独立基础加防水板、地下室外墙的设计

-.z.独立根底加防水板地下室外墙的设计审定：绪华苑清山覃嘉仕京诚华宇建筑设计研究院构造所二○○九年八月第一局部：独立根底加防水板独立根底加防水板的根底形式，近年来在民用建筑的单层和多层地下室构造以及荷载不大的小高层构造中应用十分广泛，本文仅就施工图中常用的设计方法，结合我院工程的具体应用情况，对其中的技术细节进展交流，为其他设计提供参考。一．独立根底加防水板的由来及概念在大面积地下车库中，柱距通常在6m～9m之间，我院的工程常用柱网为8.4m×8.4m。因跨度较大，采用整体筏板不经济，对上部构造的荷载传递也缺乏针对性，通常采用独立根底加防水板这种根底方案。独立根底加防水板，即在柱下采用独立根底，为实现防水的目的，在独立根底之间设较薄的板，此板仅起地下室地坪板和防水的作用，不承当地基反力。如此除可降低造价外，还可加大独立根底的沉降，以取得与主楼地基变形的协调。有地下室且有防水要求时，如地基承载力较高，可采用独立根底加防水板的形式。独立根底加防水板根本形式如以下图假设地基承载力较低，则可考虑采用筏形根底，筏形根底可选用有梁式或无梁式。假设筏形根底仍无法满足地基承载力要求，或是存在较大的净浮力，设计应根据地基承载力情况和抗浮要求来综合考虑是否采用桩基。则根底形式变为独立承台加防水板，如世茂地下室、河西新城区莲花村中低价房地下室等。因抗浮问题比拟复杂，涉及到荷载取值、配重经济性、基坑降水、施工顺序、抗浮桩设计、不均匀沉降控制等诸多因素，本文主要就天然地基的独立根底加防水板加以论述。二．地基承载力根据建筑资料确定根底板顶标高，预估根底厚度，查阅岩土工程勘察报告，确定根底底板所在地基持力层是否满足基底压力的要求。地基承载力的修正计算公式见"建筑地基根底设计规"条，〔5.2.4〕"地区建筑地基根底勘察设计规"中地基承载力修正公式为在确定地基承载力fa的过程中，最让设计者把握不定的是根底的埋置深度d。当采用独立根底或条形根底时，按以下规定取值：1．外墙根底埋置深度：d＝(d1＋d2)/2。2．柱根底：一般第四纪沉积土：d＝(3d1＋d2)/4；式中d1、d2分别为地下室地面起和室外地面起算时的根底深度。需要指出的是：市地基规特别规定当车库根底与主体高层建筑之根底整体相连时，为使车库沉降量不致过小，应尽量提高车库地基土的计算承载力，此时，根底埋置深度不分、外墙〔柱〕，一般取：d＝(d1＋d2)/2，详见"市建筑地基根底勘察设计规"条。假设经修正后的地基承载力fa仍无法满足上部构造荷载的需要，则需考虑打桩或者是CFG地基处理等。三．独立根底平面尺寸确实定主要依据"建筑地基根底设计规"~5.2.2条，即轴心荷载作用〔1〕偏心荷载作用〔2〕以及偏心荷载作用〔3〕实际操作时，对于纯地下室，不需考虑风荷载和地震作用，可满足(1)式即可，当中Fk+Gk可取1.0恒+1.0活。而对于小高层的裙房，通常需考虑恒、活、风各种荷载效应的标准组合，取各种不利工况，需同时满足上述〔1〕~〔3〕式。四．独立根底构件计算独立根底的构件计算主要包括底板的受冲切计算和受弯计算。1．受冲切计算冲切计算决定根底的厚度，其根本计算简图如下：荷载组合应取根本组合〔含分项系数〕，由非人防和人防工况分别计算取较大值，见算例。当柱底弯矩较大时，还需考虑弯矩作用下的冲切计算，可参见国标"建筑地基根底设计规"附录P。2．受弯钢筋计算荷载效应组合应取根本组合〔含分项系数〕，由非人防和人防工况分别计算取较大值，见算例。五．计算荷载与地基承载力相关的计算取荷载效应标准组合，与构件设计相关的计算取荷载效应根本组合，如上所述。非人防工况的的荷载效应标准组合、根本组合均可从JCCAD中读取，但是JCCAD中没有给出柱底剪力。对于纯地下室，由于不考虑风荷载和地震作用，可不考虑柱底剪力。对于多层地下室，即使地面以上存在多层构造，经过多层地下室层层衰减后，到根底顶面的剪力已很小，亦可忽略。假设无把握，可到SATWE中查取柱底剪力。在根底的冲切和抗弯计算时，需要考虑人防荷载。人防荷载的柱底力在JCCAD中无法读取，只能在SATWE中读取标准工况力。人防组合只考虑两种工况，即1.0恒+1.0人防和1.2恒+1.0人防，可以人工计算累加。荷载计算考前须知：1．按地基承载力确定根底底面大小时，只读取PKPM软件柱底最大力，容易漏掉根底本身的自重。此外，防水板自重及其上的活荷载，是否应计入根底自重，目前也存在较大的争议。我院的几个工程中，世茂和中低价房为独立桩基承台加防水板，桩基刚度明显较防水板下的天然地基要大得多，而且中低价防水板下为淤泥质土，不稳定，因此在计算时将防水板上的恒、活荷载考虑传到承台上，再传给桩基。京诚亦庄二办工程，天然地基持力层为粉质粘土，fka=150kPa，认为土质相对较好，防水板自重及其上面的荷载考虑直接传给地基，不再导入独立根底上。但是计算地基反力时，应计入根底本身的自重。2．关于消防车荷载，对于柱子和根底而言，属于间承受力构件，板顶等效荷载可按消防车实际重量除以柱网面积确定。如我院常用的柱网8.4m×8.4m，计算柱子和根底时300kN消防车等效板顶荷载可取为4.2kN/m2，近似取4kN/m2。建议在使用PKPM软件计算柱子和根底时可按以上荷载单独建模导荷。六．其他考前须知1．独立根底的厚度宜满足台阶的宽高比不大于2.5。因在计算独立根底配筋时往往直接套用"建筑地基根底设计规"中公式-4～5，该公式的受弯计算假定为独立根底一侧梯形面积的荷载对柱根〔变阶〕处的弯矩，假设根底台阶的宽高比大于2.5，根底的刚度偏小，受力状态接近悬臂构件，用独立根底计算公式偏不平安。2．根底标准组合力偏心距Mma*/N应小于1/6根底宽度，一般发生在外墙根底，由于存在水、土压力，容易出现偏心距过大的情况。3．独立根底没有最小配筋率，构造要求不小于φ10200即可4．防水板下设置聚苯板：概念设计上为实现防水板不承当或承当最小量的地基反力，防水板下应设置软垫层。软垫层一方面应具有一定的承载能力〔即应能承当防水板混凝土浇注时的重量及其施工荷载〕，另一方面应具有一定的变形能力，即充当一个缓冲变形的作用，防止防水板承当过大的地基反力。防水板下软垫层作法通常有焦渣或聚苯板，也有用中粗砂的〔莲花村A组团地块就使用中粗砂作软垫层〕。在我院设计的几个工程中，如世茂、中低价房，因独立根底为桩基承台，沉降很少或几乎没有沉降，就不存在承台拖拽防水板下沉受力的问题，因此经方案讨论防水板下取消了软垫层。5.独立根底及防水板强度计算由水浮力控制时，构造自重恒荷载分项系数可取为1.0，而水浮力分项系数取法则存在不同意见。国标地基规中当水土荷载占主导作用时相当于恒荷载起主导作用，分项系数取1.35，工业设计中的水工规取为1.27，而朱丙寅"建筑地基根底设计方法及实例分析"中取水浮力分项系数为1.4〔第187页〕。七．防水板的计算：防水板计算方法根本有三种：第一种方法为等代框架法：即将防水板模拟成框架梁，梁宽为半个柱距，梁高为防水板厚度，独立根底模拟成柱帽，输入水浮力，用PKPM进展计算。第二种方法为SAP2000建模计算：被认为是相对准确的计算方法。将独立承台和防水板分别指定为不同厚度的壳，通过输入水浮力或人防荷载，按规指定的荷载效应组合工况得出弯矩云图，再根据每延米的弯矩云图手算进展配筋。该方法因独立根底与防水板交界处壳单元厚度发生突变，有限元弯矩或应力计算结果存在明显的应力集中现象〔尤其是独立桩承台把桩也建入模型时〕，需对计算应力或弯矩结果进展适当的抹平处理前方可用于施工图配筋。如以下图第三种方法为无梁楼盖人工计算，该方法概念简单，为传统的计算方法。在世茂工程中，SAP2000计算结果进展局部应力平均后与该方法计算结果根本吻合。防水板水浮力对独立根底的影响：在独立柱基加防水板的力计算中，过去有的设计是将独立根底和防水板分别进展力计算。具体作法是：将独立柱基及防水板人为地分割成两局部，在地下水浮力的作用下，对防水板按有柱帽无梁楼盖计算，此时仅考虑水浮力对防水板的作用。独立根底在设计时与普通独立根底完全一样，即承当全部竖向荷载，而不考虑防水板的作用。而事实上，当地下水位于根底底板以上时，防水板和根底均受水浮力作用，根据力的平衡关系，不难推断，此时，独立基底下的地基反力p将减小，一局部为因水浮力的作用，防水板传给根底的剪力V〔作用在根底的边缘处〕，显然V的力臂要大于基底反力p的形心力臂，导致独立根底底板受弯钢筋加大。在水浮力较大的情况下，假设不考虑防水板水浮力的作用，是偏于不平安的。对于独立根底基底反力，目前业也有观点认为独立根底加防水板作为一个整体，基底反力仅作用在独立根底围是不对的。尤其是独立根底周边的防水板，关于其受力特性，尚存在较大的争议，有待于进一步的深入研究。这种情况与水浮力作用不同，假设水头是真实存在的，则水浮力的大小是确定的；而没有水浮力时，防水板是否参与了根底受力，参与了多少，实际上是一个地基应力扩散的问题。目前常用的手段是用SAP2000等计算软件进展整体建模分析，但是也不是说这就是一个精准的设计方法，同样也存在一些技术细节问题，如基底土弹簧的模拟，本来基床系数就是一个相对粗略的围值，其取值本身需结合工程所在场地土的特性，较大程度依赖于经历以及屡次的试算，而不是统一取PKPM通常默认的20000kN/m3。此外，对于防水板本身，其下是否也要设置土弹簧，弹簧系数是否和独立根底统一取值，也是值得商榷的计算细节。如果防水板的土弹簧与独立根底的一样，则独立根底加防水板计算实际变成了变厚度的整体筏板〔只是在柱子附近加大壳单元的厚度〕，这与当初最早提出独立根底加防水板的设计理念完全背离。八、典型防水板配筋图第二局部：地下室外墙一．计算模型地下室外墙根本计算模型为1m宽的墙单元，以各层楼板为支座的连续梁，其中上部各层楼板为简支铰接支座，底板处为固接支座。计算模型可用理正软件实现，简单便捷。二．计算荷载地下室外墙一般刚度较大，土的侧压力取静止土压力，系数一般取0.5，当勘察报告有特别说明时，按勘察报告读取，如中低价房静止土压力系数为0.7。外墙的强度计算时分项系数取法，地基规第条规定取为1.3，而国胜"多高层钢筋混凝土构造设计中疑难问题的处理及算例"中建议外墙计算时，水土荷载分项系数取为1.2(第184页)；假设地下室采用了护坡桩进展基坑支护，可考虑护坡桩的有利作用，地下室外墙可按有限土压力计算，原有土压力乘以折减0.66系数，但水压力不折减。地面超载通常取为10kN/m2。假设为人防外墙，需考虑人防荷载。四．截面的合理性截面的合理性判断：外墙钢筋计算时，竖向钢筋单面单向配筋率应控制在0.3%～1.0%；假设配筋率超出该围，一般认为墙厚需要调整。以下是我院设计的几个工程地下室外墙的根本信息：工程名称地下室层高〔m〕水头高度〔m〕墙厚〔mm〕世茂7.2/4.5/4.514.0600、400、400**于家堡5.65/4.2/4.214.50600、600、500中低价房3.95.0350亦庄二办4.150.6统一取400五．超长处理超长地下室外墙抗裂的根本措施有：控制水平通长钢筋单面单向配筋率不小于0.25%，设置后浇带，为减少砼水化热，外墙混凝土强度等级不宜超过C35。外墙钢筋：虽然计算上竖向为外墙的主要受力方向，为了获得更有利的截面有效高度h0，过去常把竖向钢筋设置在外侧。而实际工程中，当外墙较长时，裂缝大多数为竖向裂缝，为非荷载因素产生的裂缝，考虑这一实际情况，建议将水平钢筋放在外排。六．墙底弯矩处理关于墙底弯矩与底板关系：墙下布桩时墙底弯矩传给底板，不宜传给桩，防止桩受弯。为保证底板对墙的嵌固作用，底板通常应比外墙厚，至少应同样厚，以保证墙底弯矩能传给底板。假设防水板厚度小于外墙底部厚度时，宜设置变截面板进展过渡，如世茂工程中的节点处理见以下图：七．地下室外墙的裂缝控制一般情况下，在截面合理和经济配筋率围，对于荷载类别一样的荷载组合，以标准组合进展受弯裂缝验算〔裂缝限值0.2mm〕，根本组合进展受弯强度验算，则裂缝计算需要的钢筋比强度计算通常要高20%～30%。关于裂缝计算，目前工程界存在着较大的争议，对规裂缝公式的准确性和适用性，许多专家提出了质疑。但不管怎么样，在没有更准确的裂缝公式得到认可以前，作为施工图设计，按照现行规以及各地工程的设计审查要求，对构件裂缝验算仍按混凝土规裂缝公式进展。我院设计的几个工程外墙裂缝要求如下：工程名称裂缝限值mm构件受力类型备注世茂0.2压弯构件优化钢筋**于家堡无要求弯曲构件技术会议结论中低价房0.2弯曲构件地方审图强条亦庄二办0.4弯曲构件裂缝不控制配筋1．裂缝计算公式裂缝计算公式，根据"混凝土构造设计规"GB50010-2002中条：该公式的根本思路是：在荷载作用下钢筋产生的应变乘以构件的平均裂缝间距得到钢筋的伸长量，混凝土协同变形保持相应的伸长量即得到混凝土裂缝。同时公式还考虑了裂缝的不均匀性〔ψ〕，荷载短期作用、长期作用下混凝土收缩、应力松弛、徐变等因素〔αcr〕对裂缝宽度加以修正。2．裂缝宽度影响因素裂缝公式由四个局部组成，第一局部为钢筋的应变，由该局部公式可以看出，由于钢筋各个不同钢号〔HRB400、HRB335〕之间的弹性模量几乎没什么差异，因此当混凝土钢筋由裂缝控制时，一般不用三级钢筋〔HRB400〕，因为钢筋应力远未到达300N/mm2时砼裂缝就超过了规限值。假设不存在批量订货问题，可使用HRB335钢筋即可。第二局部为裂缝平均间距，由本局部公式可以看出，在配筋面积一样情况下〔即ρte一样〕，钢筋越是细而密，裂缝计算宽度越小；另外，混凝土保护层厚度c对裂缝宽度也有直接影响。开裂前混凝土和钢筋协同变形，由平截面假定，钢筋应变与混凝土边缘的裂缝宽度呈线性关系，即砼保护层c越大裂缝也越大。但从工程宏观角度看，控制裂缝其中一个重要的原因是为了保护钢筋不锈蚀，应该是保护层越厚对钢筋保护越好，为此规规定当c>65时取c=65。但是还是没有很好的解释这一矛盾，在实际的工程计算中，设计为了在计算上凑够最大裂缝宽度小于规限值，有时减小保护层厚度c比增加截面高度更有效。如**于家堡的抗拔桩裂缝验算，在华东院、院、建立部院、**市院、**华汇以及我院共同参加的技术会议中，经过讨论，在桩身裂缝验算时混凝土保