考慮水平力作用的地下室坡道設(shè)計(jì)方法研究

孫殿宇 倪偉杰 劉 斌 任光勇

浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司 浙江 杭州 310013

1 引言

當(dāng)前民用建筑結(jié)構(gòu)中，地下空間已經(jīng)被廣泛利用。在經(jīng)濟(jì)效益、建造技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，新開(kāi)發(fā)的地下室在深度、層數(shù)上屢屢突破，目前在中大型城市中，超過(guò)3層、10m的地下室已不在少數(shù)，更有部分重要項(xiàng)目，地下室基坑深度超過(guò)30m，層數(shù)達(dá)到5層以上?？紤]地下室流線設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，汽車(chē)坡道往往會(huì)緊貼外墻布置在地下室邊緣或角部。對(duì)于單層或埋深較淺的地下室，地下室水土側(cè)壓力較小，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的坡道結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本上能夠滿足水平力的傳力要求。然而，對(duì)于多層地下室，由于基坑深度的增大，其受水平力作用相較單層地下室要大很多，這種影響是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中所忽視的。因此，本文以杭州市某項(xiàng)目多層地下室為例，采用有限元分析方法，分析了水平力作用對(duì)地下室汽車(chē)坡道結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)分析結(jié)果采取了相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施。

2 工程概況

地下室共六層，由下至上層高分別為4.8m、4.0m、3.9m、4.1m、5.5m、4.3m，其主要功能為商業(yè)、停車(chē)場(chǎng)、設(shè)備用房等。頂板頂相對(duì)標(biāo)高-1.800，底板頂相對(duì)標(biāo)高-28.400，室外覆土面相對(duì)標(biāo)高-0.300，抗浮水位相對(duì)標(biāo)高-0.800。1#坡道典型平面布置如圖1-圖2所示，呈L形，從B6盤(pán)旋升至B1，共5層板，坡道凈寬為7.5m，轉(zhuǎn)角位置最大跨度約為12.7m。其中A軸和7軸為地下室外墻，采用1200厚地連墻，混凝土標(biāo)號(hào)C35?；A(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，底板厚度1800mm-2600，混凝土標(biāo)號(hào)C40。樓層板厚度：B5、B4層200-250mm厚，B3為150-250厚，B2及以上為120-150厚。坡道板厚度：B6-B3為200mm厚，B3-B1為180-150mm厚。各層主要樓層梁尺寸300x700-500x900，坡道梁尺寸400x600。坡道內(nèi)側(cè)設(shè)有400mm厚結(jié)構(gòu)墻以及框架柱，框架柱尺寸為600x600-1000x1000。混凝土標(biāo)號(hào)：地下室梁板混凝土標(biāo)號(hào)C35。地下室內(nèi)墻柱根據(jù)主樓混凝土等級(jí)取C35-C60不等。

圖1 1#坡道標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 1#坡道剖面展開(kāi)圖

3 結(jié)構(gòu)受力分析

地下室外圍側(cè)壓力作用主要考慮以下幾個(gè)方面：1、土體的側(cè)壓力；2、地下水的側(cè)壓力；3、地面堆載； 4、人防等效荷載作用。其中，1和2作用的大小均與地下室埋深成正相關(guān)。側(cè)壓力首先作用于地下室外壁的墻、柱上，進(jìn)而傳遞至水平構(gòu)件內(nèi)（樓層梁板、基礎(chǔ)及底板）。然而，汽車(chē)坡道作為錯(cuò)層構(gòu)件，無(wú)法有效的直接與水平構(gòu)件傳遞圍壓力，而是通過(guò)以下兩種路徑傳遞[2]：路徑一：通過(guò)坡道板自身的面內(nèi)抗彎剛度，傳遞至坡道板兩端的樓層板上。此時(shí)，地下室外墻、坡道板以及坡道板內(nèi)側(cè)梁（墻）組成一個(gè)水平放置的受彎構(gòu)件（圖2 1-1剖面），其中地下室外墻為受壓翼緣，坡道板為腹板，坡道內(nèi)側(cè)梁（墻）為受拉翼緣；路徑二：先由坡道板傳遞至坡道內(nèi)側(cè)的豎向構(gòu)件上，再由豎向構(gòu)件傳遞至樓層板中。路徑二會(huì)對(duì)地下室內(nèi)的豎向構(gòu)件產(chǎn)生錯(cuò)層的水平力，其受力較為復(fù)雜和不利。

4 計(jì)算結(jié)果

本工程采用MIDAS GEN有限元分析軟件對(duì)坡道受力情況進(jìn)行分析[1]。計(jì)算中梁、柱采用梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)墻、板采用板單元模擬。本工程土壓力按靜止土壓力考慮，側(cè)向土壓力系數(shù)取0.5[3]?？紤]水土壓力分算。水土側(cè)壓力按考慮深度的梯度壓力荷載輸入作用于外墻板單元節(jié)點(diǎn)，其中土壓力為9.5-142.5kPa，水壓力為9.8-270.5kPa。模型建入坡道及周?chē)叵率揖植?-5跨，考慮外圍水平壓力作用的對(duì)稱(chēng)性，設(shè)置地下室內(nèi)側(cè)板邊節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)水平壓力方向上的位移自由度為0；考慮底板摩擦力和樁基對(duì)底板變形的約束作用，約束底板節(jié)點(diǎn)XYZ三向位移。

由計(jì)算結(jié)果可知，在水平力作用下，地下室外墻中下部變形大、角部和墻頂?shù)鬃冃屋^?。▓D3），其中，最大側(cè)向位移產(chǎn)生于B4-B3之間，為4.92mm。這種現(xiàn)象有別于文獻(xiàn)[4]中描述的外墻變形特征，即“樓板支撐處沒(méi)有水平位移”，各“樓層中部發(fā)生彎曲變形?！狈治銎湓?，是由于：1、水土壓力隨埋深增大而加大，一定程度上墻體變形隨埋深增大；2、外墻角部和底板提供了較大的面外剛度，對(duì)墻體變形有較大的約束作用；3、由于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的存在，樓層板不連續(xù)，樓板位置剛度不足以約束外墻的水平變形。

圖3 地下室外墻水平位移（mm,視角1）

坡道板在水平力作用下呈面內(nèi)受壓狀態(tài)。坡道板平面內(nèi)外側(cè)存在一定的應(yīng)力差（外側(cè)壓應(yīng)力大，內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力小），證明側(cè)壓力能夠通過(guò)路徑一傳遞。當(dāng)僅在側(cè)向力作用下，坡道板應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)于1）地下室角部坡道梁附近和2）坡道與樓層板交接的位置，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)于B5-B4坡道板外側(cè)靠近轉(zhuǎn)角處（圖4），為13.3MPa，經(jīng)驗(yàn)算C35混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 B5-B4坡道板及周?chē)鷺前濡襪in（Mpa）

在豎向力和水平力組合工況作用下，坡道梁處于壓彎狀態(tài)，最大軸力出現(xiàn)于B5-B4層KL1，為2193kN（圖5）。

圖5 坡道梁軸力（kN.視角1坡道局部）

在水平力作用下，坡道內(nèi)側(cè)柱錯(cuò)層位置產(chǎn)生彎矩和剪力。當(dāng)坡道板位于樓層中部位置時(shí)柱中產(chǎn)生較大彎矩，而當(dāng)樓板與坡道板標(biāo)高接近時(shí)剪力較為顯著。以KZ1為例（圖6），最大彎矩位于B4下方坡道板處，為722.9kN·m；最大剪力位于B4層樓板與該坡道板之間，為742.6kN。

圖6 KZ1左：彎矩圖（kN·m）;右：剪力圖（kN）

水平力作用下，坡道內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)墻受力情況如圖7所示。最大正負(fù)彎矩分別出現(xiàn)在各層樓面板和坡道板處。控制截面為B4樓板處，最大彎矩為479kN·m/m，最大剪力為890kN/m。

圖7 坡道內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)墻 a：彎矩圖（kN·m）b：剪力圖（kN）

根據(jù)以上分析計(jì)算可知：1、對(duì)于本工程中的深基坑地下室，水土側(cè)壓力作用非常顯著，對(duì)外墻、樓層和坡道梁板、坡道內(nèi)側(cè)墻柱均有著顯著的影響，設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視；2、受水平力作用最不利的位置并非位于底部樓層，而是位于中下部的樓層位置。本例中外墻變形最大位置位于B4-B3樓層之間，構(gòu)件受力最顯著的位置位于B5-B4樓層之間。本設(shè)計(jì)針對(duì)以上分析結(jié)果做如下加強(qiáng)：1）坡道板按計(jì)算結(jié)果加厚至180-200，雙層雙向配筋，并針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域適當(dāng)加強(qiáng)分布鋼筋；2）坡道梁按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，縱筋、箍筋滿足壓彎構(gòu)件構(gòu)造要求；3）坡道內(nèi)側(cè)柱按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，復(fù)核抗剪承載力滿足要求；4）坡道內(nèi)側(cè)增設(shè)400mm厚結(jié)構(gòu)墻，設(shè)計(jì)考慮其面外彎剪受力，特別對(duì)剪力墻中剪力較大區(qū)域設(shè)置加強(qiáng)帶，通過(guò)加密水平拉結(jié)筋等措施提高其抗剪承載力（圖2）。設(shè)計(jì)過(guò)程中的試算還表明：1、當(dāng)外墻厚度、配筋不足，或臨外墻坡道結(jié)構(gòu)剛度不足時(shí)，外墻變形過(guò)大，可能導(dǎo)致外墻開(kāi)裂、滲水甚至破壞；2、當(dāng)坡道梁板尺寸不足、配筋不合理時(shí)，可能會(huì)發(fā)生受壓或壓彎破壞；3、當(dāng)坡道內(nèi)側(cè)豎向構(gòu)件尺寸不足、配筋不合理時(shí)，在錯(cuò)層水平力的作用下會(huì)發(fā)生彎、剪破壞。特別需要指出的，當(dāng)坡道內(nèi)側(cè)僅設(shè)置結(jié)構(gòu)柱，不設(shè)置結(jié)構(gòu)墻的情況下，柱水平剪力可達(dá)到2000kN以上，僅通過(guò)加大柱尺寸很難同時(shí)滿足承載力和建筑空間的要求。

5 結(jié)論和建議

當(dāng)?shù)叵率衣裆钶^大時(shí)，對(duì)于相鄰地下室外墻的汽車(chē)坡道等錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，水土作用對(duì)產(chǎn)生的側(cè)壓力作用不容忽視，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以充分考慮。除外墻、坡道梁板應(yīng)根據(jù)計(jì)算適當(dāng)加強(qiáng)以滿足承載力要求外，對(duì)錯(cuò)層薄弱位置應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注，主要有：1、坡道與樓層交接處的梁板往往有應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)應(yīng)予以加強(qiáng)；2、坡道內(nèi)側(cè)錯(cuò)層柱需要充分考慮錯(cuò)層水平力進(jìn)行截面、配筋設(shè)計(jì)，必要時(shí)坡道內(nèi)側(cè)錯(cuò)層位置增設(shè)鋼筋混凝土墻。