鋼筋混凝土地下室外墻設計算例

張海鳳 包連杰

/中國建筑東北設計研究院有限公司

鋼筋混凝土地下室外墻設計算例

張海鳳 包連杰

/中國建筑東北設計研究院有限公司

本文探討高層建筑地下室外墻承受的荷載、計算簡圖、計算配筋、裂縫及工程算例。

地下室外墻；荷載；計算模型；配筋；裂縫

引言

近些年城市建設飛速發展，高層建筑越來越多，由于高層建筑埋深的需求，多數高層建筑建有地下室。地下室外墻是地下室結構設計中重要的結構構件，下面就地下室外墻設計算例進行探討。

1.確定墻厚、混凝土強度等級及防水要求

地下室外墻的厚度、混凝土強度等級及防水要求，應綜合考慮上部結構荷載情況、側向荷載情況、地下水位高低確定。

2.荷載

2.1 荷載

地下室外墻承受的荷載包括水平荷載和豎向荷載。水平荷載包括側向土壓力、水壓力、地面活荷載；豎向荷載包括上部樓蓋傳重和地下室結構自重。在工程設計中，由于地下室外墻埋在土里，風荷載和地震作用對地下室外墻產生的內力一般不大，而且通常不考慮水平荷載與豎向荷載組合的壓彎作用，只按墻板彎曲計算配筋。高層建筑地下室外墻設計應滿足水土壓力及地面荷載側壓作用下承載力要求[1]。

2.2 靜止土壓力系數

工程上一般取靜止土壓力系數Ka＝0.5 進行計算。

2.3 荷載組合

根據《建筑結構荷載規范》，γG=1.2，γQ=1.40[2]。

3.計算簡圖

工程中常用做法是：取基礎底板和地下室樓板為地下室外墻的支點，沿豎向取 1m 寬的外墻按單跨梁、多跨梁（視地下室層數而定）來計算地下室外墻的彎矩配筋。外墻的支承條件，按外墻與周邊構件剛度比確定。當外墻厚度大于周邊構件厚度按簡支計算，反之按固端考慮[3]。

4.配筋計算

高層建筑地下室外墻豎向分布鋼筋和水平分布鋼筋應雙層雙向布置，間距不宜大于150mm，配筋率不宜小于0.3%[1]。地下室外墻配筋除滿足承載力計算要求外，還應滿足裂縫要求，以及地下室外墻的構造要求。當地下室外墻超長時，考慮溫度應力的影響，宜適當加大水平分布鋼筋面積。

5.裂縫控制

地下室外墻混凝土在施工階段常常會出現開裂，裂縫多為豎向裂縫。裂縫的主要原因是混凝土在干燥收縮時受到鋼筋、邊界約束后拉裂而產生的。地下室外墻配筋時應考慮裂縫影響。地下室外墻混凝土裂縫在設計階段的預防措施還有：外墻鋼筋間距≤150mm；混凝土采用中等強度（C30～C40）；留外墻垂直后澆帶等[4]。

6.工程算例

6.1 條件

1）土容重γ=18kN/m；浮容重γ`=11kN/m；內摩擦角取30度；按靜止土壓力系數Ka=0.5計算；

2）地下室層高L=4m；埋深h=4m；設防水位高h1=2m；墻厚=300mm；地面堆載p= 10kN/m，計算簡圖如圖1所示。

3）混凝土強度等級為C30；鋼筋抗拉強度fy=360；地下室外墻外側保護層厚50mm。

圖1 地下室外墻計算簡圖

6.2 計算

1）荷載計算

Ka*p=5kN；Ka*γ*h1=18kN；Ka*γ`*(H-h1)=18kN；γw*(H - h1)=20kN

荷載組合：Q=1.4Ka*p+1.2[Kaγh1+Kaγ`(H - h1)+γw (H -h1)] = 65.8kN[2]；

按單跨梁計算，考慮塑性內力重分布，支座彎距調幅系數取0.8。查靜力計算手冊，支座彎距系數為1/15，跨中彎距系數為0.0298[5]。

2）配筋計算[6]

支座彎距 M1=0.8*Q*L /15=0.8* 65.8*4 /15=49.57kN.m

受壓區高度 x1＝h0-(h0-2*γ0*M/α1/fc/b) =14.27mm

AS1＝α1*fc*b*x1/fy=567.06mm

跨中彎距 M2=1.25*Q*L *0.0298=1.25*65.8*4 *0.0298=42.82kN.m

受壓區高度 x2＝h0-(h0-2*γ0*M/α1/fc/b)=12.28mm

AS1＝α1*fc*b*x1/fy=487.83mm

3）、裂縫計算[6]

荷載標準值 Qk=Ka*p+Kaγh1+Kaγ`(H - h1)+γw (H - h1) =54kN

彎距標準值 Mk=Qk*L /15=50.53kN.m

矩形截面受彎構件，構件受力特征系數 αcr＝ 2.1

帶肋鋼筋的相對粘結特性系數 υ ＝ 1.0

取1米寬墻計算，截面寬度 b ＝ 1000mm

受拉區縱向鋼筋的等效直徑 deq＝ ∑(ni * di ) /∑(ni *υ* di)＝16mm

實配鋼筋為 16@150鋼筋面積As=1340.412mm

配筋率ρ=0.5362%

按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率ρte= As/Ate

對矩形截面的受彎構件：Ate=0.5*b*h=0.5*1000*360=180000mm

ρte= 1340.412/180000=0.01

在最大裂縫寬度計算中，當ρte＜0.01 時，取ρte＝ 0.01

σsk= Mk/(0.87*h0*As)=50533330/(0.87* 250*1340.412) =173.33

裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數ψ，按下列公式計算：ψ＝1.1-0.65*ftk/ρte/σsk=0.34

最大裂縫寬度ωmax，按下列公式計算：

ωmax= αcr*ψ*σsk*(1.9*c+0.08*deq/ρte)/Es=0.14mm <0.2mm滿足裂縫要求。

7.結束語

地下室外墻是不可忽視的重要構件。應從設計、材料、施工等多方面嚴格把關，來保證地下室外墻結構的安全、經濟、合理。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.高層建筑混凝土結構技術規程[S].中國建筑工業出版社, 2010.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范[S].中國建筑工業出版社, 2012.

[3] 姜學詩.鋼筋混凝土地下室外墻承載力配筋計算[J].建筑結構 技術通訊，2007, 1(9): 3-4.

[4] 袁正如.地下室外墻結構設計中的問題探討[J].地下空間與工程學報，2010, 6(3): 548-551.

[5] 建筑結構靜力計算手冊編寫組.建筑結構靜力計算手冊[S].中國建筑工業出版社, 2004.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范[S].中國建筑工業出版社, 2010.

張海鳳，女，工程師，主要從事建筑結構設計。

包連杰，男，助理工程師，主要從事建筑結構設計。