框架結構中半地下室設計探討

劉鵬程 劉士鋒

(國家林業局昆明勘察設計院，云南昆明 650216)

0 引言

半地下室是指房間地面低于室外地平面的高度超過該房間凈高的1/3，且不超過1/2者。由于其可以通過窗戶進行自然采光通風，既可以降低工程造價，又能充分的利用地下空間，因此半地下室在無人防要求的建筑上的應用越來越多。本文結合實際工程對半地下室的結構設計談談自己的體會。

1 工程概述

昆明地區某工程，地上4層，地下1層(半地下室)，結構總高度19．1 m，純框架結構體系。本建筑的主要功能為辦公、住宿以及森林火情的監測。本項目設防烈度為8度(0．20g)，擬建場地類別Ⅱ類，設計地震分組為第三組。框架的抗震等級為二級。建筑剖面見圖1。

2 半地下室設計分析

由于半地下室對上部結構的約束是非常有限的，因此結構的嵌固端必須取在基礎頂部。在建筑的結構計算中，半地下室與上部結構必須整體考慮，從而半地下室的結構選型對整個結構的計算的影響是不可忽略的。本工程的結構計算采用SATWE進行彈性分析。

2．1 常規設計及存在的問題

對于半地下室的設計通常采用的方法主要有兩種:

一種(后文稱為“方法一”)是在地下室的擋土一側設置剪力墻，由于建筑上需要通過大窗來進行自然通風采光，所以剪力墻的設置一般只高出填土高度的100 mm～300 mm，并不是沿底層柱全高設置(見圖2);

圖1 建筑剖面圖

另一種(后文稱為“方法二”)就是在主體結構外圍另外設置擋土結構，即擋土結構與主體結構完全脫離，兩者一般間距為1．5 m以上，保證地震時，互相不發生碰撞(見圖3)。

方法一是較早普遍采用的一種設計方法，但在長期的實際運用中，特別是汶川地震后，發現這種結構形式破壞都非常嚴重，通過理論分析以及結構計算，發現其存在的問題主要表現在以下幾方面:

1)由于地下室外圍設置了剛度比較大的剪力墻，再加上側向土體的約束，導致底層的側向剛度較上部幾層的剛度大了不少，就整個框架結構來說，剛度是極不均勻的，從而引起結構在變形、內力等效應上也極不均勻，對結構的抗震性能非常不利。

圖2 半地下室設計方法一

圖3 半地下室設計方法二

2)對于底層柱，在水平荷載作用下，由于剪力墻對框架柱的側向約束，窗戶所在的高度范圍內就形成了短柱。短柱由于其凈高很小，而柱的截面高度又是不變的，從而導致其剪跨比很小(一般都小于1．5，為極短柱)。短柱在地震中大多會發生剪切斜拉破壞(見圖4)，幾乎沒有延性，是非常不利于抗震的。

圖4 地震中發生剪切破壞的短柱

基于以上兩點，目前在半地下室結構中已嚴禁采用方法一，并且GB 50011-2010建筑抗震設計規范3．7．4條作為強制性條文明確規定在框架結構中應避免出現短柱。

為了避免由于方法一所造成的結構對抗震的不利作用，結構設計人員提出了把方法二應用于半地下室的設計中。方法二是現在比較認可、成熟的一套設計思路，但還是有其應用的局限性，主要表現為:

1)由于擋土結構與主體結構完全脫離且必須保持一定的間距，這就要求建筑物的四周預留出一定的空間來滿足設計的要求，從而導致了土地的浪費，特別是在城市規劃區內，這對業主來說，是非常不情愿的。

2)在填方區，設置獨立擋土結構，其擋墻的基礎持力層比較深，處理起來非常困難，且造價比較高，很不經濟。

方法二從結構的安全性來說，是可行的。但對于一些特定的項目，實施起來比較困難，且經濟性較差。

2．2 懸臂式擋墻在半地下室結構中的應用

本項目從一開始也是準備采用方法二來實現半地下室的設計，但后來通過對場地及地勘報告的分析，由于項目擬建場地存在2．1中所述的兩點限制，方法二的做法無法實施。

在方法一中，可以通過在剪力墻與框架柱之間設置縫隙來消除剪力墻對框架柱的約束，從而避免短柱的出現，且墻的剛度對主體結構整體剛度的貢獻就很小了，這樣就可以基本上避免方法一存在的問題。但設置縫隙后，墻的受力就不再具有剪力墻的特性了，且縫隙寬度需要科學確定。

筆者結合以前在公路部門的設計經驗，分析設置縫隙后的墻的受力特性類似于公路上通常采用的懸臂式擋墻，其主要功能都是為了抵抗土體的側壓力。結合本項目的特點，對懸臂式擋墻做了如下優化:

1)主體結構的基礎地梁作為懸臂式擋墻的基礎，其擋墻的豎向荷載、水平荷載、扭矩等均由地梁承受，因此地梁需經專門計算，且在構造措施上也進行了適當加強(地梁箍筋全長加密、抗扭腰筋提高級別等)。經計算，地梁均能滿足承載力的要求;

2)整個墻體的截面定義為不變截面;

3)取消基礎與墻體間的加腋。

優化后的懸臂式擋墻能很好的與本項目結合，且滿足建筑和結構的需要，其大樣圖見圖5。

圖5 懸臂式擋墻大樣圖（未注鋼筋均為12@250）

懸臂式擋墻的計算采用理正巖土計算5．1版軟件，對其抗滑移、抗傾覆、墻身的承載力及裂縫寬度進行了驗算，均能滿足規范要求。

為了保證地震時，懸臂式擋墻對框架柱不形成約束，且避免相互之間的碰撞造成的破壞，縫隙寬度參照GB 50011-2010建筑抗震設計規范6．1．4條來確定即按防震縫的寬度進行設置。經計算，8度區框架結構，總高度為19．1m的防震縫寬度為140mm。其縫隙間的防水均采用柔性材料(如瀝青及卷材等)，具體做法詳見西南11J 302-20。

3 結論及建議

本文通過對框架結構中半地下室設計的深入分析，創新性地將懸臂式擋墻應用于此類結構中，并得到了審圖中心結構專家的認可，不僅取得了較好的經濟效益，也為結構工程師在此類問題上提供了一種新的有效的解決方法。

當然，懸臂式擋墻在框架結構中半地下室的應用也有其適用條件，主要有以下幾點:

1)對于地下水位較淺(不低于地梁標高)的場地:一方面由于懸臂式擋墻與框架柱之間的縫隙比較大，防水處理起來比較困難且效果不佳，容易引起滲透;另一方面由于擋墻側面水壓的存在，會導致側壓力大大增加，從而截面尺寸相應增加，可能會與建筑功能發生沖突。

2)半地下室的填土高度不宜過高(最好不要超過4 m)，否則懸臂式擋墻的截面必須做成變截面的，會導致地梁尺寸過大，造成不必要的浪費，也同樣可能會與建筑功能發生沖突。

3)在場地條件允許的情況下，優先采用方法二。

限于時間和設計示例的特殊性，本文難免有不足和片面之處，還請大家予以指正。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］．

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范［S］．

［3］黃世敏．鋼筋混凝土結構典型震害及抗震設計概念［Z］．中國建筑科學研究院工程抗震研究所，2012．

［4］朱炳寅．建筑抗震設計規范應用與分析［M］．北京:中國建筑工業出版社，2011．

［5］北京市建筑設計研究院．建筑結構專業技術措施［M］．北京:中國建筑工業出版社，2007．