孙殿宇 倪伟杰 刘 斌 任光勇

浙江绿城建筑设计有限公司 浙江 杭州 310013

1 引言

当前民用建筑结构中，地下空间已经被广泛利用。在经济效益、建造技术发展的推动下，新开发的地下室在深度、层数上屡屡突破，目前在中大型城市中，超过3层、10m的地下室已不在少数，更有部分重要项目，地下室基坑深度超过30m，层数达到5层以上。考虑地下室流线设计的经济性，汽车坡道往往会紧贴外墙布置在地下室边缘或角部。对于单层或埋深较浅的地下室，地下室水土侧压力较小，传统设计中的坡道结构构造基本上能够满足水平力的传力要求。然而，对于多层地下室，由于基坑深度的增大，其受水平力作用相较单层地下室要大很多，这种影响是传统设计方法中所忽视的。因此，本文以杭州市某项目多层地下室为例，采用有限元分析方法，分析了水平力作用对地下室汽车坡道结构的影响，并根据分析结果采取了相应的设计措施。

2 工程概况

地下室共六层，由下至上层高分别为4.8m、4.0m、3.9m、4.1m、5.5m、4.3m，其主要功能为商业、停车场、设备用房等。顶板顶相对标高-1.800，底板顶相对标高-28.400，室外覆土面相对标高-0.300，抗浮水位相对标高-0.800。1#坡道典型平面布置如图1-图2所示，呈L形，从B6盘旋升至B1，共5层板，坡道净宽为7.5m，转角位置最大跨度约为12.7m。其中A轴和7轴为地下室外墙，采用1200厚地连墙，混凝土标号C35。基础采用桩筏基础，底板厚度1800mm-2600，混凝土标号C40。楼层板厚度：B5、B4层200-250mm厚，B3为150-250厚，B2及以上为120-150厚。坡道板厚度：B6-B3为200mm厚，B3-B1为180-150mm厚。各层主要楼层梁尺寸300x700-500x900，坡道梁尺寸400x600。坡道内侧设有400mm厚结构墙以及框架柱，框架柱尺寸为600x600-1000x1000。混凝土标号：地下室梁板混凝土标号C35。地下室内墙柱根据主楼混凝土等级取C35-C60不等。

图1 1#坡道标准层平面图

图2 1#坡道剖面展开图

3 结构受力分析

地下室外围侧压力作用主要考虑以下几个方面：1、土体的侧压力；2、地下水的侧压力；3、地面堆载； 4、人防等效荷载作用。其中，1和2作用的大小均与地下室埋深成正相关。侧压力首先作用于地下室外壁的墙、柱上，进而传递至水平构件内（楼层梁板、基础及底板）。然而，汽车坡道作为错层构件，无法有效的直接与水平构件传递围压力，而是通过以下两种路径传递[2]：路径一：通过坡道板自身的面内抗弯刚度，传递至坡道板两端的楼层板上。此时，地下室外墙、坡道板以及坡道板内侧梁（墙）组成一个水平放置的受弯构件（图2 1-1剖面），其中地下室外墙为受压翼缘，坡道板为腹板，坡道内侧梁（墙）为受拉翼缘；路径二：先由坡道板传递至坡道内侧的竖向构件上，再由竖向构件传递至楼层板中。路径二会对地下室内的竖向构件产生错层的水平力，其受力较为复杂和不利。

4 计算结果

本工程采用MIDAS GEN有限元分析软件对坡道受力情况进行分析[1]。计算中梁、柱采用梁单元模拟，结构墙、板采用板单元模拟。本工程土压力按静止土压力考虑，侧向土压力系数取0.5[3]。考虑水土压力分算。水土侧压力按考虑深度的梯度压力荷载输入作用于外墙板单元节点，其中土压力为9.5-142.5kPa，水压力为9.8-270.5kPa。模型建入坡道及周围地下室局部4-5跨，考虑外围水平压力作用的对称性，设置地下室内侧板边节点在对应水平压力方向上的位移自由度为0；考虑底板摩擦力和桩基对底板变形的约束作用，约束底板节点XYZ三向位移。

由计算结果可知，在水平力作用下，地下室外墙中下部变形大、角部和墙顶底变形较小（图3），其中，最大侧向位移产生于B4-B3之间，为4.92mm。这种现象有别于文献[4]中描述的外墙变形特征，即“楼板支撑处没有水平位移”，各“楼层中部发生弯曲变形。”分析其原因，是由于：1、水土压力随埋深增大而加大，一定程度上墙体变形随埋深增大；2、外墙角部和底板提供了较大的面外刚度，对墙体变形有较大的约束作用；3、由于错层结构的存在，楼层板不连续，楼板位置刚度不足以约束外墙的水平变形。

图3 地下室外墙水平位移（mm,视角1）

坡道板在水平力作用下呈面内受压状态。坡道板平面内外侧存在一定的应力差（外侧压应力大，内侧压应力小），证明侧压力能够通过路径一传递。当仅在侧向力作用下，坡道板应力集中区域主要出现于1）地下室角部坡道梁附近和2）坡道与楼层板交接的位置，最大压应力出现于B5-B4坡道板外侧靠近转角处（图4），为13.3MPa，经验算C35混凝土强度满足设计要求。

图4 B5-B4坡道板及周围楼板σmin（Mpa）

在竖向力和水平力组合工况作用下，坡道梁处于压弯状态，最大轴力出现于B5-B4层KL1，为2193kN（图5）。

图5 坡道梁轴力（kN.视角1坡道局部）

在水平力作用下，坡道内侧柱错层位置产生弯矩和剪力。当坡道板位于楼层中部位置时柱中产生较大弯矩，而当楼板与坡道板标高接近时剪力较为显著。以KZ1为例（图6），最大弯矩位于B4下方坡道板处，为722.9kN·m；最大剪力位于B4层楼板与该坡道板之间，为742.6kN。

图6 KZ1左：弯矩图（kN·m）;右：剪力图（kN）

水平力作用下，坡道内侧结构墙受力情况如图7所示。最大正负弯矩分别出现在各层楼面板和坡道板处。控制截面为B4楼板处，最大弯矩为479kN·m/m，最大剪力为890kN/m。

图7 坡道内侧结构墙 a：弯矩图（kN·m）b：剪力图（kN）

根据以上分析计算可知：1、对于本工程中的深基坑地下室，水土侧压力作用非常显著，对外墙、楼层和坡道梁板、坡道内侧墙柱均有着显著的影响，设计时不能忽视；2、受水平力作用最不利的位置并非位于底部楼层，而是位于中下部的楼层位置。本例中外墙变形最大位置位于B4-B3楼层之间，构件受力最显著的位置位于B5-B4楼层之间。本设计针对以上分析结果做如下加强：1）坡道板按计算结果加厚至180-200，双层双向配筋，并针对应力集中区域适当加强分布钢筋；2）坡道梁按压弯构件设计，纵筋、箍筋满足压弯构件构造要求；3）坡道内侧柱按压弯构件设计，复核抗剪承载力满足要求；4）坡道内侧增设400mm厚结构墙，设计考虑其面外弯剪受力，特别对剪力墙中剪力较大区域设置加强带，通过加密水平拉结筋等措施提高其抗剪承载力（图2）。设计过程中的试算还表明：1、当外墙厚度、配筋不足，或临外墙坡道结构刚度不足时，外墙变形过大，可能导致外墙开裂、渗水甚至破坏；2、当坡道梁板尺寸不足、配筋不合理时，可能会发生受压或压弯破坏；3、当坡道内侧竖向构件尺寸不足、配筋不合理时，在错层水平力的作用下会发生弯、剪破坏。特别需要指出的，当坡道内侧仅设置结构柱，不设置结构墙的情况下，柱水平剪力可达到2000kN以上，仅通过加大柱尺寸很难同时满足承载力和建筑空间的要求。

5 结论和建议

当地下室埋深较大时，对于相邻地下室外墙的汽车坡道等错层结构，水土作用对产生的侧压力作用不容忽视，在设计中应予以充分考虑。除外墙、坡道梁板应根据计算适当加强以满足承载力要求外，对错层薄弱位置应当重点关注，主要有：1、坡道与楼层交接处的梁板往往有应力集中，设计应予以加强；2、坡道内侧错层柱需要充分考虑错层水平力进行截面、配筋设计，必要时坡道内侧错层位置增设钢筋混凝土墙。