小，自身的配筋也會減少。扶壁柱承受擋土墻傳來的沿豎向呈梯形的水平力，按承臺底部固接的懸臂構(gòu)件驗(yàn)算配筋。

圖6 6m高擋土墻結(jié)構(gòu)計(jì)算斷面分析圖

底板由于承受較大不平衡扭矩，上部堆土產(chǎn)生的彎矩和剪力也很大，底板截面厚度由剪扭截面限制條件控制，需將底板縱筋圍合成箍筋形式，且布置拉結(jié)筋。扶壁柱可做成從下到上變截面形式，承臺處根部截面為300mm×2 000mm，頂部為300mm×800mm，應(yīng)按規(guī)范的深梁構(gòu)造配筋。表1 列出了3 種堆土高差的擋土墻數(shù)據(jù)，計(jì)算表明4m 以下可不設(shè)扶壁柱。

表1 2～6m堆土高差下的擋土墻參數(shù)

4 擋土U槽結(jié)構(gòu)

擋土U 槽結(jié)構(gòu)的平面和斷面分別見圖7 和圖8，該做法是將堆土區(qū)域分割成一塊塊的敞口水池狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)單元就是一個(gè)上面敞口底部封板的U 形槽，結(jié)構(gòu)完成后再將每個(gè)U 槽填滿土。沿結(jié)構(gòu)主體邊界的墻體因間距較?。ū竟こ倘?m）的U 槽隔墻支撐作用，每個(gè)單元可按底邊和側(cè)邊固接、頂邊自由的墻板受力，7m 高的堆土只需墻厚300mm，而其他內(nèi)部所有隔墻因兩側(cè)均有堆土，不存在不平衡水平側(cè)壓力，墻厚可取200mm，由于隔墻不承受平面外壓力，墻體配筋不大。U 槽的底板被上面雙向布置的隔墻劃分為跨度5m 的連續(xù)板，主要承受堆土荷載，經(jīng)計(jì)算，底板厚取400mm，配筋率一般在0.5%。在U 槽墻體相交點(diǎn)處布置樁承臺，承受U 槽結(jié)構(gòu)的自重和承載的堆土重量。這樣土的水平側(cè)壓力全部轉(zhuǎn)化為土的自重，不會對結(jié)構(gòu)主體和U 槽自身產(chǎn)生影響。U 槽內(nèi)因堆土厚度很大，可以正常種植景觀植物，甚至大型樹木。設(shè)計(jì)時(shí)需要在底板均勻預(yù)留一些小孔洞，如圖7 所示，使U 槽中的富余水分及時(shí)排出，這能減少堆土自重，也利于種植于槽內(nèi)的景觀植物生長。

圖7 擋土U槽結(jié)構(gòu)平面圖

經(jīng)以上分析，除了結(jié)構(gòu)主體邊的墻體需要承受不平衡土側(cè)壓力，其他墻體因兩側(cè)存在等高度的堆土而沒有不平衡的水平力產(chǎn)生，僅僅承受墻體平面內(nèi)的作用力，底板雖然承受的豎向荷載較大，但因網(wǎng)格狀的分隔墻體被劃分成一塊塊較小計(jì)算跨度連續(xù)板，實(shí)際算出的底板配筋也不大，綜上所述，該U 槽結(jié)構(gòu)是一個(gè)行之有效的擋土結(jié)構(gòu)形式。

圖8 擋土U槽結(jié)構(gòu)剖面圖

5 結(jié)語

1）當(dāng)結(jié)構(gòu)主體一側(cè)存在土水平側(cè)壓力時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量在主體結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置安全可靠的擋土結(jié)構(gòu)，并與結(jié)構(gòu)主體完全脫開，這樣避免了結(jié)構(gòu)主體承受很大的水平力，也穩(wěn)固了土體。

2）空腔結(jié)構(gòu)是在堆土下設(shè)置一個(gè)封閉的框架，空腔頂板上按景觀要求覆土一定厚度，頂板下形成空腔，將高差很大的堆土側(cè)壓力轉(zhuǎn)化成空腔框架能承受的很小水平力，但堆土面坡度很大時(shí)，空腔頂板需要有穩(wěn)固土體措施以防覆土滑移。

3）擋土墻結(jié)構(gòu)占地面積在3 種結(jié)構(gòu)中最小，依靠自身的結(jié)構(gòu)承擔(dān)了土的水平力，一般擋土墻底板下土層沒有承載力，需要布置間隔很小的兩樁承臺，而且要求樁能承擔(dān)較大的水平力和一定的拔力。

4）擋土U 槽結(jié)構(gòu)將堆土劃分成一塊塊水池狀單元，堆土完全轉(zhuǎn)換成U 槽結(jié)構(gòu)底板上的荷載，U 槽下的樁只需承擔(dān)豎向壓力，而無水平力和拔力，每個(gè)單元槽內(nèi)可以正常種植樹木，不會局限于土頂坡度的大小，但U 槽結(jié)構(gòu)也是這3 種結(jié)構(gòu)中混凝土量和土方量最大的。