框架结构中半地下室设计探讨

摘要：随着城市的发展，地下室越来越多，针对其出现的问题有必要进行研究探讨。本文主要探讨半地下室设计的方法、设计模型以及地下室的抗浮问题、不均匀沉降问题、地下室裂缝问题等几个方面简要介绍，针对以上问题提出了一些解决方案，希望能给出半地下室结构设计有益的建议及改进措施。

　　关键词：半地下室；计算模型；计算方法；框架结构

　　1.引言

　　随着我国经济的快速发展和人们的生活水平快速提高，人均拥有小车的数量不断攀升，然而土地资有限，这样促使建筑物不断往地下发展带有一层或多层大底盘地下室的多或高层建筑日益增多，地下室越来越大，功能越来越复杂。因此针对地下室结构的设计也比较复杂，其中所存在的问题繁多，主要有：防水问题、外墙裂缝问题、不均匀沉降问题、抗浮问题等等[1]。

　　2.常规设计方法及存在的问题

　　对于半地下室的设计通常采用的方法主要有两种：一种设置剪力墙，考虑是在地下室的挡土一侧受力情况设置剪力墙，剪力墙的设置一般只高出填土高度的100-300mm，因为需要考虑建筑上通过大窗来进行自然通风采光，所以并不是沿底层柱全高设置。这种方法是较早普遍采用的一种设计方法，但在长期的实际运用中，通过理论分析以及结构计算，发现其存在的问题主要表现在以下几方面：

　　1）容易导致整个框架结构的竖向刚度出现不均匀情况。导致底层的侧向刚度较上部几层的刚度大的主要原因有：1、地下室四周设置了刚度比较大的剪力墙；2、侧向土体的约束。因此也导致引起结构在变形内力等效应上也极不均匀，对结构的抗震性能非常不利。

　　2）导致短柱的出现，存在发生剪切破坏的可能。采用这种方法设计，地下室容易出现短柱：由于剪力墙对框架柱的侧向约束，加上窗户所在的高度范围内就形成了短柱。由于短柱净高很小，而柱的截面高度又是不变的，短柱的延性较差，在地震中大多会发生剪切斜拉破坏，非常不利于抗震的。

　　基于以上两点，目前在半地下室结构中已严禁采用该方法，并且建筑抗震设计规范条作为强制性条文明确规定在框架结构中应避免出现短柱。

　　为了避免由于方法一所造成的结构对抗震的不利作用，结构设计人员提出新的方法，并已经应用于半地下室的设计中。即在主体结构外围另外设置挡土结构，即挡土结构与主体结构完全脱离，两者一般间距为1.5m以上，这是为了保证地震时，互相不发生碰撞。该方法是现在比较认可，但还是有其应用的局限性，主要表现为：容易造成空间浪费，由于挡土结构与主体结构完全脱离且必须保持一定的间距，这就要求建筑物的四周预留出一定的空间来满足设计的要求，从而导致了土地的浪费。施工也存在不利：由于设置独立挡土结构的基础持力层比较深，处理起来非常困难，也因此会造成造价比较高，不经济的问题。

　　3计算模型

　　3.1外墙计算模型

　　地下室外墙一般分为砌体砖墙和钢筋混凝土墙两种。这两种外墙的施工顺序是有区别的：砌体砖墙施工时，通常是先砌墙后浇框架柱，而且一般认为外墙与框架柱和基础底板链接为铰接。如果半地下室的上部无窗洞，则外墙可按照四边铰接考虑。如果半地下室的上部有较多的窗洞，应视为外墙三边铰接而一边自由，即不考虑外墙与地下室顶板的连接；对于钢筋混凝土外墙，一般认为底部与刚度很大的基础底板或基础梁链接为固定支座其相连；外墙顶部的支座条件应视具体情况而定。如果半地下室的上部无窗洞，则外墙顶部可视为铰接；如果半地下室的上部有较多的窗洞，一般认为外墙与地下室顶板的无连接。

　　3.2框架柱计算模型

　　地下室框架柱除受到竖向轴力和节点弯矩之外，在水平方向还受到直接侧压力和外墙传来的间接侧压力。直接侧压力的计算较为简单，一般采用水土压力和室外地面附加荷载叠加组成；而间接土压力的取值要复杂得多，因为间接土压力影响因素较多，要考虑外墙与支座的连接情况，以及外墙与柱的刚度比的大小。实际上外墙由于自身具有面外刚度，有挡土墙的性质，其侧压力只有一部分传给柱，具体能传递多少需要通过有限元方法分析；目前的SATWE程序及其它多数设计软件并没有考虑这一点，设计时可采用简化计算来考虑：当半地下室外墙为钢筋混凝土墙，且上部有较多窗洞时，假定外墙的侧压力完全传给支座，可以将外墙侧压力简化成矩形荷载。外墙侧压力由四部分组成：侧压力、地下水位以上土压力、地下水位以下土压力和水压力。

　　3.3PKPM软件建模方法

　　PKPM软件可以考虑地下室与上部结构共同作用，但地下室外墙按支撑在顶板和底板之间的单向板考虑，这种模型对于层高较小而柱距较大的无窗洞地下室计算误差不大。而对于柱距与层高接近的地下室，外墙按单向板考虑不合适，会导致外墙水平方向配筋偏小，而竖向配筋偏大；由于没有考虑柱的侧压力，将使柱的计算不安全。特别是对于上部有较多窗洞的半地下室，按此模型考虑不符合实际。建议在分析地下室对上部结构的影响时，将上部结构与地下室一起建模计算，而进行地下室设计时，外墙采用手算或其它软件计算，地下室框架柱应考虑侧压力，可以按简化方法计算出线荷载后作为柱间荷载施加到模型中。

　　4.地下室设计的主要问题

　　抗浮问题：沿海地区，如广东、福建等，地下水位较高，当基础埋深又较深时，对于大底盘地下室部分，由于结构自重较小，可能出现结构自重小于水浮力的情况。所以设计者在设计时必须采取相应的措施使得结构能够抵抗水浮力的作用，保持稳定。有两种思路可以解决这个问题，其中一个思路是增加结构的自重，比如增加结构构件截面，或者在结构底板上或地下室顶板上填土增加配重，目的都是靠自身重量抵抗住水浮力的作用；另一个办法是拉住，比如在基础底设计抗拔桩或抗拔锚杆，抵抗水浮力的作用[2]。合理地确定抗浮设防水位。地下室抗浮的一些对策：

　　（1）增加基础配重。此种方法有点在于造价低，易于实现。

　　（2）增加地下室顶板的厚度。这种方法的优点是：增加了地下室的重量，不增加基坑坑底标高的。此种方法的缺点是会增加地下室顶板框架梁的负荷，而且由于板厚有限。这种方法解决抗浮问题的效果也是有限的.

　　（3）设置抗浮桩。这是一种解决抗浮问题行之有效的方法。。

　　地下室对裂缝控制：地下室对裂缝的出现是十分严格的，是防止地下室出现渗流问题，外墙裂缝宽度控制主要依靠配筋量，配筋量往往决定裂缝宽度，规范要求控制地下室外墙裂缝宽度应控制在0.2mm之内。针对混凝土的体积较大，在混凝土内部热量而不易散发的问题，一般是采用热量较少的水泥作材料，减少热量，因为混凝土内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差会使混凝土出现温度应力，譬如使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝。故设计时可以采取以下措施：（1）设置后浇带是减少一次性浇筑混凝土的体积，减少热量的产生，从而减少温度应力的出现。但应恰当地设置后浇带，较长久性变形缝已有很大的改进并广泛使用。（2）加入掺和料也是一种常用的办法，譬如加在混凝土中掺入微膨胀剂。这种掺和料能很好地减少混凝土的膨胀，从而很好地控制混凝土的裂缝。（3）减少不规则边界，设计时尽量少采用凹凸形式，这样能减少混凝土产生裂缝，如果出现不规则的地方应采用附加钢筋方法减少裂缝的出现[3]。

　　5.结论

　　随着我国建筑物带有一层或多层地下室的，其中由于半地下室设计难度大，同时地下室出现的问题众多，主要有：地基承载力及变形问题、抗浮问题、外墙裂缝问题等等。本文从下面这几个方面：设计方法、设计模型、以及地下室基础和地下室裂缝控制等等方面进行探讨以及提出改进的建议，希望对框架结构半地下室设计有一定的帮助。

　　参考文献

　　[1]中元国际工程设计研究院.建筑工程设计实例丛书—结构设计50.北京：机械工业出版社，2004.

　　[2]陈新农。地下室结构设计的影响因素与技术措施[J].建筑技术与应用，2011（3）

　　[3]吴建虹.高层建筑地下室抗浮设计的几个问题.广东土木与建筑，2002，8：3-5

　　[4]李广信，吴剑敏.关于地下结构浮力计算的若干问题，土工基础.2003，3（17）：5-7