淺談地下車庫的結構設計

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  摘 要】在普通地下車庫設計中,合理選取結構類型和符合實際的計算模型是合理設計和準確計算的前提;合理設計地基基礎是結構安全經濟的重要指標;防滲漏防開裂技術則是保證建筑物正常使用的重要措施。本文就以上問題進行了探討,供結構設計者參考。  　　【關鍵詞】地下車庫;獨立柱基; 防水板;裂縫控制  　　1. 前言  　　目前,城市建設特別是住宅小區(qū)的建設中,地下車庫越來越多,在地下車庫設計中,如何使結構設計更科學、合理,如何采用新技術顯得尤為重要和迫切。  　　2. 結構布置與計算  　　2.1 柱網、梁板體系的合理布局。  　　目前,車庫頂板常用的結構型式有無梁樓蓋,無粘結預應力無梁樓蓋、雙向密肋及預應力雙向密肋樓蓋、主次梁樓蓋等。當為方形柱網或接近方形柱網時,可采用前四種樓蓋,各種樓蓋的經濟跨度如下:普通鋼筋混凝土無梁樓蓋為4.5m~7.2m;無粘結預應力無梁樓蓋為7.2m~10.5m;普通雙向密肋樓蓋為9m~12m;預應力雙向密肋樓蓋為12m~21m。當為矩形柱網時,以短跨為主梁,長跨為次梁,且短跨與長跨比小于0.75比較經濟,一般常用的主次梁跨度比為0.65~0.70,這樣主次梁截面高度能協(xié)調一致,做到梁底平齊,從而能保證樓蓋得結構高度最小。注意這里所說的雙向密肋不是指與柱連接的都是大截面尺寸的“框架梁”開間內為井字梁的傳統(tǒng)的結構型式,而是將柱頂網格填實成與梁同高的實心板,這樣柱上實心板帶承擔大部分荷載,并直接將荷載傳給柱子,而且實心板能有效地加大這些梁的剛度。另外能提供更大的空間高度和最大限度的減小板厚。  　　2.2 擋土墻的設計與計算。  　　地下車庫的外墻應按擋土墻進行設計。擋土墻的內力與側向土壓力、水壓力、垂直荷載以及邊界條件有關。當垂直荷載較大時,垂直荷載作用引起的擋土墻內力將占很大比重,垂直荷載不可忽略,不能只考慮水平荷載,這時如要取得較精確的內力,應取封閉剛架結構模型來分析。當垂直荷載較小時,可以根據邊界條件作簡化計算,支承條件應按相對剛度比而定。有的工程外墻配筋計算中,凡外墻帶扶壁柱的,不區(qū)別扶壁柱尺寸大小,一律按雙向板計算配筋,而扶壁柱按地下室結構整體電算分析結果配筋,又未按外墻雙向板傳遞荷載驗算扶壁柱配筋。按外墻與扶壁柱變形協(xié)調的原理,其外墻豎向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、而外墻的水平分布筋則偏于保守。只有垂直于外墻方向有鋼筋混凝土內隔墻相連的外墻板塊或外墻扶壁柱截面尺寸較大時,外墻板塊按雙向板計算配筋外,其余的外墻宜按豎向單向板計算配筋為妥。擋土墻與頂板連接處,可根據頂板與擋土墻的相對剛度確定支承形式,一般情況下頂板剛度較小,可視為鉸接,底板基礎剛度較大,可視為固定端。豎向荷載(軸力)很小的外墻扶壁柱,其內外側主筋也應予以適當加強。外墻的水平分布筋要根據扶壁柱截面尺寸大小,可適當另配外側附加短水平負筋予以加強,外墻轉角處也同此予以適當加強。另外還應注意,由于側壁底部彎矩與相鄰的底板彎矩大小一樣,所以底板的抗彎能力不應小于側壁,其厚度和配筋量應相當。  　　3. 基礎的選型及設計  　　車庫基礎一般采用有梁或無梁的筏板基礎,也常采用獨立基礎加防水板,防水板下鋪聚苯板或爐渣的做法。在獨立柱基加防水板的基礎設計中,應注意基礎埋置深度的取值,深度修正的機理是側向超載(即埋置深度范圍內的土體重力)在滑動面上形成摩阻力,從而提高了地基的承載能力。當設有鋼筋混凝土防水底板時,由于該底板具有一定的剛度,并且與基礎相連接,當基礎底面土體產生滑移時,該底板對土的側向滑移和擠出能起到一定的約束作用,即起到一定厚度土體的自重作用。這種作用的大小與防水底板的厚度、剛度、配筋情況、基礎之間的凈距離、防水底板與基礎之間的連接構造等因素有關。對此國內有關資料建議按防水底板能夠完全起到約束土體滑移的作用,即深度修正時基礎埋深從室外自然地面算起。為安全可靠起見,當?shù)叵率曳浪装遢^厚(不小于250mm),且配置雙層鋼筋網時,進行承載力深度修正確定基礎埋置深度可考慮該防水底板的作用,基礎埋置深度可從室外地面和地下室地面平均標高算起。但此時應注意防水板不僅僅承受水浮力,還要承受部分地基反力。  　　獨立基礎加抗水板的基礎的內力計算通常采用簡化方法。人為地分割成獨立基礎和防水板兩部分:對防水板只考慮水浮力的作用,按倒無梁樓蓋計算;獨立基礎的設計與普通獨立基礎完全相同,全部豎向荷載均由獨立基礎承擔,不考慮防水板的作用。通過分析發(fā)現(xiàn),對于防水板下有柔性壓縮層的情況,當?shù)叵滤辉诨A底面以下時,地基反力僅作用在獨立柱基范圍內,防水板范圍內是無地基反力的;當?shù)叵滤簧仙院?防水板和基礎均受水浮力作用,由此可見,無論存不存在地下水,獨立基礎與防水板都是形成整體而共同作用的,所以簡化方法還是存在誤差的。誤差的大小主要是取決于獨立柱基的計算彎矩與獨立柱基加防水板實際彎矩的“等效”程度。精確的分析方法應該無論有無地下水,均應按照有柱帽的無梁樓蓋進行整體設計,同時計算出獨立柱基和防水板的內力。由此分析也可以得出在實際工程設計中,將擋土墻基礎外擴做成中心對稱的基礎是沒有必要的,而應按照整體的剛架模型,分析其內力 　　當采用簡化方法按地基承載力確定獨立柱基底面積時,為節(jié)約混凝土用料 　　4. 裂縫及控制設計  　　設計者必須認真對待由于超長給結構帶來的不利影響,當增大結構伸縮縫間距或者是不設置伸縮縫時,必須采取切實可行的措施,防止結構開裂。對于純地下車庫,上有回填土,結構受大氣溫差變化的影響較小,當前的設計趨勢是盡量不設縫,以利于解決地下室在變形縫位置的滲漏問題。在結構施工階段采取的主要防裂措施有: 　　4.1 采用補償收縮混凝土,即在混凝土中滲入UEA、HEA、SL微膨脹高效抗裂防水劑等微膨脹劑。以混凝土的膨脹值減去混凝土的最終收縮值的差值大于或等于混凝土的極限拉伸即可控制裂縫。  　　4.2 設置后澆帶,作為混凝土早期短時期釋放約束力的一種技術措施。后澆帶應設置在結構受力較小處,一般在梁、板跨度內的三分之一處,結構彎矩和剪力均較小,后澆帶間距一般為30米到40米,后澆帶接縫處的斷面形式,當墻、板厚度小于30厘米時,可做成平直縫;當厚度大于30厘米小于60厘米時,可做成階梯形或上下對稱坡口形;當墻板厚度大于60厘米時可做成企口縫。后澆帶的鋼筋斷開或貫通,在于后澆帶縫的類型。對沉降后澆帶而言,鋼筋貫通為好;對收縮后澆帶而言,鋼筋斷開為好;梁板結構的板筋斷開,梁筋貫通,如果鋼筋不斷開,鋼筋附近的混凝土收縮將受到約束,產生拉力導致開裂,從而降低結構抵抗溫度變化的能力。由于地下室外墻一般拆模早,養(yǎng)護困難,受溫度影響大,水分蒸發(fā)速率大,容易開裂。為控制溫差和干縮引起的垂直裂縫,墻體的水平構造鋼筋額度最小配筋率不應小于0.5%,并使用螺紋鋼筋,鋼筋間距不宜過大,采用直徑?10~ ?16間距150mm是比較合理的,實踐證明細而密的鋼筋分布對結構抗裂是有利的。若要取得更為經濟合理的配筋結果,可按照圖3所示進行配筋。必須指出的是,后澆帶只能解決施工期間的混凝土自收縮,它不能解決由于溫度變化引起的結構應力集中,更不能替代伸縮縫。有一些結構設計者將后澆帶和伸縮縫等同起來的看法是錯誤的,因為兩者的作用并不相同。  　　4.3 膨脹帶,當?shù)叵率医Y構超長過多,單靠設置后澆帶不足以解決混凝土收縮和溫度變化問題時,可以考慮采用補償收縮混凝土,在適當位置設置膨脹加強帶。用膨脹加強帶取代部分施工后澆帶,從而實現(xiàn)混凝土的連續(xù)澆筑即無縫施工,膨脹加強帶的位置應設置在結構溫度應力集中部位。對于地下車庫的頂板、底板可采用圖4(a)所示做法,可循環(huán)連續(xù)澆筑100m~150m的超長結構,對于擋土墻由于暴露面大,養(yǎng)護困難,可采用圖4(b)所示的后澆加強帶。此方法與傳統(tǒng)的后澆帶設計一樣,不同之處在于后澆帶的寬度為2m,回填縫時間可為兩周。  　　4.4 另外,對于超長結構,在有條件的情況下,可以考慮施加部分預應力。對擋土墻混凝土預壓應力可控制在0.6~1.0MPa,對頂板可控制在0.2~0.7MPa。根據工程實踐,無粘結預應力技術在地下車庫的應用,對裂縫控制起到了很好的作用。  　　  　　還有一個值得注意問題就是地下車庫的允許裂縫寬度。地下工程防水技術規(guī)范GB50108-2001第4.1.6條規(guī)定“防水混凝土結構的裂縫寬度不得大于0.2mm,并不得貫通”。目前設計人員對當外有柔性防水層時,允許裂縫寬度的取值是0.2mm還是0.3mm還存在較大的爭議,因為按不同值考慮對結構的用鋼量影響還是很大的。有人認為0.2mm是針對于自防水工程而言的,當外有柔性防水層時,混凝土并不是直接接觸水或土壤的,故按照正常環(huán)境取值為0.3mm;也有人認為應嚴格執(zhí)行地下工程防水技術規(guī)范關于防水混凝土的裂縫寬度要求,作為第二道防水防線,同時認為一旦柔性防水層破壞,要修復比較困難,所以應取0.2mm。國家規(guī)范關于最大裂縫的控制寬度標準是這樣規(guī)定的undefined1)無侵蝕介質,無防滲要求,0.3~0.4mm;(2)輕微侵蝕,無防滲要求,0.2~0.3mm;(3)嚴重侵蝕,有防滲要求,0.1~0.2mm。本人是這樣認為的,應根據具體的工程情況而定,當?shù)叵滤惠^低,地下水主要為地表水及毛細水,防水層及混凝土結構施工質量有可靠保證,防水層外做有夯實灰土保護層,另外考慮到混凝土摻加UEA等膨脹劑時,可在結構中建立預壓應力的有利影響,為節(jié)約造價,可以按照0.3mm來控制,據目前的工程實例來看,沒有出現(xiàn)因裂縫控制寬度偏大而出現(xiàn)滲漏的情況。當?shù)叵滤惠^高,地下室常年位于地下水位以下時,應按照最大裂縫寬度0.2mm來控制。  　　  　　5. 結束語  　　以上主要針對單建的單層地下車庫設計中常見的問題進行了探討,對于兼做人防的,還應滿足人民防空地下室設計規(guī)范的要求。對于論述中有關問題的個人看法,妥當與否,還請專家同行指正。