结合工程实践浅谈建筑地下室底板及外墙的结构设计

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摘要:本文结合工程实践，对采用桩基的建筑地下室底板及外墙的设计方法进行了归纳总结，给出普通地下室及防空地下室底板、外墙的实用设计方法、步骤及注意问题。

关键词:建筑地下室底板；防空地下室；外墙；结构设计

1普通地下室底板结构设计

1.1作用在地下室底板上的荷载

(1)作用在底板顶面向下的均布荷载包括板自重、装修层重量、固定设备(可换算成等效均布荷载)等，用qd表示；(2)作用在底板顶面向下的等效均布活荷载ql；(3)作用在底板底面向上的等效均布荷载主要为地下水浮力qw。

1.2荷载组合

按(1)，(2)组合计算底板及梁(底板采用梁板式时)的配筋，荷载设计值为q＝1.2qd+1.4ql。宁波地区地下水位埋深较浅，水位较稳定，水浮力较大。此项与水浮力相比很小，一般不起控制作用，在工程中一般不计算。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009－2001)，按1)，(3)组合计算底板及梁(底板采用梁板式时)的配筋，荷载设计值为q=1.35qw-1.0qd，此时qd不考虑固定设备的有利作用，仅包括底板自重及装修层重量。

1.3底板结构计算

当底板结构采用梁板式结构时，可采用SATWE等程序按一层框架结构进行计算。计算时程序要求输入恒、活荷载标准值，可将按(1)，(3)组合计算的q除以恒荷载分项系数1.2作为恒荷载标准值输入，活荷载标准值为0。框架柱输入承台尺寸，并考虑梁、柱重叠部分作为刚域计算，可减小梁断面及配筋。为减小地下室埋深，底板可采用平板式，按无梁楼盖进行计算，此时桩承台作为无梁楼盖的柱帽。

2甲类防空地下室底板结构设计

根据《人民防空地下室设计规范》(GB50038－2005)(简称人防规范)，甲类防空地下室设计必须满足其预定的战时对核武器、常规武器和生化武器的各项防护要求，乙类防空地下室设计必须满足其预定的战时对常规武器和生化武器的各项防护要求。

根据人防规范的有关条文规定，乙类防空地下室底板设计可不考虑常规武器地面爆炸作用，但应符合人防规范规定的构造要求。所以对乙类防空地下室底板结构的计算与普通地下室底板相同。本节主要给出甲类防空地下室底板结构的设计计算方法。

2.1作用在防空地下室底板上的荷载

前(1)～(3)项与普通地下室的相同；(4)作用在底板底面向上的核武器爆炸产生的人防等效静荷载qe3。

2.2荷载组合

平时荷载组合与普通地下室的荷载组合相同。战时荷载组合：按(1)，(3)，(4)组合计算底板及梁(底板采用梁板式时)的配筋，荷载设计值为q=1.2qw-1.0qd+1.0qe3，qd取值同普通地下室的。考虑到材料在快速加载作用下的动力强度会提高，人防规范规定在动荷载和静荷载同时作用或动荷载单独作用下，材料强度设计值可按fd=γdf进行计算，式中各符号意义详见人防规范，动荷载作用下材料强度综合调整系数γd详见人防规范第4.2.3条表4.2.3。

2.3底板结构计算

2.3.1平时荷载组合

平时荷载组合下地下室底板的计算与普通地下室底板的计算相同。

2.3.2战时荷载组合

可参照普通地下室底板的计算方法，将按战时组合(1)，(3)，(4)组合计算的q除以恒荷载分项系数1.2作为恒荷载标准值输入，活荷载标准值为0。

计算时要注意：(1）材料强度设计值应按动力荷载作用下的材料强度设计值输入；(2）根据人防规范第4.10.6条规定，在进行梁、柱斜截面承载力验算时混凝土的动力强度设计值应乘以折减系数0.8。所以应计算两次，先按动荷载作用下的材料强度设计值计算得到梁正截面及底板的内力计算结果，进行梁的纵向钢筋配置及底板钢筋配置；再将混凝土的动力强度设计值乘以折减系数0.8后重新输入计算，得到梁斜截面的计算结果，进行梁的箍筋配置。

底板结构的最终配筋结果取平时荷载组合和战时荷载组合计算结果两者中的较大值。

3普通地下室外墙结构设计

在工程实践中，地下室外墙截面设计由作用于外墙外表面的水平荷载控制。外墙可近似按受弯钢筋混凝土构件设计。

3.1作用在普通地下室外墙上的荷载

(1)周围填土产生的土侧压力；(2)地下水浮力产生的水侧压力；(3)作用在室外地面活荷载(如有)产生的侧压力。

由于建筑物的整体作用，地下室外墙一般不会发生变形和位移，土侧压力可按静止土压力计算。根据土力学原理，静止土压力系数k0可按下式计算

式中μ为土的泊松比。根据土质情况，在工程设计中静止土压力系数k0可取0.5～0.55，如考虑基坑支护桩的作用，静止土压力系数还可以根据支护桩的实际情况进行折减。

3.2外墙计算简图及荷载计算简图

地下室外墙应为地下室楼面边框架梁和框架柱支承的双向板，如对每块双向板分别进行计算比较麻烦，在工程中也没有必要。可将地下室底板作为嵌固端，地下室各层楼板作为支点，根据地下室层数，取1m宽的外墙按竖向单跨板或多跨连续板计算，外墙计算简图见图1，外墙水平荷载简图见图2。图中土侧压力标准值qt1及qt2、水侧压力标准值qw分别计算如下：

式中：γ，γw分别为土及水的重度。

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009－2010)，土侧压力及水浮力产生的侧压力荷载分项系数取1.35。

由于土压力、水压力产生的荷载为三角形或梯形，可分别计算土压力、水压力作用产生的弯矩，然后将同一截面在土压力及水压力作用下产生的弯矩叠加进行截面配筋设计。

4防空地下室外墙结构设计

4.1作用在防空地下室外墙上的荷载

前(1)～(3)项与普通地下室的相同；(4)作用在外墙外表面由武器爆炸产生的水平方向人防等效静荷载标准值qe2(核武器爆炸)或qce2(常规武器爆炸)。

4.2外墙计算简图及荷载计算简图

4.2.1平时荷载作用

平时荷载作用下的外墙计算与普通地下室的外墙计算相同。

4.2.2考虑战时荷载作用

考虑战时荷载作用的外墙计算简图同普通地下室的外墙计算简图（图1）。外墙水平荷载增加了武器爆炸产生的水平方向人防等效静荷载作用，见图3。图中土侧压力标准值qt1及qt2、水侧压力标准值qw分别计算如下：

根据人防规范，土侧压力荷载分项系数取1.2，水浮力产生的侧压力荷载分项系数取1.2。

对乙类防空地下室，取qce2计算人防等效静荷载产生的弯矩；对甲类防空地下室，取qe2及qce2两者中的较大者计算人防等效静荷载产生的弯矩。qe2，qce2分别为核武器爆炸、常规武器爆炸产生的地下室外墙人防等效静荷载标准值，按人防规范第4.7及4.8节规定取值。根据人防规范，人防等效静荷载分项系数取1.0。（红字另起一段）

分别计算土压力作用、水压力作用、人防等效静荷载作用产生的弯矩，然后将同一截面在土压力、水压力及人防等效静荷载作用下产生的弯矩叠加进行截面配筋设计。

考虑战时荷载作用下，在计算土压力作用、水压力作用、人防等效静荷载作用产生的弯矩时要注意：（1）材料强度设计值应取动荷载作用下的材料强度设计值；（2）由于外墙近似按受弯钢筋混凝土构件设计，所以不必按人防规范第4.10.5条规定将混凝土轴心抗压动力强度设计值乘以折减系数0.8。

外墙结构的最终配筋取平时荷载作用和考虑战时荷载作用两者计算结果中的较大值。

5地下室底板及外墙的裂缝宽度验算

根据规范规定，结构不仅要满足承载能力的要求，同时要满足正常使用的要求。为保证地下室正常使用，应对其构件的裂缝宽度进行限制。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010－2010)(简称混凝土规范)及《地下工程防水技术规范》(GB50108－2008)(简称防水规范)规定，地下室底板及外墙的裂缝宽度限值为0.2mm。对于普通地下室，应对其正常使用极限状态下的裂缝宽度进行验算。

人防规范第4.1.6条规定，防空地下室在常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用下，对其结构变形、裂缝开展可不进行验算。所以对防空地下室的裂缝宽度验算只需考虑平时荷载作用下的裂缝宽度验算，计算方法与普通地下室的相同。

6地下室底板及外墙的构造

6.1普通地下室底板及外墙的构造规定

底板及外墙构造应同时满足混凝土规范及防水规范的要求：厚度不宜小于250mm；迎水面纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度不应小于50mm；混凝土强度等级不应小于C15(此条一般均能满足)；最小配筋率应满足混凝土规范的要求；防水等级应满足防水规范的要求。

6.2防空地下室底板及外墙的构造规定

底板及外墙的构造除满足普通地下室的构造要求外，尚应满足人防规范的构造要求。人防规范第4.11.7条给出了不同混凝土强度等级范围时钢筋混凝土构件纵向受力钢筋最小配筋率的具体数值。

值得注意的是，混凝土规范、人防规范和防水规范对于地下室结构迎水面的纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度的规定有所不同。混凝土规范规定基础(底板)为40mm(有垫层)、70mm(无垫层)，二a类环境下外墙最小为25mm（设防水层）；人防规范规定外墙外侧为30mm(设防水层)或40mm(直接防水)，基础(底板)为40mm(有垫层)、70mm(无垫层)；防水规范规定迎水面纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度不应小于50mm，底板下均应设厚度不小于100mm的垫层，要求更为严格。

7结束语

根据设计实践，给出建筑地下室底板及外墙结构的设计计算方法、步骤，可供设计时参考。按此方法及步骤对地下室底板、外墙进行结构设计，可以满足工程设计的要求。

参考文献

[1]GB50009－2001建筑结构荷载规范（2006年版）[S]．中国建筑工业出版社．

[2]GB50010－2010混凝土结构设计规范[S]．中国建筑工业出版社.

[3]GB50038－2005人民防空地下室设计规范[S]．限内部发行.

[4]GB50108－2008地下工程防水技术规范[S].中国计划出版社．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。