某鋼屋蓋單側擋土結構探討

章傳勝，江韓

（南京長江都市建筑設計股份有限公司，南京 210002）

1 工程概況

某鋼屋蓋建筑面積 1 755.39m2，斜屋面結構高度在4.39～9.48m 間變化。根據建筑效果的需求，該屋蓋采用鋼框架結構，抗側剛度很弱，難以承受單側堆至屋蓋頂的土體水平推力，需要在鋼結構主體外邊界設置有效的擋土結構，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，結構主體一側的堆土厚度從2m 變化到7m。

圖1 鋼框架主體與一側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，結構主體采用了旋挖鉆孔灌注樁，將樁端設置在中風化巖層上【2】。下面詳細探討了3 種擋土結構形式，分析其各自的特點，供類似工程參考。

2 空腔結構

空腔結構平面布置和對應的剖面見圖2 和圖3。該做法是在堆土空間內設置1 個框架梁板結構，空腔頂的覆土厚度根據景觀植被需要取值，本工程取1m，這種空腔結構類似于地下室頂板，只是該頂板標高是隨堆土斜面做成了帶坡度的斜板。在堆土頂的2m 等高線位置做 1 個250mm 厚混凝土短墻，短墻下每隔6m 左右設置1 個獨立樁承臺，這樣能把7m高的堆土轉換為空腔框架加覆土，最外側的矮擋墻只有1m 高差的土側壓力可以直接由空腔結構的框架承受，因此該結構是可靠的，也有效地解決了堆土的水平土壓力對結構主體的影響。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。

圖2 空腔平面布置圖

圖3 空腔剖面示意圖

圖4 擋土墻結構平面圖

圖5 擋土墻結構剖面示意圖

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

3 擋土墻結構

在結構主體外邊界設置擋土墻結構時【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，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生的力矩來抵抗，因此，擋土墻下的樁需要同時承受壓力、拉力和水平力。

作用在擋土墻的各力系計算剖面見圖6，本文以6m 高的擋土墻為例進行分析，布置的承臺間距取5m。根據圖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5m寬擋土墻為隔離體研究，根據力和力矩的平衡，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，而水平承載力達到600kN。

擋土墻由于承受的土側壓力很大，需要在間隔5m 的承臺中心設置2m 長的扶壁柱，這樣擋土墻墻體可按底部和兩側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件驗算配筋。

圖6 6m高擋土墻結構計算斷面分析圖

底板由于承受較大不平衡扭矩，上部堆土產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，應按規范的深梁構造配筋。表1 列出了3 種堆土高差的擋土墻數據，計算表明4m 以下可不設扶壁柱。

表1 2～6m堆土高差下的擋土墻參數

4 擋土U槽結構

擋土U 槽結構的平面和斷面分別見圖7 和圖8，該做法是將堆土區域分割成一塊塊的敞口水池狀結構，每一個單元就是一個上面敞口底部封板的U 形槽，結構完成后再將每個U 槽填滿土。沿結構主體邊界的墻體因間距較小（本工程取5m）的U 槽隔墻支撐作用，每個單元可按底邊和側邊固接、頂邊自由的墻板受力，7m 高的堆土只需墻厚300mm，而其他內部所有隔墻因兩側均有堆土，不存在不平衡水平側壓力，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 的連續板，主要承受堆土荷載，經計算，底板厚取400mm，配筋率一般在0.5%。在U 槽墻體相交點處布置樁承臺，承受U 槽結構的自重和承載的堆土重量。這樣土的水平側壓力全部轉化為土的自重，不會對結構主體和U 槽自身產生影響。U 槽內因堆土厚度很大，可以正常種植景觀植物，甚至大型樹木。設計時需要在底板均勻預留一些小孔洞，如圖7 所示，使U 槽中的富余水分及時排出，這能減少堆土自重，也利于種植于槽內的景觀植物生長。

圖7 擋土U槽結構平面圖

經以上分析，除了結構主體邊的墻體需要承受不平衡土側壓力，其他墻體因兩側存在等高度的堆土而沒有不平衡的水平力產生，僅僅承受墻體平面內的作用力，底板雖然承受的豎向荷載較大，但因網格狀的分隔墻體被劃分成一塊塊較小計算跨度連續板，實際算出的底板配筋也不大，綜上所述，該U 槽結構是一個行之有效的擋土結構形式。

圖8 擋土U槽結構剖面圖

5 結語

1）當結構主體一側存在土水平側壓力時，設計時應盡量在主體結構與土體之間設置安全可靠的擋土結構，并與結構主體完全脫開，這樣避免了結構主體承受很大的水平力，也穩固了土體。

2）空腔結構是在堆土下設置一個封閉的框架，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壓力轉化成空腔框架能承受的很小水平力，但堆土面坡度很大時，空腔頂板需要有穩固土體措施以防覆土滑移。

3）擋土墻結構占地面積在3 種結構中最小，依靠自身的結構承擔了土的水平力，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，而且要求樁能承擔較大的水平力和一定的拔力。

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