考慮水平力作用的地下室坡道設計方法研究

孫殿宇 倪偉杰 劉 斌 任光勇

浙江綠城建筑設計有限公司 浙江 杭州 310013

1 引言

當前民用建筑結構中，地下空間已經被廣泛利用。在經濟效益、建造技術發展的推動下，新開發的地下室在深度、層數上屢屢突破，目前在中大型城市中，超過3層、10m的地下室已不在少數，更有部分重要項目，地下室基坑深度超過30m，層數達到5層以上。考慮地下室流線設計的經濟性，汽車坡道往往會緊貼外墻布置在地下室邊緣或角部。對于單層或埋深較淺的地下室，地下室水土側壓力較小，傳統設計中的坡道結構構造基本上能夠滿足水平力的傳力要求。然而，對于多層地下室，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，這種影響是傳統設計方法中所忽視的。因此，本文以杭州市某項目多層地下室為例，采用有限元分析方法，分析了水平力作用對地下室汽車坡道結構的影響，并根據分析結果采取了相應的設計措施。

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、停車場、設備用房等。頂板頂相對標高-1.800，底板頂相對標高-28.400，室外覆土面相對標高-0.300，抗浮水位相對標高-0.800。1#坡道典型平面布置如圖1-圖2所示，呈L形，從B6盤旋升至B1，共5層板，坡道凈寬為7.5m，轉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，混凝土標號C35。基礎采用樁筏基礎，底板厚度1800mm-2600，混凝土標號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。坡道內側設有400mm厚結構墻以及框架柱，框架柱尺寸為600x600-1000x1000。混凝土標號：地下室梁板混凝土標號C35。地下室內墻柱根據主樓混凝土等級取C35-C60不等。

圖1 1#坡道標準層平面圖

圖2 1#坡道剖面展開圖

3 結構受力分析

地下室外圍側壓力作用主要考慮以下幾個方面：1、土體的側壓力；2、地下水的側壓力；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。側壓力首先作用于地下室外壁的墻、柱上，進而傳遞至水平構件內（樓層梁板、基礎及底板）。然而，汽車坡道作為錯層構件，無法有效的直接與水平構件傳遞圍壓力，而是通過以下兩種路徑傳遞[2]：路徑一：通過坡道板自身的面內抗彎剛度，傳遞至坡道板兩端的樓層板上。此時，地下室外墻、坡道板以及坡道板內側梁（墻）組成一個水平放置的受彎構件（圖2 1-1剖面），其中地下室外墻為受壓翼緣，坡道板為腹板，坡道內側梁（墻）為受拉翼緣；路徑二：先由坡道板傳遞至坡道內側的豎向構件上，再由豎向構件傳遞至樓層板中。路徑二會對地下室內的豎向構件產生錯層的水平力，其受力較為復雜和不利。

4 計算結果

本工程采用MIDAS GEN有限元分析軟件對坡道受力情況進行分析[1]。計算中梁、柱采用梁單元模擬，結構墻、板采用板單元模擬。本工程土壓力按靜止土壓力考慮，側向土壓力系數取0.5[3]。考慮水土壓力分算。水土側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點，其中土壓力為9.5-142.5kPa，水壓力為9.8-270.5kPa。模型建入坡道及周圍地下室局部4-5跨，考慮外圍水平壓力作用的對稱性，設置地下室內側板邊節點在對應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底板變形的約束作用，約束底板節點XYZ三向位移。

由計算結果可知，在水平力作用下，地下室外墻中下部變形大、角部和墻頂底變形較小（圖3），其中，最大側向位移產生于B4-B3之間，為4.92mm。這種現象有別于文獻[4]中描述的外墻變形特征，即“樓板支撐處沒有水平位移”，各“樓層中部發生彎曲變形。”分析其原因，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，對墻體變形有較大的約束作用；3、由于錯層結構的存在，樓層板不連續，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受壓狀態。坡道板平面內外側存在一定的應力差（外側壓應力大，內側壓應力小），證明側壓力能夠通過路徑一傳遞。當僅在側向力作用下，坡道板應力集中區域主要出現于1）地下室角部坡道梁附近和2）坡道與樓層板交接的位置，最大壓應力出現于B5-B4坡道板外側靠近轉角處（圖4），為13.3MPa，經驗算C35混凝土強度滿足設計要求。

圖4 B5-B4坡道板及周圍樓板σmin（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，最大軸力出現于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，坡道內側柱錯層位置產生彎矩和剪力。當坡道板位于樓層中部位置時柱中產生較大彎矩，而當樓板與坡道板標高接近時剪力較為顯著。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，坡道內側結構墻受力情況如圖7所示。最大正負彎矩分別出現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 坡道內側結構墻 a：彎矩圖（kN·m）b：剪力圖（kN）

根據以上分析計算可知：1、對于本工程中的深基坑地下室，水土側壓力作用非常顯著，對外墻、樓層和坡道梁板、坡道內側墻柱均有著顯著的影響，設計時不能忽視；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，構件受力最顯著的位置位于B5-B4樓層之間。本設計針對以上分析結果做如下加強：1）坡道板按計算結果加厚至180-200，雙層雙向配筋，并針對應力集中區域適當加強分布鋼筋；2）坡道梁按壓彎構件設計，縱筋、箍筋滿足壓彎構件構造要求；3）坡道內側柱按壓彎構件設計，復核抗剪承載力滿足要求；4）坡道內側增設400mm厚結構墻，設計考慮其面外彎剪受力，特別對剪力墻中剪力較大區域設置加強帶，通過加密水平拉結筋等措施提高其抗剪承載力（圖2）。設計過程中的試算還表明：1、當外墻厚度、配筋不足，或臨外墻坡道結構剛度不足時，外墻變形過大，可能導致外墻開裂、滲水甚至破壞；2、當坡道梁板尺寸不足、配筋不合理時，可能會發生受壓或壓彎破壞；3、當坡道內側豎向構件尺寸不足、配筋不合理時，在錯層水平力的作用下會發生彎、剪破壞。特別需要指出的，當坡道內側僅設置結構柱，不設置結構墻的情況下，柱水平剪力可達到2000kN以上，僅通過加大柱尺寸很難同時滿足承載力和建筑空間的要求。

5 結論和建議

當地下室埋深較大時，對于相鄰地下室外墻的汽車坡道等錯層結構，水土作用對產生的側壓力作用不容忽視，在設計中應予以充分考慮。除外墻、坡道梁板應根據計算適當加強以滿足承載力要求外，對錯層薄弱位置應當重點關注，主要有：1、坡道與樓層交接處的梁板往往有應力集中，設計應予以加強；2、坡道內側錯層柱需要充分考慮錯層水平力進行截面、配筋設計，必要時坡道內側錯層位置增設鋼筋混凝土墻。