獨立基礎加防水板、地下室外墻的設計

-.z.獨立根底加防水板地下室外墻的設計審定：緒華苑清山覃嘉仕京誠華宇建筑設計研究院構造所二○○九年八月第一局部：獨立根底加防水板獨立根底加防水板的根底形式，近年來在民用建筑的單層和多層地下室構造以及荷載不大的小高層構造中應用十分廣泛，本文僅就施工圖中常用的設計方法，結合我院工程的具體應用情況，對其中的技術細節(jié)進展交流，為其他設計提供參考。一．獨立根底加防水板的由來及概念在大面積地下車庫中，柱距通常在6m～9m之間，我院的工程常用柱網(wǎng)為8.4m×8.4m。因跨度較大，采用整體筏板不經(jīng)濟，對上部構造的荷載傳遞也缺乏針對性，通常采用獨立根底加防水板這種根底方案。獨立根底加防水板，即在柱下采用獨立根底，為實現(xiàn)防水的目的，在獨立根底之間設較薄的板，此板僅起地下室地坪板和防水的作用，不承當?shù)鼗戳?。如此除可降低造價外，還可加大獨立根底的沉降，以取得與主樓地基變形的協(xié)調(diào)。有地下室且有防水要求時，如地基承載力較高，可采用獨立根底加防水板的形式。獨立根底加防水板根本形式如以下圖假設地基承載力較低，則可考慮采用筏形根底，筏形根底可選用有梁式或無梁式。假設筏形根底仍無法滿足地基承載力要求，或是存在較大的凈浮力，設計應根據(jù)地基承載力情況和抗浮要求來綜合考慮是否采用樁基。則根底形式變?yōu)楠毩⒊信_加防水板，如世茂地下室、河西新城區(qū)蓮花村中低價房地下室等。因抗浮問題比擬復雜，涉及到荷載取值、配重經(jīng)濟性、基坑降水、施工順序、抗浮樁設計、不均勻沉降控制等諸多因素，本文主要就天然地基的獨立根底加防水板加以論述。二．地基承載力根據(jù)建筑資料確定根底板頂標高，預估根底厚度，查閱巖土工程勘察報告，確定根底底板所在地基持力層是否滿足基底壓力的要求。地基承載力的修正計算公式見"建筑地基根底設計規(guī)"條，〔5.2.4〕"地區(qū)建筑地基根底勘察設計規(guī)"中地基承載力修正公式為在確定地基承載力fa的過程中，最讓設計者把握不定的是根底的埋置深度d。當采用獨立根底或條形根底時，按以下規(guī)定取值：1．外墻根底埋置深度：d＝(d1＋d2)/2。2．柱根底：一般第四紀沉積土：d＝(3d1＋d2)/4；式中d1、d2分別為地下室地面起和室外地面起算時的根底深度。需要指出的是：市地基規(guī)特別規(guī)定當車庫根底與主體高層建筑之根底整體相連時，為使車庫沉降量不致過小，應盡量提高車庫地基土的計算承載力，此時，根底埋置深度不分、外墻〔柱〕，一般?。篸＝(d1＋d2)/2，詳見"市建筑地基根底勘察設計規(guī)"條。假設經(jīng)修正后的地基承載力fa仍無法滿足上部構造荷載的需要，則需考慮打樁或者是CFG地基處理等。三．獨立根底平面尺寸確實定主要依據(jù)"建筑地基根底設計規(guī)"~5.2.2條，即軸心荷載作用〔1〕偏心荷載作用〔2〕以及偏心荷載作用〔3〕實際操作時，對于純地下室，不需考慮風荷載和地震作用，可滿足(1)式即可，當中Fk+Gk可取1.0恒+1.0活。而對于小高層的裙房，通常需考慮恒、活、風各種荷載效應的標準組合，取各種不利工況，需同時滿足上述〔1〕~〔3〕式。四．獨立根底構件計算獨立根底的構件計算主要包括底板的受沖切計算和受彎計算。1．受沖切計算沖切計算決定根底的厚度，其根本計算簡圖如下：荷載組合應取根本組合〔含分項系數(shù)〕，由非人防和人防工況分別計算取較大值，見算例。當柱底彎矩較大時，還需考慮彎矩作用下的沖切計算，可參見國標"建筑地基根底設計規(guī)"附錄P。2．受彎鋼筋計算荷載效應組合應取根本組合〔含分項系數(shù)〕，由非人防和人防工況分別計算取較大值，見算例。五．計算荷載與地基承載力相關的計算取荷載效應標準組合，與構件設計相關的計算取荷載效應根本組合，如上所述。非人防工況的的荷載效應標準組合、根本組合均可從JCCAD中讀取，但是JCCAD中沒有給出柱底剪力。對于純地下室，由于不考慮風荷載和地震作用，可不考慮柱底剪力。對于多層地下室，即使地面以上存在多層構造，經(jīng)過多層地下室層層衰減后，到根底頂面的剪力已很小，亦可忽略。假設無把握，可到SATWE中查取柱底剪力。在根底的沖切和抗彎計算時，需要考慮人防荷載。人防荷載的柱底力在JCCAD中無法讀取，只能在SATWE中讀取標準工況力。人防組合只考慮兩種工況，即1.0恒+1.0人防和1.2恒+1.0人防，可以人工計算累加。荷載計算考前須知：1．按地基承載力確定根底底面大小時，只讀取PKPM軟件柱底最大力，容易漏掉根底本身的自重。此外，防水板自重及其上的活荷載，是否應計入根底自重，目前也存在較大的爭議。我院的幾個工程中，世茂和中低價房為獨立樁基承臺加防水板，樁基剛度明顯較防水板下的天然地基要大得多，而且中低價防水板下為淤泥質(zhì)土，不穩(wěn)定，因此在計算時將防水板上的恒、活荷載考慮傳到承臺上，再傳給樁基。京誠亦莊二辦工程，天然地基持力層為粉質(zhì)粘土，fka=150kPa，認為土質(zhì)相對較好，防水板自重及其上面的荷載考慮直接傳給地基，不再導入獨立根底上。但是計算地基反力時，應計入根底本身的自重。2．關于消防車荷載，對于柱子和根底而言，屬于間承受力構件，板頂?shù)刃Ш奢d可按消防車實際重量除以柱網(wǎng)面積確定。如我院常用的柱網(wǎng)8.4m×8.4m，計算柱子和根底時300kN消防車等效板頂荷載可取為4.2kN/m2，近似取4kN/m2。建議在使用PKPM軟件計算柱子和根底時可按以上荷載單獨建模導荷。六．其他考前須知1．獨立根底的厚度宜滿足臺階的寬高比不大于2.5。因在計算獨立根底配筋時往往直接套用"建筑地基根底設計規(guī)"中公式-4～5，該公式的受彎計算假定為獨立根底一側梯形面積的荷載對柱根〔變階〕處的彎矩，假設根底臺階的寬高比大于2.5，根底的剛度偏小，受力狀態(tài)接近懸臂構件，用獨立根底計算公式偏不平安。2．根底標準組合力偏心距Mma*/N應小于1/6根底寬度，一般發(fā)生在外墻根底，由于存在水、土壓力，容易出現(xiàn)偏心距過大的情況。3．獨立根底沒有最小配筋率，構造要求不小于φ10200即可4．防水板下設置聚苯板：概念設計上為實現(xiàn)防水板不承當或承當最小量的地基反力，防水板下應設置軟墊層。軟墊層一方面應具有一定的承載能力〔即應能承當防水板混凝土澆注時的重量及其施工荷載〕，另一方面應具有一定的變形能力，即充當一個緩沖變形的作用，防止防水板承當過大的地基反力。防水板下軟墊層作法通常有焦渣或聚苯板，也有用中粗砂的〔蓮花村A組團地塊就使用中粗砂作軟墊層〕。在我院設計的幾個工程中，如世茂、中低價房，因獨立根底為樁基承臺，沉降很少或幾乎沒有沉降，就不存在承臺拖拽防水板下沉受力的問題，因此經(jīng)方案討論防水板下取消了軟墊層。5.獨立根底及防水板強度計算由水浮力控制時，構造自重恒荷載分項系數(shù)可取為1.0，而水浮力分項系數(shù)取法則存在不同意見。國標地基規(guī)中當水土荷載占主導作用時相當于恒荷載起主導作用，分項系數(shù)取1.35，工業(yè)設計中的水工規(guī)取為1.27，而朱丙寅"建筑地基根底設計方法及實例分析"中取水浮力分項系數(shù)為1.4〔第187頁〕。七．防水板的計算：防水板計算方法根本有三種：第一種方法為等代框架法：即將防水板模擬成框架梁，梁寬為半個柱距，梁高為防水板厚度，獨立根底模擬成柱帽，輸入水浮力，用PKPM進展計算。第二種方法為SAP2000建模計算：被認為是相對準確的計算方法。將獨立承臺和防水板分別指定為不同厚度的殼，通過輸入水浮力或人防荷載，按規(guī)指定的荷載效應組合工況得出彎矩云圖，再根據(jù)每延米的彎矩云圖手算進展配筋。該方法因獨立根底與防水板交界處殼單元厚度發(fā)生突變，有限元彎矩或應力計算結果存在明顯的應力集中現(xiàn)象〔尤其是獨立樁承臺把樁也建入模型時〕，需對計算應力或彎矩結果進展適當?shù)哪ㄆ教幚砬胺娇捎糜谑┕D配筋。如以下圖第三種方法為無梁樓蓋人工計算，該方法概念簡單，為傳統(tǒng)的計算方法。在世茂工程中，SAP2000計算結果進展局部應力平均后與該方法計算結果根本吻合。防水板水浮力對獨立根底的影響：在獨立柱基加防水板的力計算中，過去有的設計是將獨立根底和防水板分別進展力計算。具體作法是：將獨立柱基及防水板人為地分割成兩局部，在地下水浮力的作用下，對防水板按有柱帽無梁樓蓋計算，此時僅考慮水浮力對防水板的作用。獨立根底在設計時與普通獨立根底完全一樣，即承當全部豎向荷載，而不考慮防水板的作用。而事實上，當?shù)叵滤挥诟椎装逡陨蠒r，防水板和根底均受水浮力作用，根據(jù)力的平衡關系，不難推斷，此時，獨立基底下的地基反力p將減小，一局部為因水浮力的作用，防水板傳給根底的剪力V〔作用在根底的邊緣處〕，顯然V的力臂要大于基底反力p的形心力臂，導致獨立根底底板受彎鋼筋加大。在水浮力較大的情況下，假設不考慮防水板水浮力的作用，是偏于不平安的。對于獨立根底基底反力，目前業(yè)也有觀點認為獨立根底加防水板作為一個整體，基底反力僅作用在獨立根底圍是不對的。尤其是獨立根底周邊的防水板，關于其受力特性，尚存在較大的爭議，有待于進一步的深入研究。這種情況與水浮力作用不同，假設水頭是真實存在的，則水浮力的大小是確定的；而沒有水浮力時，防水板是否參與了根底受力，參與了多少，實際上是一個地基應力擴散的問題。目前常用的手段是用SAP2000等計算軟件進展整體建模分析，但是也不是說這就是一個精準的設計方法，同樣也存在一些技術細節(jié)問題，如基底土彈簧的模擬，本來基床系數(shù)就是一個相對粗略的圍值，其取值本身需結合工程所在場地土的特性，較大程度依賴于經(jīng)歷以及屢次的試算，而不是統(tǒng)一取PKPM通常默認的20000kN/m3。此外，對于防水板本身，其下是否也要設置土彈簧，彈簧系數(shù)是否和獨立根底統(tǒng)一取值，也是值得商榷的計算細節(jié)。如果防水板的土彈簧與獨立根底的一樣，則獨立根底加防水板計算實際變成了變厚度的整體筏板〔只是在柱子附近加大殼單元的厚度〕，這與當初最早提出獨立根底加防水板的設計理念完全背離。八、典型防水板配筋圖第二局部：地下室外墻一．計算模型地下室外墻根本計算模型為1m寬的墻單元，以各層樓板為支座的連續(xù)梁，其中上部各層樓板為簡支鉸接支座，底板處為固接支座。計算模型可用理正軟件實現(xiàn)，簡單便捷。二．計算荷載地下室外墻一般剛度較大，土的側壓力取靜止土壓力，系數(shù)一般取0.5，當勘察報告有特別說明時，按勘察報告讀取，如中低價房靜止土壓力系數(shù)為0.7。外墻的強度計算時分項系數(shù)取法，地基規(guī)第條規(guī)定取為1.3，而國勝"多高層鋼筋混凝土構造設計中疑難問題的處理及算例"中建議外墻計算時，水土荷載分項系數(shù)取為1.2(第184頁)；假設地下室采用了護坡樁進展基坑支護，可考慮護坡樁的有利作用，地下室外墻可按有限土壓力計算，原有土壓力乘以折減0.66系數(shù)，但水壓力不折減。地面超載通常取為10kN/m2。假設為人防外墻，需考慮人防荷載。四．截面的合理性截面的合理性判斷：外墻鋼筋計算時，豎向鋼筋單面單向配筋率應控制在0.3%～1.0%；假設配筋率超出該圍，一般認為墻厚需要調(diào)整。以下是我院設計的幾個工程地下室外墻的根本信息：工程名稱地下室層高〔m〕水頭高度〔m〕墻厚〔mm〕世茂7.2/4.5/4.514.0600、400、400**于家堡5.65/4.2/4.214.50600、600、500中低價房3.95.0350亦莊二辦4.150.6統(tǒng)一取400五．超長處理超長地下室外墻抗裂的根本措施有：控制水平通長鋼筋單面單向配筋率不小于0.25%，設置后澆帶，為減少砼水化熱，外墻混凝土強度等級不宜超過C35。外墻鋼筋：雖然計算上豎向為外墻的主要受力方向，為了獲得更有利的截面有效高度h0，過去常把豎向鋼筋設置在外側。而實際工程中，當外墻較長時，裂縫大多數(shù)為豎向裂縫，為非荷載因素產(chǎn)生的裂縫，考慮這一實際情況，建議將水平鋼筋放在外排。六．墻底彎矩處理關于墻底彎矩與底板關系：墻下布樁時墻底彎矩傳給底板，不宜傳給樁，防止樁受彎。為保證底板對墻的嵌固作用，底板通常應比外墻厚，至少應同樣厚，以保證墻底彎矩能傳給底板。假設防水板厚度小于外墻底部厚度時，宜設置變截面板進展過渡，如世茂工程中的節(jié)點處理見以下圖：七．地下室外墻的裂縫控制一般情況下，在截面合理和經(jīng)濟配筋率圍，對于荷載類別一樣的荷載組合，以標準組合進展受彎裂縫驗算〔裂縫限值0.2mm〕，根本組合進展受彎強度驗算，則裂縫計算需要的鋼筋比強度計算通常要高20%～30%。關于裂縫計算，目前工程界存在著較大的爭議，對規(guī)裂縫公式的準確性和適用性，許多專家提出了質(zhì)疑。但不管怎么樣，在沒有更準確的裂縫公式得到認可以前，作為施工圖設計，按照現(xiàn)行規(guī)以及各地工程的設計審查要求，對構件裂縫驗算仍按混凝土規(guī)裂縫公式進展。我院設計的幾個工程外墻裂縫要求如下：工程名稱裂縫限值mm構件受力類型備注世茂0.2壓彎構件優(yōu)化鋼筋**于家堡無要求彎曲構件技術會議結論中低價房0.2彎曲構件地方審圖強條亦莊二辦0.4彎曲構件裂縫不控制配筋1．裂縫計算公式裂縫計算公式，根據(jù)"混凝土構造設計規(guī)"GB50010-2002中條：該公式的根本思路是：在荷載作用下鋼筋產(chǎn)生的應變乘以構件的平均裂縫間距得到鋼筋的伸長量，混凝土協(xié)同變形保持相應的伸長量即得到混凝土裂縫。同時公式還考慮了裂縫的不均勻性〔ψ〕，荷載短期作用、長期作用下混凝土收縮、應力松弛、徐變等因素〔αcr〕對裂縫寬度加以修正。2．裂縫寬度影響因素裂縫公式由四個局部組成，第一局部為鋼筋的應變，由該局部公式可以看出，由于鋼筋各個不同鋼號〔HRB400、HRB335〕之間的彈性模量幾乎沒什么差異，因此當混凝土鋼筋由裂縫控制時，一般不用三級鋼筋〔HRB400〕，因為鋼筋應力遠未到達300N/mm2時砼裂縫就超過了規(guī)限值。假設不存在批量訂貨問題，可使用HRB335鋼筋即可。第二局部為裂縫平均間距，由本局部公式可以看出，在配筋面積一樣情況下〔即ρte一樣〕，鋼筋越是細而密，裂縫計算寬度越小；另外，混凝土保護層厚度c對裂縫寬度也有直接影響。開裂前混凝土和鋼筋協(xié)同變形，由平截面假定，鋼筋應變與混凝土邊緣的裂縫寬度呈線性關系，即砼保護層c越大裂縫也越大。但從工程宏觀角度看，控制裂縫其中一個重要的原因是為了保護鋼筋不銹蝕，應該是保護層越厚對鋼筋保護越好，為此規(guī)規(guī)定當c>65時取c=65。但是還是沒有很好的解釋這一矛盾，在實際的工程計算中，設計為了在計算上湊夠最大裂縫寬度小于規(guī)限值，有時減小保護層厚度c比增加截面高度更有效。如**于家堡的抗拔樁裂縫驗算，在華東院、院、建立部院、**市院、**華匯以及我院共同參加的技術會議中，經(jīng)過討論，在樁身裂縫驗算時混凝土保