論地下結構優化設計要點

蔣劍峰

東南大學建筑設計研究院有限公司 江蘇 南京 210096

隨著城市人口的集中化、小區建設的規?；?、土地供應的日趨緊張化，項目建設對地下空間的要求越來越高，地下結構在整個工程建設中占有的比重越來越大，結構方案的合理性及優化設計的必要性越來越凸顯。結構優化的內涵不應僅僅是工程造價的節約，建筑使用功能更舒適和完善，結構受力更合理和可靠都應是結構優化設計的應有之義。本文從建筑方案、荷載取值、樓蓋及外墻設計、基礎及底板設計等幾個方面，淺談地下結構優化設計的要點，可供相關設計參考。

1 建筑方案

結構工程師應該積極參與建筑方案的討論和比選，在不影響建筑使用功能的前提下，發揮引導作用，適當減小柱網尺寸、對于多層地下室盡量用足地下一層面積、合理降低地下室層高，適當減少頂板覆土等，對經濟性的影響非常明顯。

2 荷載取值

1、在地下水位以下，地下室外墻的側壓力應按水土合算，目前工程中大多采用W.J.M朗金（Ran.Kine）理論和C.A庫倫（Coulomb）理論。一般情況下，地下室外墻在土壓力作用下，不會發生整體側移，墻后土體處于彈性平衡狀態，地下室外墻所承受的土壓力為靜止土壓力。對砂土，靜止土壓力系數可取0.35～0.45，對粘性土可取0.5～0.7，當地下室施工采用大開挖方式，無支護樁或連續墻支護時，靜止土壓力系數一般取0.5。當地下室施工時采用支護樁或連續墻支護時，土壓力計算中可考慮支護結構和地下室外墻的共同作用或可對靜止土壓力系數進行折減，折減系數近似可取2/3[1]。

2、在有可靠設計依據的前提下，可適當考慮地下水的浮托作用，平衡部分豎向荷載，減小基礎尺寸或優化樁基布置。

3、依據《建筑結構荷載設計規范》（GB50009-2012）[2]，設計樓面梁、墻、柱及基礎時，可對樓面活荷載標準值進行折減；設計基礎時不考慮消防車荷載；設計樓蓋時消防車荷載可按覆土厚度折減；由于準永久值系數可取0，消防車荷載可不參與正常使用極限狀態的驗算。

3 樓蓋及外墻設計

1、常用的地下室結構樓蓋形式有：主梁加厚板、單向次梁、十字交叉梁、井字梁、無梁樓蓋等，與空心樓蓋、預應力技術等相結合，又能衍生出很多新的結構形式。設計時應該根據工程實際條件，進行方案的比選和優化，選擇最為經濟合理的方案。一般情況下，樓蓋設計采用彈性方法計算內力，含消防車荷載工況時，也可適當考慮塑性變形內力重分布。在戰時工況下，宜按塑性方法計算，并在配筋設計時考慮材料強度的提高。頂板通長鋼筋在滿足最小配筋率的前提下，應盡量采用細而密的布置，支座處根據計算采用較大直徑的附加鋼筋。附加鋼筋向跨內延伸的長度應根據負彎矩圖確定，并滿足鋼筋錨固長度[3]。

2、一般地下室外墻，常用單向板計算簡圖。以地下室頂（樓）板、底板為外墻的支撐點，取單位寬度的外墻，視地下室的層數，按單跨或多跨連續板進行計算。一般將底部按照固定支座考慮，中間樓層處有樓板時可將樓板視為側向支承，頂部一般可按簡支端考慮。

3、當地下室外墻存在剛度足夠大的翼墻且翼墻間距不大于2倍層高時，地下室外墻可按雙向板設計（多層地下室可按豎向連續多向板設計）。當多層地下室存在某層樓板缺失時，可視其周邊支承間距通過外墻增設水平橫梁、扶壁柱等措施來減少外墻計算跨度從而減小地下室外墻的厚度和配筋。當設置水平橫梁、扶壁柱作為外墻的支承時，應考慮外墻傳遞過來的水平荷載。水平橫梁或扶壁柱設置見圖1示意。

圖1 水平橫梁或扶壁柱設置示意圖

4、由于下沉式廣場、庭院的廣泛應用，會出現部分地下室外墻頂無約束的大懸臂外墻，此時可通過在外墻上增設挑板（需保證外挑挑板與下部回填層保持一定距離），挑板覆土荷載產生反向的附加彎矩，外墻根部的彎矩為附圖2中（b）和（d）的疊加，從而起到優化的作用。

5、外墻配筋在滿足抗裂的前提下，可采取分離式配筋，通長鋼筋與支座附加筋可采用不同直徑的配筋搭配布置。外墻外側豎向受力主筋可根據彎矩圖截斷50%（一般在距支座1/3處，含墻下端支座及多層地下室的中間支座）。如圖2示意。

圖2 外墻增設挑板覆土示意圖

圖3 外墻外側受力主筋分離式配置示意圖

4 基礎及底板設計[4、5]

1、基礎設計在滿足埋深的前提下，應遵循淺埋原則。應充分利用天然地基承載力。因地制宜采用設計所在地成熟先進的基礎形式。在有充分設計依據的前提下，勇于應用新技術和工藝。

2、控制基礎及底板的變形差異是優化設計的核心。可通過變剛度調平、考慮上部結構剛度的影響等措施，使基礎及底板變形趨于協調。當防水板范圍設有分布布置的抗拔樁或抗浮錨桿時，可適當減薄防水板的厚度，作用于防水板的水浮力可將抗拔樁或抗浮錨桿的拉力適當折減后扣除，也可將樁錨視為防水板的彈性約束，采用有限元分析，對防水板配筋進行優化設計。

3、合理修正地基承載力。主樓帶有裙樓的房屋，當主樓有地下室而裙樓無地下室時，主樓、裙樓的深度修正計算埋深可按各自基礎底面至室外最低地面起算；有地下室的主樓帶裙房（含純地下室）的房屋，裙房及地下室深度修正計算埋深從室內地面算起，當裙樓基礎整體性較好時，主樓深度修正計算埋深可考慮裙樓重量的影響，即將裙樓基底以上的荷載視為主樓基礎兩側的超載。當超載寬度大于主樓基礎寬度2倍時，可將超載折算成土層厚度作為折算埋深，主樓基礎兩側超載不等時取小值，且折算埋深不應大于其實際埋深；在填方整平場地，一般自室外地面起算。但如填土在上部結構施工后進行，則應不考慮該部分填土所產生的超載作用，計算埋深從天然地面起算。

4、筏板基礎設計時，可采用局部增設柱墩、局部加厚或配置抗沖切鋼筋等措施優化筏板基礎的厚度。筏板變厚度時，應驗算筏板變厚度處的受剪承載力。對于筏板基礎計算配筋文件中常出現的較大配筋峰值情況，可采用以下措施：1）調整網格尺寸重新計算（適當加大網格尺寸并使網格劃分規則）；2）在滿足抗沖切要求的前提下適當調整筏板厚度；3）在合理范圍內調整基床系數重新計算；4）取相鄰3-5個網格（網格總寬度不宜大于半個柱距）配筋值加以平均，按平均值配筋。筏板在地下室外墻處外挑可降低基底反力、調節不均勻沉降、外挑板覆土可平衡水浮力等?；A筏板和合理外挑長度，一般不宜超過基礎底板厚度的2-3倍。

圖4 筏板下柱墩抗沖切驗算示意圖

5 裂縫控制及優化設計

相對于地上結構，地下結構具有環境溫差相對較小，基底及側壁外墻對結構約束較強等特點。加上復雜的水土環境，多變的施工條件，超長的混凝土地下室結構，普遍存在防滲抗漏問題，控制結構裂縫成為關鍵核心問題之一，結構設計往往由正常使用極限狀態控制。裂縫的存在是混凝土固有的一種現象，也為相關規范所允許。《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）對允許裂縫（三級裂縫控制）的普通鋼筋混凝土結構，在I～III類環境條件下，最大裂縫寬度的限值為0.2mm。《地下工程防水技術規范》（GB 50108—2008）也規定，混凝土裂縫不得大于0.2mm。

裂縫控制應考慮以下因素的影響：①環境濕度、溫差；②外部約束條件；③建筑形體和結構布置；④結構承受的外荷載、構件的內力裂縫及其控制標準；⑤結構長度；⑥混凝土干縮性能、徐變特性、彈性模量、線膨脹系數、極限抗拉強度等。

在學術界長期存在混凝土的裂縫控制的“抗”與“放”之爭，這并非對錯之爭，而是結合具體工程實際，采取什么樣的裂縫控制原則更合適的問題。一般認為小體量淺埋結構宜“抗放兼施，以抗為主”，大體量、超長、埋置很深的結構宜“抗放兼施，以放為主”[6]。

工程實際中，可以在預想的位置人為設置縫，稱為“預開裂”，從而引導裂縫在規定的位置產生并控制裂縫的開展?！邦A開裂”的方式主要有：變形縫、誘導縫、后澆帶和調倉澆搗工藝等。這些預先設置的縫或后被引導產生的縫，通過施工工藝在新舊混凝土間留下的施工縫，都是在預先設定的位置，以“放”的方式釋放混凝土結構應力，以達到減少分散性裂縫，最大程度保證較大范圍內的混凝土不開裂或少開裂?！邦A開裂”的位置裂縫產生不可避免，需采用合適的防水措施，主要有：鋼板止水帶、橡膠止水帶、遇水膨脹止水條（膠）、預埋化學注漿管、丁基鋼板止水帶等，將裂縫控制在無害范圍內。

總之，地下結構的抗裂和防水設計至關重要，應根據工程實際情況，合理選擇設計原則，結合施工工藝，確定控制目標，配套采用正確的構造措施，確保結構設計經濟合理，安全可靠。