超深地下室外墻體系的設計分析及方案比選

于洪泳，呂維波，倪玲

（南京城鎮建筑設計咨詢有限公司，江蘇南京 210036）

0 引言

隨著經濟社會的發展，對建筑功能的需求不斷提高，為了節約土地資源，充分利用地下空間滿足大型設備的安裝需求，深埋、大層高、多層地下室得以廣泛應用。 然而，因此類地下室埋深深、層高高，地下室外墻受到的水土壓力較大，引起的外墻內力大，尤其是外墻底部彎矩數值巨大，常規結構體系難以實現，需要制定多種外墻結構體系方案，并綜合分析，選擇既經濟又安全的結構體系。

本文結合工程實例計算、分析了普通變截面外墻結構體系、疏扶壁柱外墻結構體系、密壁柱外墻結構體系的受力特性、變形特征，對三種方案進行了經濟性、承載能力的對比分析。

1 工程概況

南京市江北新區產業技術研創園綠色能源應用項目因具有地下室安放能源設備的需求，需修建超大層高的地下室。 項目地下共二層， 其中地下二層層高9.30m， 地 下 一 層 層 高4.80m。 地下車庫上部覆土1.50m，地面標高-0.30m，抗浮設計水位-0.800m， 地下室底板板面標高-16.050m，屬于超大層高、超深埋深地下室。 地下室外墻剖面圖如圖1 所示。

圖1 外墻剖面圖

2 外墻選型

整個地下室埋深深、層高高，外墻上的水、土壓力大，外墻內力大，截面設計困難，選擇合理的外墻結構形式尤為重要。 項目設計三種方案，對變截面外墻體系（方案一）、疏扶壁柱外墻體系（方案二）、密扶壁柱外墻體系（方案三）進行技術和經濟性對比。 方案一地下二層墻厚1000～1500mm， 地下一層外墻墻厚500～1000mm，具體形式見圖2a）；方案二外墻背后設置600×2400mm 的混凝土扶壁柱（墻）支撐體系，扶壁柱（墻）間距4350mm，墻厚600mm，具體形式見圖2b）；方案三外墻背后設置600×1800mm 的混凝土扶壁柱（墻）支撐體系，扶壁柱（墻）間距2900mm，墻厚500mm，具體形式見圖2c）。

圖2 三種方案外墻結構體系示意圖

3 外墻上的作用荷載計算

外墻上主要的作用荷載有水平荷載和豎向荷載，其中對外墻起控制作用的是水平荷載，偏于安全的按照受彎構件計算，不考慮豎向壓力荷載的有利作用。 水平荷載主要為地面堆載，由外墻外側土、水、人防等效靜荷載產生的側向壓力組成[1-3]。

土壓力按照靜止土壓力計算，計算公式為：

式中：κ0——靜止土壓力系數；γs——外墻側土容重， 地下水位以下取浮容重（kN/m3）；h——外墻計算點至地面高度（m）。

水壓力按照靜水壓力計算，計算公式為：

式中：γw——水容重 （kN/m3）；h'——外墻計算點至地下水位高度（m）。

地面堆載按側向壓力計算，計算公式為：

式中：κ0——靜止土壓力系數；p——地面堆載（kN/m2）。

根據上節提供的外墻幾何、物理參數、標高等信息，計算得出作用于外墻上的水、土壓力荷載呈梯形分布，其中墻頂荷載值為28kN/m2、 墻底荷載值為209kN/m2， 地下一層底部荷載值為98kN/m2。 水平荷載分布圖見圖3、圖4。

圖3 外墻作用荷載示意圖

圖4 外墻荷載分布圖（kN/m2）

4 外墻結構體系計算

4.1 變截面外墻結構體系計算

地下二層外墻厚度1000～1500mm，計算高度為4.90m，地下一層外墻厚度500～1000mm，計算高度為9.35m，施加圖4 所示外墻荷載，外墻受力特點與連續梁類似。 采用彎矩分配法計算[4—7]，按式（4）、式（5）、式（6）、式（7）分別計算地下一層和二層在三角形和矩形荷載作用下的地下二層頂端固端彎矩。

式 中：q1、q2、q3、q4(kN/m2)分 別 為 地 下 一 層 外 墻 矩 形 分 布 荷 載值、地下一層外墻三角形分布荷載值、地下二層外墻矩形分布荷載值、地下二層外墻三角形分布荷載值。

地下二層墻頂不平衡彎矩按式（8）計算：

地下一、二層墻體轉動剛度S1、S2按式（9）、式（10）計算：

式中：i1、i2分別為地下一、二層墻體慣距，l1、l2分別為地下一、二層墻體計算高度。

地下一層底部和地下二層頂部分配系數μ1、μ2按式（11）、式（12）計算：

地下一層底部和地下二層頂部分配力矩M1f、M2f按式（13）、式（14）計算：

地下一層底部、地下二層頂部墻體最終彎矩按式（15）計算：

按式（4）——式（14）計算得出單位寬度地下一層墻頂彎矩設計值為9.94kN·m，墻底彎矩設計值為675.6kN·m，地下二層墻底彎矩為1766.9kN·m，外墻彎矩主要分布于高度方向。 外墻最大側向變形產生于地下二層墻身中部，變形值為2.86mm。 計算簡圖、計算結果簡圖見圖5—圖7。

圖5 變截面外墻結構體系空間計算簡圖

圖6 水、土壓力作用下外墻側移等值線圖（mm）

圖7 水、土壓力作用下外墻彎矩圖（kN·m）

根據計算彎矩實配鋼筋，各控制截面處鋼筋面積與鋼筋實配 結果見表1，外墻配筋示意見圖8。

圖8 外墻配筋簡圖

表1 方案一外墻各控制截面鋼筋實配規格表

4.2 疏扶壁柱外墻結構體系計算

設置扶壁柱（墻）外墻結構體系， 外墻板受力形式為雙向受力。 扶壁柱（墻）計算長度大，受荷面積廣， 且存在彈性變形，因此扶壁柱（墻）為外墻板的彈性支座， 需考慮扶壁柱（墻）、外墻板共同作用與變形。 外墻系統采用扶壁柱 （墻），外墻板協調變形的彈性梁、 板計算方法[8—9]。 外墻板采用真實考慮平面內、 外剛度的彈性板6 單元， 計算采用扶壁柱（墻）與外墻板頂面平齊的計算模型， 梁剛度放大系數設置為1[10]。 其中，墻體厚度600mm，扶壁柱（墻）寬600mm，長2400mm，地下一層計算高度4.90m，地下二層計算高度9.35m。 外墻上的作用荷載如圖4 所示，外墻受力形式為上下側固接，左右側彈性連接的雙向板受力形式。 單位寬度地下一層墻頂彎矩設計值為11.9kN·m，墻底彎矩設計值為363.2kN·m，地下二層墻底彎矩為477.9kN·m，扶壁柱（墻）邊彎矩為263.5N·m。 外墻最大側向變形產生于地下二層墻身中部，變形值為2.86mm。 計算結果見圖9—圖12。

圖9 稀扶壁柱計算簡圖

圖10 水、土壓力作用下外墻側移等值線圖（mm）

圖11 外墻板彎矩計算結果簡圖（kN·m）

圖12 扶壁柱（墻）彎矩計算結果簡圖（kN·m）

外墻各控制截面處鋼筋[10]實配結果如表2 所示，外墻及扶壁柱（墻）配筋配置如圖13 所示。

圖13 外墻及扶壁柱（墻）配筋配置圖

表2 方案二外墻各控制截面鋼筋實配規格表

4.3 密扶壁柱外墻結構體系計算

在疏扶壁柱外墻結構形式的基礎上， 扶壁柱間距縮小至2.90m，墻厚減薄至500mm，長度縮減至2.0m。 計算方法與疏扶壁柱外墻結構體系相同[9-10]，計算結果與鋼筋配置見圖14—圖17。

圖14 疏扶壁柱外墻結構體系計算簡圖

圖15 水、土壓力作用下外墻側移等值線圖（mm）

圖16 水、土壓力作用下外墻彎矩圖（kN·m）

圖17 水、土壓力作用下扶壁柱（墻）彎矩圖（kN·m）

外墻各控制截面處鋼筋實配結果如表3 所示，外墻及扶壁柱（墻）配筋配置如圖18 所示。

圖18 外墻及扶壁柱（墻）配筋配置圖

表3 方案三外墻各控制截面鋼筋實配規格表

5 各外墻結構體系對比

5.1 計算指標對比

三種外墻結構體系結果控制指標見表4。 從計算結果指標可以看出，采用扶壁柱的外墻結構體系因扶壁柱的設置，增加了整個結構體系的剛度， 雖然疏柱網扶壁柱體系的扶壁柱尺寸較密（扶壁柱體系的尺寸縮小了約20%， 墻厚度也相應減小了約20%），但因為其扶壁柱密度的增加，剛度得以增強，衡量其剛度指標的墻板側移值最小，約為方案一的64%，方案二的83%。 方案一的內力全部由墻承擔，控制截面彎矩為1788kN·m/m，方案二的內力由墻和扶壁柱共同承擔， 控制截面墻和扶壁柱折算彎矩為998kN·m/m， 方案三控制截面墻和扶壁柱折算彎矩為1010kN·m/m。方案二和方案三控制截面折算彎矩相當，均較方案一降低約20%。

表4 方案一、二、三外墻體系各指標對比

5.2 經濟性對比

根據三種方案計算結果，進行外墻板、扶壁柱的鋼筋實配，各方案鋼筋、混凝土含量統計如表4 所示。

表4 表明方案三鋼筋、混凝土含量均最低。 方案三的混凝土量為方案一的53%，方案二的83%；鋼筋含量為方案一的84%，與方案二相當。

6 結論

綜上分析可知，設置扶壁柱后，外墻體系較變截面外墻體系剛度有所增加，外墻變形減小。 三種方案外墻的最大變形數值分別為2.86mm、2.27mm、1.83mm，設置扶壁柱后外墻最大變形降低39%。 密扶壁柱外墻體系單位寬度外墻鋼筋含量是變截面外墻體系的84%， 單位寬度外墻混凝土用量為變截面外墻體系的53%，經濟性較優。 但亦存在占用地下室內部空間大，影響停車及設備排布等缺點，其占用內部空間面積是變截面外墻體系的1.33 倍。

本文通過設計變截面普通外墻、 帶扶壁柱外墻解決超深、超高地下室外墻存在的受力復雜，內力大，設計難度高等問題。 分析研究表明，扶壁柱外墻具有剛度大、經濟性好的優點；變截面外墻體系具有占用空間小，施工簡便快捷的優點。 實際應用過程中可參考經濟性、空間性等具體指標要求，選擇合理的外墻結構體系。