1、浅谈地下室工程的结构设计优化要点分析摘要：笔者结合某工程实例，对地下室工程的结构设计进行分析探讨，望同行指导交流。 关键词：地下室工程；优化设计；结构； 中图分类号:TU3 文献标识码：A 1.工程概况 某工程地下一层，地下室基础顶面标高-5.3m，基础持力层为细砂层，地基承载力特征值 fak=200kPa ,不考虑地下水。柱网尺寸 8.4m8.4 m。 2.基础选型 根据其它项目的工程实践证明, 纯地下结构或上部多层带地下室的结构,当地基承载力及地基变形允许采用柱下独立基础时,往往采用独立基础加止水板形式比采用筏型基础要更经济。分析其原因: 采用独立基础加止水板方式充分利用了地基提供的最大承
2、载力,并通过柱下布置独立基础(单一构件)实现了传力的最短途径,同时止水板在不考虑水压(或水压很小)的情况下没有受力, 板厚及配筋仅需满足构造要求;而采用筏型基础时通常地基反力很小,远达不到地基承载力的数值,这其实也是对地基能力的一种浪费。另外其提供的反力是通过倒楼盖体系从底板、梁再传到柱底,传力途径长,需要经过不同受力构件(板、梁)传递,从而大大增加了受力构件的数量,造成浪费。当然在不同情况下采用何种基础形式最为经济合理还需要根据具体工程情况决定。 3.荷载取值 地下室结构荷载除结构自重恒荷载和使用活荷载外, 还有一些常见的荷载,如地下水对基础底板及外墙的压力荷载、土对地下室外墙的压力荷载、地
3、下室顶面消防汽车荷载等,并且由于上述荷载值往往很大。所以,这些荷载的取值对结构设计的经济性也有非常大的影响。设计时应该做到既要满足安全要求,又做到合理经济不过于保守。 4.楼盖体系 4.1 楼板的计算 目前,多跨连续楼板的设计方法有弹性和塑性两种方法,在国内各行各业的民用与工业建筑设计院中,由于面对不同类型的工程,其荷载也千差万别。如工业项目钢铁厂的使用和检修活荷载与民用项目普通楼面的活荷载差别很大。所以,目前国内设计院根据所在行业的荷载特点分别采用弹性或塑性不同的设计方法。在普通民用建筑中,采用塑性楼板设计己经被广泛应用,并且经过多年的实践经验证明,采用塑性设计方法是可行的,并且可以大量节省
4、钢筋。在设计时支座与跨中弯矩比值建议采用 1.4 较为经济合理。 4.2 次梁的布置方案比选 在地下室梁板式楼盖体系中,采用何种布梁方案为最优是设计人所关心的问题, 现以常见地下室柱距及荷载对 4 种次梁布置方案进行计算,对其材料的消耗进行对比分析如下: 某工程纯地下二层, 柱网尺寸为 8.4m8.4m,地下一层楼面均布荷载为:恒荷载 1.5 KN/m2 (为建筑面层及吊挂荷载 ,不包括楼板自重); 活荷载 4.0 KN/m2;地下室顶板均布荷载为: 恒荷载 32 KN/m2 (为地面 1.6m 覆土荷载,不包括楼板自重);活荷载 10 KN/m2; 表 1 梁、板截面尺寸 地下一层梁、板截面
5、尺寸表 方案一 方案二 方案三 方案四 X 向框架主梁/mm 500x900 500x1100 300x900 400x900 Y 向框架主梁/mm 500x900 500x1100 550x1100 550x1100 X 向次梁/mm 无 300x900 300x900 400x900 Y 向次梁/mm 无 300x900 无 无 板厚/mm 350 250 250 250 表 2 材料消耗量 地下一层楼面材料表 方案一 方案二 方案三 方案四 梁钢筋用量/kg 521 891 847 879 板钢筋用量/kg 1091 421 379 516 钢筋用量合计/kg 1612 1312 122
6、6 1395 混凝土用量/m3 15.1 13.5 13.3 12.7 对地下一层楼面进行楼盖设计,采用梁板式楼盖体系,分别采用无次梁大板、十字梁、单向双梁和单向单梁 4 种次梁布置方案,四种方案在一个柱网范围内梁、板截面尺寸详表 1，材料消耗量详表 2 及梁、板配筋如下图。 梁板配筋详图 通过上表可以看出,在上述计算条件下,采用单向双的次梁布置方案钢筋用量最优,混凝土用量也较优,建议优先采用。 需要指出的是,由于地下室顶板荷载较大,使计算所需的各梁截面尺寸差别也较大。为使梁截面尺寸合理,避免承载力不足或富余量过大,在上面几种方案中,对不同的框架梁采用了不同的截面尺寸,有的差别较大,这样会一定
7、程度影响几种方案材料用量的对比。同时由于地下室顶板混凝土有抗渗要求,顶板最小厚度不小于 250mm。 通过上表,可以看出几种方案的混凝土用量差别很小。钢筋用量上,除方案二采用十字布梁用钢量稍大外,其余几种方案差别也在 2%以内。但方案三、四的框架梁最大高度为 1100mm,相比方案一 900mm 增大较多,这样做会增加层高减小使用净空,并不合理。综合考虑,采用方案一无次梁方案不仅材料用量较小,并且梁高较小,无次梁也便于施工, 较为合理, 建议优先采用。 4.3 无梁楼盖 根据计算的材料消耗量，混凝土 17.8m3，钢筋用量 1827kg。对比表2 可以发现,无论混凝土用量还是钢筋用量,无梁楼盖
8、都比梁板式楼盖有一定幅度的增加。在工程实践中,由于设计人往往对无梁楼盖采用比较保守的截面和配筋,这样使其材料消耗量更大。无梁楼盖的优势在于可以大大增加建筑使用净空,减小层高,从而获得综合的效益。 5.构造措施 5.1 抗震等级 在结构中设计中,采用不同的抗震等级以及相应的抗震措施对成本控制有着非常大的影响,所以地下结构的抗震等级应严格按照抗震规范的规定:当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下一层的抗震等级应与上部结构相同,地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级,但不应低于四级。地下室中无上部结构的部分,抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。不应随意提高抗震等级。 5
9、.2 钢筋连接 钢筋的连接可以分为：绑扎搭接、机械连接和焊接。在工程实践中，搭接连接施工方便,且一般不致出现如焊接或机械连接那样人为失误的可能性，是一种较好的钢筋接头方法，但其缺陷也时分明显:在钢筋密集的部位采用搭接连接会使混凝土浇捣非常困难，同时钢筋直径较大时其需要的搭接长度也非常可观，并且在搭接长度范围内构件的箍筋也需要加密，所以搭接连接的钢材消耗较大，并不经济； 机械连接和焊接成本相对均较低，实际工程中，人工焊接对现场技术要求较高，需要注意控制质量; 机械连接的技术己比较成熟，质量和性能比较稳定。建议优先采用机械连接。 5.3 构件的配筋 钢筋是混凝土结构中用量大且价格昂贵的材料，设计者在构件配筋时应物尽其用，使钢筋合理配置，尽量控制在经济配筋率以内，充分发挥其作用。 6.结束语 结构设计优化不应将结构体系生硬的拆分成基础、梁板、墙柱等构件孤立的分析。组成整个结构体系中的各个构件设计是相互关联的。设计者需要综合考虑各方面因素来确定合理结构方案,经过精心设计才能达到安全可靠、经济合理，取得较好的综合经济效益。 参考文献 1徐建，等.建筑结构设计常见及疑难问题解析M.北京: 中国建筑工业出版社，2009. 2建筑结构荷载规范（GB5009-2012） 3混凝土结构设计规范（GB50010-2010）
