高层住宅下复杂地下室墙体设计

　摘要：介绍了人防地下室墙体的设计步骤，对不同的墙体作了具体的受力分析，阐述了设计过程中应注意的问题及设计方法。
　　关键词：地下室外墙；防护单元隔墙；临空墙；水池侧壁；荷载组合；内力分析。
　　随着社会经济的迅速发展，人民物质生活水平的不断提高，居住条件的不断改善，高层住宅如雨后春笋一座座拔地而起，高层下地下室设计越来越多，不但要满足停车的需要，还要满足人防的要求，地下室建筑功能的增多势必带来结构的复杂，仅墙体一项就有几种情况。
　　笔者就08年设计的一个人防地下室对地下室钢筋混泥土墙体作一下简单的分析，以供初次设计者参考。
　　1.工程实例
　　1.1工程概况
　　宁波鄞州长丰拆迁安置居住—1号地块C区地下室，地下建筑层数为一层，面积8828平方米，分人防区和非人防区，人防区为甲类防空地下室，核6级，常6级，±0.000相当于黄海高程3.45，室内外相差150，地下室顶标高-1.3,层高3.7米，局部顶标高-0.5，层高4.5米，最高水位黄海高程3.27，最低水位0.87。
　　2地下室墙体设计的一般步骤
　　防空地下室墙体设计的一般步骤：确定荷载组合→内力分析→确定控制内力→截面设计。
　　1. 确定荷载组合
　　规范规定：甲类防空地下室结构应分别按下列第1、2、3款规定的荷载（效应）组合进行设计，乙类防空地下室结构应分别按下列第1、2款规定的荷载（效应）组合进行设计，并应取各自的最不利的效应组合作为设计依据。其中平时使用状态的荷载（效应）组合应按国家现行有关标准执行。
　　1平时使用状态的结构设计荷载；
　　2战时常规武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用；
　　3战时核武器爆炸等效静荷载与静荷载同时作用。
　　防空地下室外墙为一侧与室外岩土接触，直接承受土中压缩波作用，另一侧为防空地下室内部的墙体。
　　普通地下室外墙承受的竖向荷载，主要有上层建筑传来的竖向荷载、地下室外墙自重及顶板传来的竖向荷载；普通地下室外墙承受的侧向力有土压力、水压力及地面堆积物活荷载产生的水平压力。当为防空地下室时，还要计入核武器或常规武器爆炸产生的水平动荷载和顶板传来的动荷载。作用于防空地下室土中外墙上的水平均布等效静荷载，与防空地下室抗力等级、墙体材料、允许延性比、外墙计算高度、地质条件以及是否考虑上层建筑对外墙的影响有关，其等效静荷载标准值控制值，按规范GB50038－2005采用。
　　2. 内力分析
　　由顶板传来的等效静荷载、静荷载值及由上部传来的上层建筑自重等垂直荷载，在外墙设计中都可近似按轴向力作用计算。
　　钢筋混泥土外墙可按塑性内力重分布计算内力，在垂直荷载与水平荷载共同作用下，外墙可按偏心受压构件计算，为简单和偏于安全起见，外墙可不考虑轴向压力作用，将压弯构件按纯弯构件验算。
　　顶板与外墙之间二者刚度接近时，外墙上部可接近按固定端与铰支之间的支座情况考虑；底板刚度远大于外墙时，外墙下部支座可视为固定端。各构件之间支座条件应相互协调一致。需注意配筋及构造应与实际受力状况相符。
　　当地下室内部横墙比较多（横墙6m左右）或上层建筑的柱子沿外墙向下直通到基础底板，外墙可按支承在内部横墙（柱子）与楼板上的双向（单向）板计算；当地下室内部横墙较少时可考虑上下两端支承，按支承在楼板与基础底板上的单向板计算。
　　3.确定控制内力
　　根据荷载组合计算出不同受力状态下结构构件的内力值后，应取其控制条件作为截面设计的依据，一般情况下战时荷载（效应）组合起控制作用。
　　4.截面设计（承载能力极限状态计算）
　　地下室外墙的厚度和混泥土强度的等级，应根据荷载情况、防水抗渗和有关规范的构造要求确定。在动荷载和静荷载同时作用下，防空地下室结构构件在承载力设计中采用材料动力强度设计值，其值为静荷载作用下材料强度设计值乘以动荷载作用下材料强度综合调整系数rd，其余基本上与地面建筑结构的截面设计相同。人防结构设计仅需验算承载力，不需验算构件的变形与裂缝。
　　5根据上述原则，对实例的外墙进行荷载组合并电算。
　　地下室外墙的水平荷载一般如图1所示进行组合：
　　1）地面活荷载、地下水位以上土侧压力、地下水位以下土侧压力、水压力；
　　2）上例1）加常规武器爆炸等效静荷载
　　3）上例1）加核武器爆炸等效静荷载
　　图1中的各值：
　　q1=P•K0
　　q2=K0rh或K0rh1
　　q3=K0r′h2
　　q4=rw•h2
　　K0=1-sinθ(θ为土的有效内摩擦角，一般取300)
　　K0为静止土侧压力系数，参考值沙土K0=0.34-0.45，粘土K0=0.5-0.7，日本取K0=0.5。
　　式中h1—地下水位深度（m）;
　　h—外墙室外地坪以下高度（m）
　　h2—外墙地下水位以下高度（m）
　　p—地面活载或堆载，活载一般取5-10KN/㎡;堆载视实际情况而定。
　　r—填土的密度，一般取21KN/m3
　　r′—土的浮容重，取11KN/m3
　　rw—水的重度，一般取10KN/m3
　　荷载分项系数地面活荷载rQ=1.4，其余取1.2，等效静荷载分项系数rQ=1.0。
　　根据实例，地下室顶板覆土厚H=1.15米，洪水位时水深也一样，则p=r′H+rwH=21×1.15=24.15，（此时不再考虑活载作用）
　　化为q1=P•K0=24.15×0.5KN/㎡
　　q2=0
　　q3=K0r′h2=0.5×11×3.7KN/㎡
　　q4=rw•h2=10×3.7KN/㎡
　　人防等效静荷载查规范GB50038-2005,核武器作用下外墙等效静荷载大于常规武器作用，结果取大值qe2=60KN/㎡,电算结果见下图：
　　根据计算结果可以看出截面配筋由战时荷载（效应）控制。配筋取二种计算模型的平均值，且满足构造要求。
　　6相邻防护单元隔墙设计
　　荷载组合只考虑水平等效静荷载，用弹塑性方法计算。本文实例根据抗力等级6级，查规范得水平等效静荷载标准值为50KN/㎡。截面设计方法同外墙电算结果如下：
　 　配筋取二种计算模型的平均值，且满足构造要求。
　　7临空墙设计
　　一侧直接受空气冲击波作用，另一侧为防空地下室内部的墙体称为临空墙。荷载取值根据出入口部位及形式。临空墙在水平荷载作用下，可根据墙长与墙宽的不同比值按四边支承双向板和两边支承单向板用弹塑性方法计算内力。本文实例根据抗力等级6级，查规范得水平等效静荷载标准值为130KN/㎡。电算结果如下：
　　板的编号：1B1
　　Lx=5.60m,Ly=4.50m,Ly/Lx=0.80,h=300mm,c=20mm
　　混凝土等级：C35,纵筋fy=300MPa
　　跨中弯矩放大系数=1.0
　　受力纵筋Umin=0.25%,即每米As≥750mm*mm
　　-------强度计算------
　　荷载设计值q=140.00kN/m*m(包括板自重，有人防组合)
　　三边固端，一边简支板弹性计算结果：
　　位置：弯矩系数：弯矩:钢筋面积:
　　X方向跨中：0.022477.15744
　　Y方向跨中：0.028791.83848
　　左.右支座：0.0704199.671906
　　下端支座：0.0769217.872092
　　四边固端板弹性计算结果：
　　位置：弯矩系数：弯矩:钢筋面积:
　　X方向跨中：0.014453.53512
　　Y方向跨中：0.026983.12766
　　左.右支座：0.0557158.031489
　　上.下支座：0.0658186.561774
　　配筋取二种计算模型的平均值，且满足构造要求。
　　8水池侧壁设计
　　水池侧壁可根据墙长与墙宽的不同比值按四边支承双向板和两边支承单向板用弹性方法计算内力。电算结果如下：
　　池侧壁编号：SQ1,混凝土强度：C35,纵筋fy=300MPa,c=40mm
　　水池宽度Lb=5.6m,高度Hb=4.5m,Lb/Hb=1.2,壁厚t=200mm,水深h=3m,
　　最小配筋率Umin=0.24%
　　三边固端，一边简支板弹性计算结果：
　　位置弯矩钢筋面积钢筋应力钢筋直径
　　竖向底部支座：27.296721012
　　竖向中间跨中：9.632522010
　　水平左右支座：19.967122010
　　水平中间跨中：7.625622010
　　四边固端板弹性计算结果：
　　位置弯矩钢筋面积钢筋应力钢筋直径
　　竖向底部支座：24.966722010
　　竖向中间跨中：8.924022010
　　竖向顶端支座：15.040322010
　　水平左右支座：16.945322010
　　水平中间跨中：5.815521910
　　配筋取二种计算模型的平均值，且满足构造要求。
　　结束语：人防地下室虽然复杂，墙体种类多，但只要我们思路清晰，按照规范逐步求解，困难的问题就能迎刃而解。
　　参考文献：[1]李国胜：多高层钢筋混泥土设计中疑难问题的处理及算例[M].北京：中国建筑工业出版社，2004。
　　[2]北京市建筑设计标准化办公室：防空地下室结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008。