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地下車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題-注冊建筑師考試-考試大

 信情 2010-09-10
地下車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題
 來源:考試大   2008/1/11    【考試大:中國教育考試第一門戶】   

  一.引言:
  近年來,在大中城市的住宅小區(qū)設(shè)計中,根據(jù)有關(guān)規(guī)劃的要求,車庫經(jīng)常是必備的項目,而為滿足園林綠化的需要,車庫經(jīng)常設(shè)計成地下車庫,車庫頂板上往往回填2~3米覆土,車庫的結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu),柱網(wǎng)一般為8×8m,而且是頂板采用無梁樓蓋,基礎(chǔ)底板一般采用筏板基礎(chǔ)(有梁或無梁),也常采用獨立基礎(chǔ)加防水板做法,這需要根據(jù)工程的實際情況通過進行經(jīng)濟性比較后加以確定??偟恼f來,符合下列條件之一時,可優(yōu)先考慮獨立柱基加防水板方案:
1、地下車庫與高層建筑整體相連,為調(diào)整高層與車庫沉降差而有意加大車庫沉降量時;
2、地下水位較低,無需在底板上增加壓重,就能滿足抗浮要求,且地基承載力較高時;
3、在僅有防水要求而無水浮力作用的地下室。獨立柱基加防水板的做法見圖1。
根據(jù)筆者近年來的設(shè)計實踐,發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常使設(shè)計人員感到困惑的主要是以下幾類問題:
1. 地基承載力的確定。
2. 擋土外墻的基礎(chǔ)型式。
3. 防水板的內(nèi)力計算。
4. 擋土外墻內(nèi)力計算。本文結(jié)合筆者自身的設(shè)計實踐,就以上幾類問題談?wù)勛约旱目捶ā?

  二.地下車庫設(shè)計中的常見問題分析
  (一) 地基承載力修正深度
  根據(jù)文[1]的規(guī)定,建筑物地基承載力應(yīng)進行深寬修正:
fa=fka+ηbγ(b-3)+ηdγo(D-1.5) ......(1)
式中:fa--修正后地基承載力標準值
fka--修正前地基承載力標準值
D--基礎(chǔ)埋置深度
其余參數(shù)的物理意義詳見文[1]。
  在確定地基承載力參數(shù)的過程中,最讓設(shè)計者把握不定的是埋置深度D,事實上,這在文[1]中早有規(guī)定,那就是對于采用無梁樓蓋之滿堂基礎(chǔ),其埋置深度從室外地坪算起,即D=D1。但當(dāng)采用獨立柱基加防水板時,則應(yīng)按下列規(guī)定取值:1)外墻基礎(chǔ)埋置深度:D=(D1+D2)/2。2)內(nèi)柱基礎(chǔ):一般第四紀沉積土:D=(3D1+D2)/4;新近沉積土及人工填土:D=D1。式中D1、D2分別為從室外地面和地下室地面起算時的基礎(chǔ)埋置深度。需要特別指出的是:在北京地區(qū),當(dāng)車庫基礎(chǔ)與主體高層建筑之基礎(chǔ)整體相連,為使車庫沉降量不致過小,應(yīng)盡量提高車庫地基土的計算承載力,此時,基礎(chǔ)埋置深度不分內(nèi)、外墻(柱),一般?。篋=(D1+D2)/2,詳見文[2]。一旦確定了D值,修正后的地基承載力也就不難計算了。
(二)擋土外墻基礎(chǔ)型式的確定
  眾所周知,柱下擴展基礎(chǔ)(獨立柱基或條基)上部荷載重心應(yīng)盡量與基礎(chǔ)底面之形心重合,當(dāng)基礎(chǔ)采用獨立柱基加防水板做法時,對中柱而言,設(shè)計時均設(shè)計成中心對稱基礎(chǔ),對于擋土外墻,有的設(shè)計者只考慮墻體承擔(dān)頂板傳來的軸力,而據(jù)此設(shè)計成中心對稱條基,這是否正確,我們就有必要從車庫的受力圖來加以分析。


  從圖2和圖3車庫受力圖我們很容易看出:由于防水板和基礎(chǔ)是同時施工的,在周邊回填土和頂板覆土施工后,防水板和基礎(chǔ)是共同受力的,就如同帶柱帽的無梁板整體基礎(chǔ)一樣。二者的差別就在于荷載分布不同,無梁板整體基礎(chǔ)下受均布的基底反力,而當(dāng)采用獨立柱基加防水板時,由于防水板下鋪設(shè)了易壓縮材料(如聚苯板或松散爐渣),因而當(dāng)?shù)叵滤辉诨A(chǔ)底面以下時,地基反力僅作用在獨立柱基范圍內(nèi),防水板范圍內(nèi)是無地基反力的。正如圖2所示。當(dāng)?shù)叵滤簧仙院?,則防水板和基礎(chǔ)均受水浮力作用,根據(jù)力的平衡關(guān)系,不難推斷,此時,基底下的地基反力將減小,隨著水位的不斷上升,防水板下的浮力將不斷增大,而基礎(chǔ)底面以下的地基反力將不斷減小,直至水位升至抗浮水位后,這種地基反力的調(diào)整過程方達穩(wěn)定,受力圖如圖3所示。由此可見,無論基底下是否受水浮力作用,獨立基礎(chǔ)從來就不是獨立的,而是自始至終與防水板成一整體,共同工作,就如同帶柱帽的無梁板整體基礎(chǔ)一樣。因此,那種將擋土墻基礎(chǔ)往外擴大成所謂的"中心受力"基礎(chǔ)是不必要的,一者浪費材料,二者對外包防水的施工帶來不便。
(三)基礎(chǔ)及防水板的內(nèi)力計算
  在獨立柱基加防水板的內(nèi)力計算中,有一種作法是將獨立基礎(chǔ)和防水板分別進行內(nèi)力計算,具體作法是:將獨立柱基及防水板人為地分割成兩部分,在地下水浮力的作用下,對基礎(chǔ)底板按有柱帽無梁樓蓋計算,此時僅考慮水浮力的作用。獨立基礎(chǔ)在設(shè)計時與普通獨立基礎(chǔ)完全相同,即承擔(dān)全部豎向荷載,而不考慮防水板的作用。而事實上,我們從圖2和圖3可以清楚地看出,無論是有無地下水,柱下基礎(chǔ)均不可能是真正的"獨立基礎(chǔ)",而是始終與防水板共同工作。同樣地,防水板也不僅僅是在水壓力作用下才產(chǎn)生內(nèi)力,因為獨立基礎(chǔ)和防水板作為一個整體,盡管無地下水時,地基反力只是作用在獨立基礎(chǔ)范圍內(nèi),但同樣對獨立基礎(chǔ)以外的部分產(chǎn)生內(nèi)力,由此可見,那種將獨立基礎(chǔ)和防水板人為地割裂開進行內(nèi)力計算是不妥當(dāng)?shù)?,與結(jié)構(gòu)實際的受力模型是不相符的,正確的做法,應(yīng)該是不論有無地下水,均應(yīng)按有柱帽無梁樓蓋進行設(shè)計,由此同時計算出獨立基礎(chǔ)部分以及防水板部分的內(nèi)力。很顯然,由于圖3所示的受力屬于不利情況,因此,在實際設(shè)計工作中,只需要按抗浮水位計算浮力,并由力的平衡關(guān)系求得基礎(chǔ)范圍內(nèi)的地基凈反力,再按圖3所示受力模型進行內(nèi)力計算(按有柱帽倒無梁樓蓋計算)即可。
(四) 邊墻(擋土墻)內(nèi)力計算和配筋
  邊墻(擋土墻)的配筋,在設(shè)計中常見的作法是將擋土墻上、下端均作為固定端,考慮水壓力和土壓力的共同作用,按受彎構(gòu)件進行內(nèi)力計算和配筋。而事實上,正如圖2和圖3所示,邊墻的內(nèi)力不僅與側(cè)向土壓力、水壓力有關(guān),而且同時與垂直荷載密切相關(guān),當(dāng)車庫頂板的土荷載很大時,由垂直荷載作用下引起的擋土墻的內(nèi)力將占很大的比重,僅僅考慮側(cè)向土壓力、水壓力來設(shè)計擋土墻將是非常不安全的。當(dāng)然,當(dāng)頂板的覆土較大時,為減少墻體配筋,我們可以考慮軸壓力對墻體的有利作用,對邊墻按偏心受壓而不是純彎構(gòu)件進行配筋,以達到安全、經(jīng)濟之目的。
三、算例
  某單層地下車庫,柱網(wǎng)8×8m,層高3.4m,頂板覆土厚3m,頂、底板厚600,柱斷面600×600,柱帽尺寸2.2×2.2×0.45,砼C30,邊墻300厚,頂、底板和邊墻的荷載如圖4所示(圖4見第6頁),試計算邊墻的內(nèi)力及配筋。
  解:下面分別按兩種方法計算邊墻的內(nèi)力和配筋
  方法一:僅考慮側(cè)壓力,外墻上、下端分別固定于頂、底板
  方法二:既考慮側(cè)壓力又考慮垂直荷載,按等代框架計算。
  兩種方法的計算結(jié)果如表1所示。

 


                    表1:邊墻內(nèi)力、配筋對照表
 邊墻上端內(nèi)力、配筋 邊墻下端內(nèi)力、配筋 邊墻跨中內(nèi)力、配筋
 方法一 M=-35.6As=468 M=-40.5As=642 M=19.10As=450(構(gòu)造)
 方法二 N=392M=-114.9 N=392M=-116 N=392M=-58.4
 As=1334 As=1352 As=600(構(gòu)造)
 注:彎矩:kNm/m,軸力:kN/m,配筋:mm2/m
 由此可見是否考慮到垂直荷載的影響將對邊墻內(nèi)力及配筋產(chǎn)生重大影響,當(dāng)垂直荷載較大時,方法一是嚴重偏于不安全的。
四、結(jié)束語
  結(jié)構(gòu)設(shè)計事關(guān)工程安全和經(jīng)濟的大局,正確選用符合結(jié)構(gòu)實際的受力模型和參數(shù)是保證結(jié)構(gòu)安全又杜絕設(shè)計浪費的關(guān)鍵所在。以上只是筆者總結(jié)了在設(shè)計過程中的個人看法,是否妥當(dāng),還望同行專家指正。
 本文得到了本院孫澄潮教授級高工的審閱和指導(dǎo),特此致謝。
 圖4:單層地下車庫荷載分布圖

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