地下车库结构设计中的常见问
题
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一.引言:
近年来,在大中城市的住宅小区设计中,根据有关
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的要求,车库经常是必备的项目,而为满足园林绿化的需要,车库经常设计成地下车库,车库顶板上往往回填2~3米覆土,车库的结构型式为框架结构,柱网一般为8×8m,而且是顶板采用无梁楼盖,基础底板一般采用筏板基础(有梁或无梁),也常采用独立基础加防水板做法,这需要根据工程的实际情况通过进行经济性比较后加以确定。总的说来,符合下列条件之一时,可优先考虑独立柱基加防水板方案:
1、地下车库与高层建筑整体相连,为调整高层与车库沉降差而有意加大车库沉降量时;
2、地下水位较低,无需在底板上增加压重,就能满足抗浮要求,且地基承载力较高时;
3、在仅有防水要求而无水浮力作用的地下室。独立柱基加防水板的做法见图1。
根据笔者近年来的设计实践,发现在结构设计中经常使设计人员感到困惑的主要是以下几类问题:
1. 地基承载力的确定。
2. 挡土外墙的基础型式。
3. 防水板的内力计算。
4. 挡土外墙内力计算。本文结合笔者自身的设计实践,就以上几类问题谈谈自己的看法。
二.地下车库设计中的常见问题
分析
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(一) 地基承载力修正深度
根据文[1]的规定,建筑物地基承载力应进行深宽修正:
fa=fka+ηbγ(b-3)+ηdγo(D-1.5) (1)
式中:fa--修正后地基承载力标准值
fka--修正前地基承载力标准值
D--基础埋置深度
其余参数的物理意义详见文[1]。
在确定地基承载力参数的过程中,最让设计者把握不定的是埋置深度D,事实上,这在文[1]中早有规定,那就是对于采用无梁楼盖之满堂基础,其埋置深度从室外地坪算起,即D=D1。但当采用独立柱基加防水板时,则应按下列规定取值:1)外墙基础埋置深度: D=(D1+D2)/2。2)内柱基础:一般第四纪沉积土:D=(3D1+D2)/4;新近沉积土及人工填土:D=D1。式中D1、D2分别为从室外地面和地下室地面起算时的基础埋置深度。需要特别指出的是:在北京地区,当车库基础与主体高层建筑之基础整体相连,为使车库沉降量不致过小,应尽量提高车库地基土的计算承载力,此时,基础埋置深度不分内、外墙(柱),一般取:D=(D1+D2)/2,详见文[2]。一旦确定了D值,修正后的地基承载力也就不难计算了。
(二)挡土外墙基础型式的确定
众所周知,柱下扩展基础(独立柱基或条基)上部荷载重心应尽量与基础底面之形心重合,当基础采用独立柱基加防水板做法时,对中柱而言,设计时均设计成中心对称基础,对于挡土外墙,有的设计者只考虑墙体承担顶板传来的轴力,而据此设计成中心对称条基,这是否正确,我们就有必要从车库的受力图来加以分析。
从图2和图3车库受力图我们很容易看出:由于防水板和基础是同时施工的,在周边回填土和顶板覆土施工后,防水板和基础是共同受力的,就如同带柱帽的无梁板整体基础一样。二者的差别就在于荷载分布不同,无梁板整体基础下受均布的基底反力,而当采用独立柱基加防水板时,由于防水板下铺设了易压缩
材料
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(如聚苯板或松散炉渣),因而当地下水位在基础底面以下时,地基反力仅作用在独立柱基范围内,防水板范围内是无地基反力的。正如图2所示。当地下水位上升以后,则防水板和基础均受水浮力作用,根据力的平衡关系,不难推断,此时,基底下的地基反力将减小,随着水位的不断上升,防水板下的浮力将不断增大,而基础底面以下的地基反力将不断减小,直至水位升至抗浮水位后,这种地基反力的调整过程方达稳定,受力图如图3所示。由此可见,无论基底下是否受水浮力作用,独立基础从来就不是独立的,而是自始至终与防水板成一整体,共同工作,就如同带柱帽的无梁板整体基础一样。因此,那种将挡土墙基础往外扩大成所谓的"中心受力"基础是不必要的,一者浪费材料,二者对外包防水的施工带来不便。
(三)基础及防水板的内力计算
在独立柱基加防水板的内力计算中,有一种作法是将独立基础和防水板分别进行内力计算,具体作法是:将独立柱基及防水板人为地分割成两部分,在地下水浮力的作用下,对基础底板按有柱帽无梁楼盖计算,此时仅考虑水浮力的作用。独立基础在设计时与普通独立基础完全相同,即承担全部竖向荷载,而不考虑防水板的作用。而事实上,我们从图2和图3可以清楚地看出,无论是有无地下水,柱下基础均不可能是真正的"独立基础",而是始终与防水板共同工作。同样地,防水板也不仅仅是在水压力作用下才产生内力,因为独立基础和防水板作为一个整体,尽管无地下水时,地基反力只是作用在独立基础范围内,但同样对独立基础以外的部分产生内力,由此可见,那种将独立基础和防水板人为地割裂开进行内力计算是不妥当的,与结构实际的受力模型是不相符的,正确的做法,应该是不论有无地下水,均应按有柱帽无梁楼盖进行设计,由此同时计算出独立基础部分以及防水板部分的内力。很显然,由于图3所示的受力属于不利情况,因此,在实际设计工作中,只需要按抗浮水位计算浮力,并由力的平衡关系求得基础范围内的地基净反力,再按图3所示受力模型进行内力计算(按有柱帽倒无梁楼盖计算)即可。
(四) 边墙(挡土墙)内力计算和配筋
边墙(挡土墙)的配筋,在设计中常见的作法是将挡土墙上、下端均作为固定端,考虑水压力和土压力的共同作用,按受弯构件进行内力计算和配筋。而事实上,正如图2和图3所示,边墙的内力不仅与侧向土压力、水压力有关,而且同时与垂直荷载密切相关,当车库顶板的土荷载很大时,由垂直荷载作用下引起的挡土墙的内力将占很大的比重,仅仅考虑侧向土压力、水压力来设计挡土墙将是非常不安全的。当然,当顶板的覆土较大时,为减少墙体配筋,我们可以考虑轴压力对墙体的有利作用,对边墙按偏心受压而不是纯弯构件进行配筋,以达到安全、经济之目的。
三、算例
某单层地下车库,柱网8×8m,层高3.4m,顶板覆土厚3m,顶、底板厚600,柱断面600×600,柱帽尺寸2.2×2.2×0.45,砼C30,边墙300厚,顶、底板和边墙的荷载如图4所示(图4见第6页),试计算边墙的内力及配筋。
解:下面分别按两种
方法
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计算边墙的内力和配筋
方法一:仅考虑侧压力,外墙上、下端分别固定于顶、底板
方法二:既考虑侧压力又考虑垂直荷载,按等代框架计算。
两种方法的计算结果如表1所示。
表1:边墙内力、配筋对照表
边墙上端内力、配筋边墙下端内力、配筋边墙跨中内力、配筋
方法一M=-35.6As=468 M=-40.5As=642 M=19.10As=450(构造)
方法二N=392M=-114.9 N=392M=-116 N=392M=-58.4
As=1334 As=1352 As=600(构造)
注:弯矩:kNm/m,轴力:kN/m,配筋:mm2/m
由此可见是否考虑到垂直荷载的影响将对边墙内力及配筋产生重大影响,当垂直荷载较大时,方法一是严重偏于不安全的。
四、结束语
结构设计事关工程安全和经济的大局,正确选用符合结构实际的受力模型和参数是保证结构安全又杜绝设计浪费的关键所在。以上只是笔者总结了在设计过程中的个人看法,是否妥当,还望同行专家指正。
本文得到了孙澄潮教授级高工的审阅和指导,特此致谢。
图4:单层地下车库荷载分布图
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