・28・ 第39卷第25期 2 0 1 3年9月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE V0l_39 No.25 Sep. 2013 文章编号:1009—6825(2013)25-0028—03 高层建筑地下室外墙的设计 李 刚 《艾奕康咨询(深圳)有限公司上海分公司,上海200040) 摘要:通过对高层建筑地下室外墙的受力和边界条件的分析,介绍了工程设计中地下室外墙的分析模型和实用计算方法,分析 了地下室外墙混凝土裂缝的形成原因,提出了控制裂缝宽度的措施,并针对工程实际,总结了一些结构设计要点,给出了相应的配 筋构造,供广大结构设计人员参考。 关键词:地下室外墙,荷载,边界条件,裂缝宽度,配筋,结构设计 中图分类号:TU972.8 文献标识码:A 0引言 侧压力近似认为从室外地面至基础底面均匀分布 J,其值可按静 可取为静止土压力系数, 随着高层建筑层数的不断增多,地下空间的利用尤为重要。 止土压力考虑,为 =go×P(其中, 地下室在平时主要用作地下停车库,安置设备用房(如发电机房、 ro=O.5)。风机房、配电间、水池及水泵房、空调制冷设备等)。由于其功能 1.1.2侧向土压力 目前工程中采用的土压力计算理论主要有朗肯(Ran Kine) omb)理论。土压力的大小及分布规律取决于挡 盲目加大墙厚,增大墙体配筋的问题。本文着重讨论了地下室外 理论和库仑(Coul墙的设计荷载和计算模型,墙体裂缝的成因及预防措施,并就墙 土结构的位移方向、大小及土体所处的平衡状态。地下室外墙因 体计算的有关问题进行讨论,提出建议,供结构设计人员参考。 有楼盖结构或内隔墙的约束,外侧土体由于外墙的侧限作用而处 的多样性且影响因素众多,致使结构设计人员在工程设计中存在 1 荷载及荷载组合 1.1 荷载 地下室外墙承受的荷载主要分为竖向荷载和水平荷载。竖 于弹性平衡状态,故地下室外墙承受的土压力可近似认为静止土 压力。 侧向土压力的取值与地下室基坑支护的方式密切相关。当 无护坡桩或地下连续墙支护时,地下室 向荷载主要有上部结构和地下室结构的自重及楼盖结构传来的 地下室采用大面积开挖,荷载。水平荷载主要有室外地面活荷载、侧向土压力及水压力。 外墙承受的土压力宜取静止土压力。当地下室采用护坡桩或地 地下室外墙土压力可考虑基坑支护与地下室外 除此之外,地下室外墙在施工期间还受施工荷载、温度作用及混 下连续墙支护时,凝土收缩、徐变作用等。在实际工程设计中,竖向荷载、温度作用 墙的共同作用按静止土压力乘以折减系数0.66近似计算 J。在 及混凝土收缩、徐变对地下室外墙平面内产生的内力较小,一般 实际工程中,主体结构设计往往超前于基坑支护结构设计,故一 不起控制作用,地下室外墙截面主要由水平荷载产生的弯矩控 般不考虑支护结构的有利作用而按静止土压力考虑。制,且一般不考虑水平荷载与竖向荷载的组合作用,仅按墙板弯 1.1.3 水压力 地下室外墙所受的水压力通常可按工程场地的地质勘察报 曲模型计算墙体截面及配筋“J。 告中建议的抗浮水位取用。但有时因降水影响使得勘察期间的 此时应根据建筑物所在的地理位置、气 室外地面活荷载等效为外墙所受侧压力。在民用建筑设计 水位低于实际最高水位, 中,室外地面活荷载P一般按不小于10 kN/m2考虑。如果室外地 候条件、地质条件及场地历史水位资料综合确定地下水位。1.1.1 室外地面活荷载 面为通行车道,还应考虑行车荷载。对于重载地面或有特殊荷载 地下室外墙的荷载简图如图1所示。 要求的地面,应按实际情况综合考虑 J。计算室外地面活荷载产 1.2荷载组合 GB 50009-2012建筑结构荷载规范规定,结构设计应根据使 生的墙体侧压力时,可将地面活荷载P换算为等效土层,其等效 按承载能力极限状态和 高度为 =p/y(其中y为土体的重度),该等效土层 产生的 用过程中在结构上可能同时出现的荷载,CFD numerical simulation of points pressure on TTU test building★ ZHAO Dou.dou’ YANG Li’--LI Ya.nan’ (1.School ofEnvironment and Architecture ftohe Unive ̄ity ofShanghaifor Science and Technology,Shanghai 200092,China;2.College f oArchitecture and Urban Planning fTonalo Universtiy,Key Laboratory fEcoology and Energy—Eficfeint Study fDenose Habitat,Ministy rf oEducation。Shanghai 2Ooo92,China) Abstract:In order to study the wind pressure distribution of the low・rise building,the RNG K一8 model was adopted as the turbulent model of TrU.The results were compared with the wind tunnel test and field measurements.Results show that diagonal wind would lead a serious sepera- tion phenomenan,thus a negative pressure zone occurs in the location of windward side.In general,the results obtained from simulation match well with the wind tunnel test as well as ifeld measurements.and CFD numerical simulation can accurately predict the wind lfow and average wind load,which can be applied in designing of real projects. Key words:numerical simulation,RNG K.s model,wind tunnel tests 收稿日期:2013—06-24 作者简介:李刚(1984一),男,工程师 第39卷第25期 2 0 1 3年9月 李刚:高层建筑地下室外墙的设计 ・29・ 正常使用极限状态分别进行荷载组合,并取各自的最不利组合进 正常使用状态下均会出现裂缝。这是因为混凝土中的水泥和骨 行设计。 p 注:q 为地面活荷载产生的侧压力;q ,为地下水位以上土压力; q z为地下水位以下土压力;q  ̄7.k/I,J3 图1地下室外墙荷载简图 同时人防属于偶然工况,不必进行裂缝宽度验算。在正常使 用状态下,则必须进行裂缝宽度验算。地下室外墙外侧与水、土壤 等直接接触,裂缝宽度应按0.2 nlin控制,地下室外墙内侧为室内 环境,裂缝宽度应按0.3 mill控制。通常在计算地下室外墙竖向钢 筋时,裂缝宽度计算起控制作用。如果地下室外墙内、外侧裂缝宽 度均按0.2 mln控制,势必造成内侧配筋的浪费。 对于荷载分项系数的取值,工程界意见不一_2 J。笔者认为: 对于室外地面活荷载,其分项系数应取1.4;土压力引起的效应为 永久荷载效应,根据GB 50009-2012建筑结构荷载规范,当永久荷 载效应对结构不利时,对由可变荷载效应控制的组合,其荷载分项 系数取1.2;对由永久荷载效应控制的组合,其荷载分项系数取 1.35;对于水压力,其荷载分项系数可取1.2。 2边界条件 由于建筑类型、结构平面布置、柱网间距以及地下室外墙与地 下室顶板和底板抗弯刚度比值的不同,地下室外墙的受力状况也 不尽相同 。笔者结合工程实践和相关文献,认为地下室外墙的 支承条件可按如下原则简化: 通常,地下室外墙厚度小于地下室底板的厚度,且墙底均设有 基础梁,可将墙体与底板相接处按嵌固端处理;而地下室顶板板厚 较薄,比地下室外墙厚度小,难以实现墙顶固接条件,故地下室外 墙与顶板相接处一般按铰接处理。地下室中间层也因楼板板厚较 薄,按连续铰支座考虑。当地下室外墙内侧布置楼梯间、坡道时, 由于楼板缺失无法对外墙提供约束而将其按悬臂端处理。地下室 外墙墙体间应根据边柱尺寸确定是否作为支座。当边柱可以作为 外墙支座考虑时,还应考虑外墙水平荷载产生的附加弯矩对边柱 计算的影响。 地下室外墙根据实际支承情况,按上述原则确定计算简图,按 双向板或单向板计算。具体计算公式可参见《建筑结构静力计算 手册》,本文不再赘述。 3地下室外墙混凝土裂缝的形成原因及控制措施 目前大多数工程都采用预拌混凝土进行施工,混凝土在预拌 站拌制后再运至施工工地,故对混凝土坍落度的要求较传统自拌 混凝土高,因而有效防止和控制混凝土早期变形裂缝的出现和开 展,显得尤为重要。 3.1 裂缝种类及形成原因 3.1.1 混凝土自身微裂缝 混凝土是由水泥作胶凝材料,砂、石作骨料,与水、外加剂等 按一定比例配合后组成的非均匀材料,具有抗压强度高、耐久性 好、强度等级范围宽等优点,但其抗拉强度低,易开裂。由于混凝 土在凝结硬化过程中就会出现微小裂缝,因而钢筋混凝土构件在 料由于弹性模量的不同,在温湿度变化条件下将产生不均匀的体 积变形,而它们又由于胶凝材料的作用互相粘结在一起不能自由 变形,便产生了约束应力。当约束应力超过水泥和骨料间的粘结 强度或水泥自身的抗拉强度时,就会产生微裂缝 。 3.1.2 收缩裂缝 混凝土水化过程中引起的温度变化以及蒸发泌水等作用贯 穿于混凝土浇捣全过程中,将产生混凝土收缩变形。由于混凝土 早期强度较低,抗拉强度更低,加之地下室外墙属于超长结构,收 缩变形较大,所产生的拉应力往往超过混凝土抗拉强度,所以在 地下室外墙拆模后容易出现裂缝。同时,在水平方向由于收缩变 形受到地下室底板的约束,地下室外墙不能自由收缩,因而会产 生收缩裂缝,而且收缩应力与地下室外墙的长度成正比,严重时 会产生贯穿外墙的有害裂缝 J。 3.1.3 温度裂缝 混凝土凝结硬化期间,伴随水泥等产生的水化热,混凝土温 度升高体积膨胀;其后由于水化作用逐渐减弱,表层混凝土温度 下降产生收缩,由此将在外墙表面形成较大的温度梯度,墙体便 产生表面拉应力。而此时混凝土早期抗拉强度较低,当温差产生 的表面拉应力超过混凝土的抗拉强度时,便会在混凝土表面产生 温度裂缝 。 除此之外,地下室外墙混凝土的材料选用、混凝土配合比、施 工环境、混凝土的浇筑、养护工艺及措施等都会影响墙体裂缝的 形成和开展。 3.2裂缝控制措施 3.2.1 减少水泥用量 由于混凝土的水化温度与单位体积混凝土内的水泥用量有 关,因此,降低水泥用量可降低混凝土的水化温度,预防混凝土裂 缝的产生。在保证混凝土强度及耐久性要求的前提下,通过掺入 适量的高性能磨细矿粉,取代部分水泥。磨细矿粉的掺量可达到 胶凝材料的30%一40% J。 3.2.2 采用补偿收缩混凝土 在普通混凝土中掺人适量的膨胀剂,以补偿混凝土早期收缩 变形。当混凝土的膨胀值扣除最终收缩值大于混凝土的极限拉 伸值时即可控制裂缝。 3.2.3设置膨胀加强带 考虑到混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会与混凝土的早期收 缩变形完全补偿,通过在结构预留的后浇带部位浇筑补偿收缩混 凝土,以实现超长混凝土连续浇筑无缝施工而设置连续式膨胀加 强带。根据工程经验,一般超过60 m便需设置膨胀加强带。 3.2.4 联合采用后浇带和伸缩缝 高层建筑地下室外墙设置后浇带和伸缩缝是一项有效预防 墙体裂缝的技术措施。不但可以减少温度收缩对高层建筑带来 的不利影响,而且有利于混凝土早期释放约束力,防止收缩裂缝 和温度裂缝。 值得注意的是,后浇带在施工中容易出现烂根的现象,从而 极易从此部位漏水。为了防止烂根的出现,提出如下施工方案: 在后浇带预留处底部预先铺设100 mm厚的水泥与细砂的干拌合 物,这样可以在施工浇筑前把地下的渗水吸干,然后再浇筑混凝 土后浇带。实践证明,这一措施可有效防止烂根现象的发生” 。 3.2.5结构设计要点 由于地下室外墙受底板和顶板的约束,混凝土膨胀不一致, ・30・ 第39卷第25期 2 0 1 3年9月 山 西 建 筑 4)对于前述地下室外墙的收缩裂缝,设计时可采取如下措施 可在墙体中部设置一道水平暗梁抵抗拉力;同时,为了提高地下 室外墙混凝土的抗拉能力,可以采用在混凝土中增加抗变形钢 进行控制:地下室外墙混凝土强度等级不宜超过C40,并掺入适量 筋、在地下室外墙中增加水平温度筋等措施以有效预防墙体裂缝 的微膨胀剂以减少混凝土自身的收缩;同时每隔30 m一40 m设 的产生。 - 置施工后浇带,施工时应加强养护,减少外墙暴露时间。 5)地下室外墙的水平和竖向钢筋,单侧在满足受弯构件最小 3.3地下室外墙混凝土裂缝的修复措施 地下室外墙如果出现裂缝应首先确认裂缝性质并记录裂缝 配筋率要求的基础上还应满足计算要求。同时应双层双向布置,50 mm,配筋率不宜小于0.3%。内、外侧水平钢筋 的出现时间、位置、发展情况、长度、宽度、深度等,在裂缝稳定后 间距不大于1n的梅花形拉筋。墙体外侧水平钢 再及时处理。处理的方法有表面处理法、高压灌浆法、填充法和 之间应设置间距不大于600 ml加固补强法。 筋宜在内墙间跨中附近搭接,内侧水平钢筋宜在内墙处搭接。而 /4—1/3层高处搭接,内侧竖向 表面处理法适用于浆材难以贯入、深度未达到钢筋表面的微 墙体外侧竖向钢筋宜在距楼板1 细裂缝,通常裂缝宽度不大于O.2 mm。处理时用钢丝刷、碎布等 钢筋在楼板处搭接 J。预先除去混凝土表面的污物和灰尘,用清水冲洗干净,干燥后用 5结语 腻子刀在裂缝表面涂刮约50 mill宽的灌浆树脂。 由于地下室外墙的影响因素较多,本文仅介绍了大多数工程 高压灌浆法适用于裂缝宽度大于0.2 mm、深度较深或贯通 中的地下室外墙的设计。对于防空地下室,外墙设计除本文所述 外,尚应根据战时所规定抗力等级的等效静荷载进行承载力计 算,并取控制条件设计。 同时,采用高压灌浆法修补墙体裂缝时,灌浆压力应逐渐增 针对高层建筑地下室外墙的设计,本文介绍了墙体所受荷载 大,否则容易使浆液在缝隙中流动过快形成短路,空气不能排出。 和边界条件,墙体裂缝的成因及预防、修复措施,并从工程设计角 恢复结构的整体性、耐久性及防水性。 而且修补浆液宜随用随配,以免粘度增大,造成灌浆困难” 。 度提出了一些设计要点,供结构设计人员参考。 填充法适用于较宽裂缝(30.4 mm)和接缝的修补。对宽度 参考文献: 小于0.4 finn且深度较浅的裂缝或是裂缝中有杂物,灌浆很难达 [1]徐至钧.高层建筑地下室墙的设计探讨[J].建筑结构,1997 的裂缝。采用空气压缩机将修补浆液、水泥浆灌入裂缝深部,以 到效果的裂缝,可先把裂缝凿成V形槽,并用钢丝刷刷干净,将水 (12):37-加. 泥砂浆捣实后填充处理,最后在裂缝两侧各加150 mm宽的范围 [2] 纪福宏,郭惠琴.混凝土结构地下室外墙的设计[J].山西建 做防水附加层。 筑,2005,31(6):34-35. 加固补强法与一般的裂缝处理方法不同,要求恢复结构因裂 [3] 李国胜.简明多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处 缝而导致承载力降低的情况,除封闭裂缝外,还应对结构进行加 理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社,2000:47-58. 强,应有详细的加固设计及施工方案,采取恰当的方法进行处理, 包括粘钢法、预应力法等。 [4] 李国胜.高层钢筋混凝土结构设计手册[M].北京:中国建 筑工业出版社。1998:131—137. 4设计要点 1)本文前述地下室外墙按底部固支、顶部铰支的模型考虑只 水板而厚度相对较薄时,甚至无地下水而不设底板时,只能按半 [5] 李秋红,袁志仁,卢成康.高层建筑地下室墙体设计探讨 [J].长春工程学院学报(自然科学版),2003,4(1):20-22. 筑结构,1999(7):37-42. 是针对大多数工程底板较厚、顶板较薄时的情况。当底板仅为防 [6] 赵国选.高层建筑地下室外墙配筋的实用计算方法[J].建 嵌固或铰支计算 “。 2)由于地下室外墙内、外侧所处的环境条件不同,而地下室 分开配筋,外侧的裂缝宽度按0.2 mm控制,内侧的裂缝宽度按 内侧钢筋用量,造成不必要的浪费。 设计底板时,将底板外伸一定尺寸(通常1 m一2 m),通过其上覆 处沿外墙长度方向加强底板的配筋。 [7] 李华仁.论地下室外墙混凝土的施工裂缝产生原因及防控 措施[J].建筑科学,2008(12):82. 外墙的配筋往往由裂缝宽度控制,因此,地下室外墙内、外两侧应 [8] 李天山,阎绍荣.混凝土地下室外墙裂缝的预防及处理[J]. 建筑科学,2008(20):51. 机理及控制措施[J].结构工程师,2006(6):88-91. 施[J].建筑结构,2009(1):105-107. 2008(6):31.32. 0.3 mm控制。如果内、外两侧均按O.2 mm控制裂缝,势必增加 [9] 朱圣好,谢小松.高层建筑地下室外墙施工期温度裂缝产生 3)对大多数工程,由于地下室外墙与底板间假设为固支,在 [10] 刘国勇.高层地下室RC墙体变形裂缝原因分析及防治措 土来平衡一部分弯矩。同时应考虑节点的弯矩平衡,通常在节点 [11] 练贤荣.地下室外墙设计的几点体会[J].深圳土木建筑, ・The design of basement wall of high-rise building LI Gang (Shanghai Branch,Aecom Consultant(Shenzhen)Co.,Ltd,Shanghai 200040,China) Abstract:Based on force-analysis and boundary conditions of basement wall in hish-rise building,some analysing model and practical calculation methods for engineering design are presented.The cause of concrete crack existing in the basement wall ale analysed.Some advices and methods of controlling the concrete crack-width are igven in the paper.According to practical engineeirng.some structure desin gpoints lea presented and the details of reinforcement of basement wall are illustrated in the paper.These could be served as references for many structural engineers. Key words:basement wall,load,boundary condition,crack-width,reinforcement,structure desin g