淺談建筑半地下室框架結構設計

張弢

摘 要：本文以某一工程為案例，介紹了兩種建筑半地下室框架結構設計方案，同時對這兩種設計方案進行了計算結果對比、整體模型受力分析等，而后又提出了相應的設計措施，希望能夠為半地下室框架結構設計人員提供借鑒。

關鍵詞：半地下室；框架結構；設計

中圖分類號：TU323 文獻標識碼：A

某學校教學樓工程，建筑功能主要以教學、試驗為主，地上5層，地下1層（半地下室），結構總高20.95m。按照某市建設“關于提高學校醫院等人員密集場所建設工程抗震設防標準的通知”，所有7度（0.15g）的學校建筑均按8度（0.2蔚設計。框架結構抗震等級為二級，屯類場地土。室內地坪為±0.000m，室外地坪為-1.450m，地下室結構底板上皮標高為-4.100m，地下室建筑地坪為-3.900m，地下室結構層高4.1m。

一、計算模型與分析

1 模型的建立與計算結果對比

該建筑工程要求地面以上窗戶的高度為30cm，同時要保證窗戶沿著兩柱貫通，要想滿足這一要求，地下水擋土墻與頂板之間都不能相互連接。正是因為如此，該工程的模型嵌固端，無法充當地下室頂板，嵌固端應該設計到頂面之上，地下室有245cm深入地下。

此次工程中共有兩種模型設計方案：第一種模型方案，根據6層框架進行相應的設計，既不設計擋土墻，也不設計地下室。使用PKPM軟件來進行模型設計，輸入參數數據時，地下室層數一欄填寫0。第二種模型方案，輸入參數數據時，地下室層數一欄填寫1。高位窗根據剪力墻開洞方式來進行處理。

通過計算分析比較發現，如果考察整體指標，則第二個設計模型方案比較好，第一種設計模型方案存在著不安全因素；第二種模型方案因為是剪力墻結構，而且參數數據是一層地下室，此時就會明顯出現側向剛度突變的問題，彎矩與第一種模型方案相比，明顯要大；第二種模型方案框柱內力值與第一種模型方案相比，明顯很大，橫向縱筋與豎向縱筋，第二種模型方案都要比第一種模型要打，但是框柱箍筋這兩種模型方案都沒有明顯差異。

2 整體模型受力分析

因為第二種方案中需要設計擋土墻，而擋土墻的剛度非常大，同時受到周圍土體非常大的約束，所以地層側向剛度要非常大。此時就框架來說，剛度難以均勻，地上一層是最為重要的突變位置，因此非常容易出現剪切破壞。因為擋土墻與框架柱存在著比較大的約束力，而底層框柱同時會受到水平荷載的影響，這就使得窗戶高度范圍轉變為短柱，同時剪跨比非常小，能夠將其看作是短柱，如果發生地震，短柱常常會造成斜拉破壞。所用的PKPM軟件并沒有對小孔洞加以考慮，這與工程的顯示要求并不相同。如果高窗能夠貫通，框架梁無法與剪力墻進行連接，則第二種模型設計方案的梁內力不會如模型中計算的那么小。

二、整體模型設計措施

地下室擋土墻進行開洞處理后，會出現短柱，此時擋土墻抗震效果并不好。如果施工場地能夠滿足要求，擋土墻與主體結構可以不連接，相互脫離，換言之，就是與主體相差一段距離后，再進行砌體磚墻。主體結構并不連接擋土結構，這樣即便發生地震，兩者也不會發生碰撞。但是施工場地無法滿足要求，所以上述方法并不能實現。如果設計地下室剪力墻，則外圈框架柱必須要提高抗剪能力，這就需要設計人員對框架柱進行全高加密處理，如果有需要還需要入型鋼芯柱。

對于沒有開洞的剪力墻，需要依據水平長度大小來進行設計，如果水平長度比較小，則可以設計成暗柱，能夠上下貫通，這是由于窗戶的受力情況與短柱基本上相同，為了能夠防止地震發生時，暗柱發生拉裂，設計人員應該增加抗剪箍筋。

站在整體指標角度來考慮這一問題，模型一的確存在著安全隱患，而整體框架梁柱是根據第一種設計方案獲得的。但是因為地下室擋土墻能夠為整體結構提供剛度，使得地上一層變為集中的剛度突變位置，第二種模型方案框梁內力要明顯高于第一種設計方案。所以現實設計過程中，設計人員為了能夠滿足結構要求，需要將這兩個方案有效結合，進行包絡設計。

三、地下室擋土墻計算分析

地下水位非常低時，擋土墻與框架柱就能夠進行有效的連接，而且還能夠進行設縫，但是此種現狀基本上不會發生。通常情形都是，擋土墻與框架柱直接設計成為固接或者是鉸接的方式。擋土墻上端因為需要開窗，變為自由端，墻下端與底板相連接，因此可以進行固接處理。

擋土墻與框架柱相連接時，橫向方向上會受到很多壓力的影響，第一個就是直接測壓力，第二個就是間接側壓力。如果梁柱的側向剛度非常大，間接側壓力更加的突出。但是如果擋土墻與框架柱并沒有設置任何的縫隙，則不會出現側壓力，如果兩者相互連接，即使是鉸接處理，依然會出現間接側壓力。

設計人員采用簡化計算方法，將地下室擋土墻共角形荷載等效為矩形荷載。將地下室擋土墻視為三邊固定一邊自由的板，荷載按周邊傳遞考慮，得出傳到框架柱上的間接側壓力。通過與有限元計算，當地下室擋土墻長與高的比值在1.2～1.5時，簡化計算誤差在5%以內。實際上，可以將地下室擋土墻作為板單元結構進行分析。按照板計算的一般原則，若擋土墻長與高的比值>3，擋土墻即可視為單向板，側向壓力僅向擋土墻上下兩端傳遞，而傳給框架柱的間接側壓力則很小，可忽略不計。若擋土墻長與高的比值<2，可按雙向板計算。

本工程中，柱距為8.4m，墻高為3m，外墻上端自由、下端固接。由于地下水位較高，為防止水滲人，外墻與柱之間不設縫。側壓力沿地下室擋土墻豎直方向單向傳遞，計算模型取lm寬板帶，按懸挑構件計算內力，用0.2mm裂縫控制配筋，擋土墻豎向筋為主受力鋼筋。為弱化地下室擋土墻與框架柱的連接，水平方向鋼筋配置宜盡量減小，但仍需保證二者交接處裂縫限值。

結語

綜上所述，可知本文提出的兩種設計方案要結合起來使用，單獨任用任何一種方案都會出現安全隱患。開高窗的短柱設計人員要恰當的進行處理，以此提高短柱的抗剪能力，如果場地條件能夠滿足需求，可以讓擋土墻與整體不連接。此外，設計人員在進行設計時，要需要考量到間接側壓力的問題。

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