淺談地下結構外墻的設計優化與控制

劉巍

中天環宇建筑設計有限公司 安徽 合肥 230011

1 地下室外墻的結構計算模型

地下室外墻設計時應對地下室的頂板、底板、內隔墻、垂直外墻、中間層樓板對外墻的支承作用、地下室外墻在頂板以上的延續性進行全面客觀的分析，從而確定與實際工作狀況最為接近的幾何模型與邊界條件，才能保證安全與經濟。

1.1 地下車庫外墻的計算模型

很多結構設計師認為，扶壁柱的存在可以作為外墻板在水平方向的支座，故可以將外墻板按雙向板設計。

扶壁柱的存在并不能有效降低豎向鋼筋計算值，反而會使水平筋由構造變為計算。下面以有扶壁柱的普通地下室外墻按單向板與雙向板模型計算的比較說明。

圖1～圖2為外墻厚250mm，8.0m柱距，3.8m層高，1.5m覆土厚度及5.0kN/m2地面超載作用下，室外地坪為-0.3m，抗浮水位取室外地坪下500mm，按單向板及雙向板模型計算的彎矩分布。

圖1 單向板模型組合彎矩

圖2 雙向板模型組合彎矩

從彎矩分布看，在8.0/3.8=2.1的長寬比下，兩種模型下外墻的豎向彎矩幾乎相同，幾乎沒有體現出雙向受力效應，采用雙向板模型計算沒有實際意義，也不具有經濟性。從計算結果可知，雙向板模型的水平向最大彎矩僅為22.20kN?m，小于C10@200時的極限彎矩26.7kN?m，不必在扶壁柱附近考慮任何的加強措施，而在實際的設計工作中，為了控制豎向裂縫的開展，水平鋼筋的配筋多采用C12@150，對250mm厚的外墻而言，兩側的合計配筋率為0.60%。總之，只有扶壁柱距較小或層高較大，使得扶壁柱之間板塊的長寬比小于2.0，采用雙向板模型可降低豎向彎矩，從而降低豎向鋼筋量[1]。

1.2 剪力墻住宅地下室外墻的計算模型

剪力墻住宅的地下室外墻與純地庫的外墻有較大區別，前者存在較多的內隔墻與其垂直相交，且橫墻間距較小，基本在3.0～4.5m之間；其次是主樓的地下室層高均不大，基本在2.6～3.3m之間，因此墻板長寬比基本在1.5左右。

前文所述，在實際工程設計中，需對模型進一步簡化以便可以采用小軟件等簡單方法進行計算。墻與頂板、中間層樓板或底板連接處的邊界條件與前文敘述一致，左右兩邊則需根據板塊在該邊是否連續及支承構件的剛度大小而取固支或鉸支。下面以實際工程中的案例來分析說明如何將多跨連續板簡化為一個個單塊的雙向板。

當為連續邊或雖為端支座但支承構件對墻板的約束剛度較大時可簡化為固接，如圖3中5軸、8軸、12軸、15軸處的支承條件；當為端支座且支承構件對墻板的轉動約束剛度較小時可簡化為鉸接，如圖4中的1軸～3軸間的墻板在1軸與3軸處的支承條件、17軸～19軸間的墻板在17軸與19軸處的支承條件；3軸～17軸間的連續墻板在3軸、17軸處的支承條件理論上應簡化為彈性轉動約束，但在實際設計中，可采用固接和鉸接兩種支承條件分別進行計算，再根據端支座對墻板實際約束情況對內力及配筋進行適當調整[2]。

圖3 某項目地下室外墻局部平面圖

2 地下室外墻的計算高度

地下室外墻的計算高度，當基礎底板較厚時（一般大于1.5倍墻厚），可從底板上皮算起；當底板厚度與外墻厚度相當時，應從底板中線算起。一些工程的基礎底板上有較厚的覆土，這時最下層外墻的計算高度應視該層地面做法而定。

3 地下室外墻上的荷載與荷載組合

3.1 地面超載取值

有的結構工程師在計算地下室外墻時，地面超載取20kN/m2。首先，對于全埋地下室，頂板有1.5m厚覆土，考慮覆土擴散作用，傳遞到頂板處已折減很多；其次，不考慮消防車的可達性以及消防車荷載的作用范圍，一律取值20kN/m2不合理；再次，消防車荷載是通過輪壓施加到覆土層表面的局部荷載。綜上所述，在計算地下室外墻時，一般民用建筑的室外地面活載可取5kN/m2（包括可能停放消防車的室外地面），有特殊情況時，按實際選取。

3.2 水土壓力取值

在外墻設計時，地下水位以上的土容重可取18kN/m3，水位以下的土浮重度可取11kN/m3。

3.3 荷載分項系數取值

《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）4.0.1條中明確將土壓力與水壓力列為永久荷載。根據《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB50068-2018）知，分項系數取1.3。地面超載按活荷載對待，分項系數取1.5[3]。

4 地下室外墻的裂縫控制原則

在計算地下室外墻配筋時，是否考慮裂縫及裂縫寬度限值對配筋計算結果影響較大。最常見有兩大問題，其一是保護層厚度取值不合理；其二是裂縫寬度限值不妥。

4.1 保護層厚度取值

綜合《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）及《人民防空地下室設計規范》（GB500038-2005）的有關要求，設建筑防水層的地下室外墻外側的保護層厚度可取30mm，內側保護層厚度可取15mm。

4.2 裂縫寬度限值控制

一般認為，建筑防水層的存在，已經阻隔地下水與土壤對混凝土的不利作用，即混凝土并沒有置于“干濕交替”、“水位頻繁變動”的環境中，同時也不屬于露天環境，因此其環境類別與“室內干燥環境”相似，故可視為一類環境，相應的裂縫寬度限值可放寬至0.3mm。

5 鋼筋的優化配置原則

5.1 豎向鋼筋的優化配置

一些結構工程師在配置外側豎向鋼筋時，采用將墻底最大負彎矩筋全部拉通的方式，這種配筋方式是非常不經濟。

對于懸臂結構，外側豎向鋼筋可在0.5l處截斷。實際工程中可采取同一種直徑，間距可選75mm、100mm，然后在半高處隔一斷一，這樣既能滿足底部最大彎矩的強度要求，又可滿足構造要求，同時鋼筋間距減少也有利于裂縫控制，經濟性也能得到改善。對于下固上鉸結構，當鋼筋直徑不大于22mm時，可將半數鋼筋在1/3高處截斷。實際工程設計時同懸臂結構。

5.2 水平鋼筋的優化配置

當地下車庫按規范要求設置變形縫或后澆帶時，水平分布筋可按雙側合計0.3%的構造要求配置。對于超長不設縫的地下結構，設計方面可以要求采用低收縮或微膨脹混凝土、設置后澆帶或加強帶、采用細而密的配筋方式，也可適當增加水平構造鋼筋的配筋率，但不能過大，可按受彎構件的最小配筋率，即雙側合計0.4%。

6 地下室外墻有關節點的優化

一些工程師習慣在基礎底板及各層頂板與外墻連接部位設置與墻等厚的暗梁，甚至設置凸出墻面的明梁，實屬沒必要。地下室外墻的平面剛度與梁的抗彎剛度相比非常大，屬于剛性墻，所設置的暗梁或明梁不可能發揮其抗彎作用，不經濟。

7 結束語

地下車庫外墻和剪力墻住宅外墻在計算模型的選取時有所不同，需要根據有無扶壁柱及內隔墻以及它們的間距來確定采用單向板或雙向板模型。地下室外墻的計算高度起算位置是根據基礎底板與外墻的厚度比，一般大于1.5倍時，從基礎底板面算起。在計算地下室外墻時，一般民用建筑的室外地面活載可取5kN/m2（包括可能停放消防車的室外地面），有特殊情況時，按實際選取。地下水位以上的土容重可取18kN/m3，水位以下的土浮重度可取11kN/m3。水土壓力的分項系數取1.3。地面超載按活荷載對待，分項系數取1.5。設有建筑防水層的地下室外墻外側的保護層厚度可取30mm，內側保護層厚度可取15mm；一般情況下，地下室外墻的裂縫寬度限值可放寬至0.3mm。地下室外墻的豎向外側鋼筋在設計時可采取隔一斷一方式，截斷的位置對頂端為自由時為1/2墻高處，頂端為鉸接時為1/3墻高處，既經濟又能控制裂縫的開展。