多層建筑地下室荷載傳遞對底板內力影響分析

韓葆銓 黃 暉

(長江都市建筑設計股份有限公司 江蘇南京 210002)

0 引言

多層建筑應用范圍廣泛，在商業、辦公和居住類建筑中占據多數。隨著建筑使用要求逐步提高，越來越多的多層建筑設有地下室。在建模計算多層建筑時，一般假定底板是固定端，每層的荷載布置在板和梁上并傳遞至墻柱底部，每層墻柱底部的荷載從上至下逐步累加傳遞至建筑物的最底部。如果沒有地下室，這樣的荷載傳遞路徑比較簡單明確。但是如果多層建筑的底部有地下室，地下室的周邊往往布置鋼筋混凝土外墻，如果將地下室頂板作為嵌固端，還要在平面短尺寸方向增加部分地下室鋼筋混凝土墻。地下室增加的鋼筋混凝土墻會改變上部結構荷載傳遞的路徑，并最終影響多層建筑基礎底板的反力和內力。基此，本文分析這種影響，并得出對設計多層建筑基礎有幫助的結論。

1 項目概況

以張家港地區某多層洋房項目為例，其中的2#洋房建筑(以下簡稱2#樓)概況為：6拼洋房，多層剪力墻結構，地上4層，帶一層地下室。標準層建筑平面如圖1所示，一層結構布置平面如圖2所示(圖中反映了地下室鋼筋混凝土墻分布)。該項目采用盈建科建筑結構軟件進行結構計算。

2 兩種電算模型下地下室墻底內力差異分析

多層建筑結構承擔的豎向荷載包括永久荷載，鋼筋混凝土板、梁和墻的自重，樓面做法重量，樓板頂粉刷層重量，填充墻及粉刷重量等；也包括可變荷載：根據房間功能劃分的活動荷載。在建模計算帶地下室多層建筑時，通常建立包含地下室和上部結構的整體模型，地下室的底部作為固定端[1]。地下室新增鋼筋混凝土墻可作為深梁輸入模型(以下簡稱深梁模型)，此時認為上部荷載經剪力墻肢層層往下傳遞，地下室外墻(僅有一層高度)不參與上部荷載傳遞。地下室新增鋼筋混凝土墻也可作為實際鋼筋混凝土墻輸入模型(以下簡稱鋼筋混凝土墻模型)，上部荷載傳遞至地下室后在全部鋼筋混凝土墻內重新分配。

圖1 2#樓標準層建筑平面

圖2 2#樓一層結構布置平面

圖3 內力分布(一)

圖4 內力分布(二)

兩種電算模型的內力分布分別如圖3～圖4所示，墻底內力分布差異(完整平面圖從略)主要體現在南側外墻開天窗位置和北側樓梯間位置。對比分析可知：深梁模型中鋼筋混凝土墻內力更接近實際但無法反映地下室新加鋼筋混凝土墻的內力。鋼筋混凝土墻模型中地下有些新加鋼筋混凝土墻不在上部傳下的剪力墻平面內，剪力墻傳導荷載無法有效傳遞至平面外新加鋼筋混凝土墻上，而電算的負一層模型中新加鋼筋混凝土墻承擔了過大的上部荷載，偏離了實際。地下室荷載傳遞路徑對比如表1所示。實際設計地下室鋼筋混凝土墻時，剪力墻暗柱和墻身配筋應根據兩種模型內力計算取包絡，地下新加外墻的配筋根據周邊支承情況和土壓力另行計算確定。

表1 兩種地下室模型下建筑地下室荷載傳遞路徑對比

3 兩種電算模型下地下室地基反力和底板內力差異分析

根據《地基基礎規范》(GB50007-2011)第8.4.14條規定[2]，當上部荷載分布和鋼筋混凝土墻布置不均勻時，建筑物底板應按彈性地基梁板法計算分析。以2#樓為例，按深梁模型計算得到的地下室地基反力(圖5)(截取底板的左側兩單元計算結果，余同)、底板X向彎矩(圖6)，底板剪力。按鋼筋混凝土墻模型計算得到的地下室地基反力(圖7)、底板X向彎矩(圖8)、底板剪力。

圖5 深梁模型地下室地基反力

圖6 深梁模型地下室底板X向彎矩

圖7 鋼筋混凝土墻模型地下室地基反力

圖8 鋼筋混凝土墻模型地下室底板X向彎矩

經比較，深梁模型和鋼筋混凝土墻模型下地基反力和底板內力均有明顯差異[3-4]。

兩種模型下地基反力對比：區域1～3情況類似，深梁模型中，墻柱下地基反力峰值是非墻柱區域的1.5～2倍。而鋼筋混凝土墻模型中，剪力墻下地基反力和新加鋼筋混凝土墻下差異小于30%。

兩種模型下底板X向彎矩對比：區域1～2情況類似，深梁模型中底板彎矩峰值是鋼筋混凝土墻模型的1.2～3倍。區域3，兩種模型中底板彎矩峰值均很小。

兩種模型下底板Y向彎矩對比：區域1～2情況類似，深梁模型中底板彎矩峰值是鋼筋混凝土墻模型的1～1.5倍。區域3，深梁模型中底板彎矩峰值是鋼筋混凝土墻模型的3倍。

兩種模型下底板X向剪力對比：區域1～2情況類似，深梁模型中底板剪力峰值是鋼筋混凝土墻模型的1.5～2倍。區域3，兩種模型中底板剪力峰值均很小。

兩種模型下底板Y向剪力對比：區域1～2情況類似，深梁模型中底板剪力峰值和鋼筋混凝土墻模型接近。區域3，深梁模型中底板剪力峰值是鋼筋混凝土墻模型的2倍。

從本文第2節的分析，已知深梁模型反映的荷載傳遞路徑比鋼筋混凝土墻模型更接近實際。經本節看圖、比較分析可知：

(1)深梁模型下建筑地基反力往有剪力墻位置集中，墻柱下的地基反力比非墻柱區域大約50%～100%，而鋼筋混凝土墻模型下建筑地基反力分布較均勻。

(2)除北側樓梯間突出范圍外，兩種模型下底板主受力方向均是X方向，此方向深梁模型下底板內力峰值一般比鋼筋混凝土墻模型大50%以上。

(3)北側樓梯間突出范圍內底板主受力方向是Y方向，此方向深梁模型下底板內力峰值是鋼筋混凝土墻模型的2～3倍。

4 結語

一般情況下，多層建筑的結構電算往往建立包含地下室鋼筋混凝土墻的全高模型(即鋼筋混凝土墻模型)。通過本文第2、3節的分析，可以得出以下設計建議[2,5]：

(1)宜另外建立把地下室新加鋼筋混凝土墻按深梁考慮的電算模型(即深梁模型)，地下室剪力墻暗柱和墻身配筋按兩種模型內力計算的包絡值。

(2)多層建筑基礎平筏板計算和設計宜按深梁模型。

(3)如按鋼筋混凝土墻模型計算多層建筑基礎平筏板，宜將筏板主要受力方向板底、板面配筋人為放大50%。如有筏板局部突出部分(常見的如平面北側突出樓梯間)，宜將局部主受力方向板底、板面筋放大2～3倍。

如設置地下室鋼筋混凝土墻的筏板區域地基反力接近承載力限值，宜將此處筏板挑板范圍外擴30%。