多层地下室外墙结构设计的问题分析

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［摘要］本文通过对影响地下室外墙结构设计过程中的一些关键问题的分析，包括计算模型选取、荷载取值、内力计算、裂缝控制等，为外墙结构设计的经济性、合理性提出了几点参考性建议。

［关键词］地下室外墙;计算模型;荷载;内力计算

城市发展伴随着用地紧张问题的突显，多层地下室空间的利用显得愈发重要，而地下室外墙(以下简称外墙)作为室内外交接构件对工程造价、使用质量等起着决定性作用，所以合理有效的外墙结构设计至关重要。外墙由于所处环境的特殊性，结构设计宜考虑结构整体设计协调性和构件单独设计合理性的两个方面。传统的做法是外墙与结构分割分析，有它的可行性和局限性，不可千篇一律，应根据分析对象的不同，结合结构方案做针对性设计;作为构件单元，应有机结合结构整体布置、边界关系、土环境类别、耐久性要求等综合考虑，片面的考虑问题，必将浪费社会资源或存在工程隐患。下面就对影响外墙设计的若干问题进行阐述。

1外墙结构设计存在的若个问题

1.1计算模型的选取

外墙计算应考虑它的结构体系、荷载作用、边界条件、及构造要求等等。例如，外墙轴线上作用有上部结构且基础采用条型基础或筏板基础，此时外墙的内力不仅包括侧向的水、土压力及人防荷载等，还应考虑上部结构作用引起的对基础的反作用力，此时外墙应按双(单)向板考虑侧向作用与按深梁考虑竖向反力作用综合来考虑，但是按深梁计算考虑往往被忽略，从而存在水平钢筋不足问题等。所以，计算模型应综合考虑各个方面问题，方能不漏算、多算，做到设计安全与合理。

1.2荷载

外墙所受的作用包括水平作用和竖向作用。水平作用有水土压力和人防等效静荷载，竖向作用包括地下室的上部结构和地下室顶板传来的活荷载和恒载。由于土体侧限的有利作用，上部结构产生的风荷载与水平地震作用对外墙产生的效应一般不起控制作用，外墙配筋主要是由于水平荷载产生的弯矩确定，竖向作用作为有利的竖向约束，一般不考虑它的有利作用，仅按墙板弯曲计算配筋，但当基础采用条形基础或筏形基础时，宜按考虑地基反力作用的深梁计算。一般情况下，地下室外墙的水土压力为静止土压力，根据土透水性的不同而采用不同计算，粘性土采用水土合算，砂性土采用水土分算，实际设计过程中往往本末倒置。

1.3静止土压力系数

K0K0宜由试验确定。当无法通过试验确定，可根据工程经验取值，一般情况下，砂性土可取0.4～0.5，粘性土取0.5～0.75。

1.4外墙配筋

存在外墙设计时，不考虑扶壁柱尺寸是否对外墙的有效约束，均按双向板计算配筋，存在扶壁柱仅仅考虑整体计算结构配筋，未复核外墙按双向墙板传递水平力验算扶壁柱的配筋。由扶壁柱与外墙的变形协调原理可知:存在外墙竖向筋不足、扶壁柱配筋偏小、外墙的水平筋未考虑水平支座约束等问题。

2关于外墙模型的影响因素

(1)当外墙无横墙或横墙间距S＞2H(层高)时，外墙的计算模型受地下室底板、顶板、及外墙是否延伸作为上部结构等影响。地下室底板厚度满足外墙钢筋的基本锚固长度且厚度大于外墙厚，可以认为地下室底板满足对外墙的嵌固要求，可作为固定支座，反之，应考虑按铰支座或者自由端;地下室顶板要区别开洞与否，开洞时应按自由端设计，不开洞时，当上部结构嵌固于地下室顶板或外墙侧回填土压实系数≥0.94，且顶板厚度大于外墙厚度可按嵌固考虑，其余情况按铰接保守考虑;外墙延伸作为上部结构剪力墙时，竖向有利应力较大，且外墙延续，此时顶板处可按嵌固端考虑，否则，应按前面几种情况考虑。所以，地下室外墙不可均千篇一律地按下端嵌固、上端铰支的单向连续墙板设计，应结合边界条件和自身位置和尺寸综合考虑。(2)当外墙内横墙较密或横墙间距S≤2H(层高)时，地下室外墙下端嵌固于底板、上端铰支于顶板、左右铰接或者嵌固于横墙的双向连续板。(3)当外墙上设置柱时，附壁柱截面尺寸沿垂直外墙方向大于2tw(外墙厚)，且附壁柱考虑外墙传来的水平作用，此时可按双向连续墙板设计，反之，则仍应按单向连续墙板设计。(4)当地下室底板上有较厚的覆土时，随着地面覆土层做法的不同，外墙计算高度相应变化。如果在基坑回填土之前底板覆土按素混凝土回填，则外墙计算高度可算至地下室底板覆土面层。然而实际情况常常是在地下室顶板施工达到一定强度后，回填基坑填土，此时，外墙水平荷载已作用，再回填底板覆土也得按底板面计算外墙高度，不可按覆土顶面计算，只有在基坑土未回填且底板覆土按素混凝土回填时，外墙高度才可扣除底板覆土厚。为了降低外墙计算高度，也可在外墙设置水平和竖向加腋，加腋构造参考《16G101－3》［2］第84、86页设计，此时外墙计算高度也可适当扣除底板覆土厚度。

3关于外墙荷载的取值问题

3.1室外地面活荷载

室外活荷载一般可取5kN/m2。当室外活载较大，例如考虑消防车活荷载或者考虑施工活荷载，应按实际情况确定。该活荷载在外墙竖向产生的荷载为Px，Px=qxka=qx/3，qx为地面活荷载。

3.2水压力

根据场地的气候特征、场地地形、场地周边的市政排水设施和工程施工后水文地质条件将产生变化的情况，水位计算高度按最近的3～5年最高水位考虑，一般取室外地坪下0.5m。

3.3土压力

(1)地下室外墙承受的水平向土压力一般取静止土压力，土压力系数K0，对一般固结土可取K0=1－sinφ(φ为土的有效内摩擦角)，有效内摩擦角可根据回填土的密实度确定。(2)地下室外墙土压力计算中，外墙计算跨中土压力可按静止土压力系数乘以折减系数0.66近似计算，Ka=0.5×0.66=0.33，相当于主动土压力，详参考文献［1］。(3)地下水范围内土的容重，可近似取11kN/m2。

4关于外墙内力计算的问题

现以某一双层地下室的外墙设计为例讨论外墙内力计算时的一些问题，分析影响因素有荷载、计算模型、电算方法等。该地下室处于7度区，三类场地，三级抗震，地下一二层层高均为4.8m，室外回填土0.5m，地下室回填土为粘土，平面布置如图1所示:外墙水平作用(采用水土合算比较)如下计算:qi=(Px+γh)(1－sinφ)Px=qx•ka=qx/3=5/3=1．67kN/m2则:q1=(1．67+18×0．5)×(1－sin30)=5．3kN/m2q2=(1．67+18×5．3)×(1－sin30)=48．5kN/m2q3=(1．67+18×10．1)×(1－sin30)=91．7kN/m2qi:为支座处水平荷载;Px:室外活载沿外墙高度产生的内力;γ:水土有效重度;外墙采用三种计算模型如下(a模型)、(b模型)、(c模型)所示:图2手算连续梁(a模型)两边固定单向板计算与一边固定、一边铰接单向板计算的平均值考虑即SATWE计算模型(c模型)。荷载误差比较:(a)与(b)相差:(93.4－91.7)/91.7=1.85%＜5%，满足工程精度要求;(a)与(c)相差:(91.7+48.5)/2=70.1kN/m2，70.1－73.98/73.98=5%满足工程精度要求。通过上表可知:(1)a模型计算内力较b模型大。由于b模型考虑了水平方向的约束的有利作用，所以计算内力会偏小，从而纵向钢筋也会略小，而b模型与c模型计算结果几乎一致。(2)配筋计算中a模型与b模型计算相近，而c模型较小。由于c模型为SATWE模型，截面配筋没有考虑按裂缝控制要求配置而偏小。综合以上分析，外墙计算时，a模型与b模型计算较合理，满足工程要求，当外墙较长或满足单向板计算条件时，宜按a模型计算;当外墙较短或满足双向板约束时，宜按b模型计算，c模型的荷载、内力结果作为校核参考。

5其他问题及几点建议

外墙设计时除了分析模型按单、双向墙板受力分析外，在外墙与附壁柱、底板、车道底板、防爆电缆井底板交接处等常常存在工程设计隐患，因漏错算传力关系，或未考虑交接节点处内力平衡，而存在设计隐患。首先，外墙在附壁柱交接处考虑附壁柱的侧向约束作用时，外墙水平筋常常漏加强、附壁柱未考虑墙板侧向传力计算，尤其是对竖向轴力较小的外墙附壁柱，往往存在设计与实际工况不符;其次，在外墙与底板(含车道底板、防爆电缆井底板等)交接处，往往漏考虑底板作为外墙侧向约束作用，导致节点处内力计算不足，可能过早进入裂缝，影响使用功能;再次，在底板与外墙节点处，外墙底板内力常常较大，在底部交接处，外墙的竖向受力筋往往未考虑底板的抗弯承载力与之协调，尤其是在车道底板支座处往往漏考虑，而存在底板支座处过早出现裂缝，影响工程质量;此外，坡道侧墙在无顶板水平支撑作用的工况也常常漏考虑，这时外墙可简化为单跨墙壁板，建议按分段计算，即合理又经济。

6总结

在外墙设计时，应结合结构方案布置，考察外墙是否有必要参与结构整体计算，又要对外墙本身尺寸及做法认真考核，以建立适合实际情况的模型。同时在配筋及构造做法上要考虑支座的约束情况，使配筋及构造满足实际边界条件，所以，外墙的设计问题较复杂，应从结构体系到构件的全面分析，做到质量上有保证，经济上合理才是工程设计人员的不竭动力。

作者:翁祖灿 单位:福州市规划勘测设计研究总院

参考文献

［1］朱炳寅．建筑结构设计问答及分析(第2版)［M］．北京:中国建筑工业出版社．2013．05．

［2］中国建筑标准设计研究院．16G101－3混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图［S］．北京:中国计划出版社．2016．10．