本文以某一工程为案例,介绍了两种建筑半地下室框架结构设计方案,同时对这两种设计方案进行了计算结果对比、整体模型受力分析等,而后又提出了相应的设计措施,希望能够为半地下室框架结构设计人员提供借鉴。

某学校教学楼工程,建筑功能主要以教学、试验为主,地上5层,地下1层(半地下室),结构总高20.95m。按照某市建设“关于提高学校医院等人员密集场所建设工程抗震设防标准的通知”,所有7度(0.15g)的学校建筑均按8度(0.2蔚设计。框架结构抗震等级为二级,屯类场地土。室内地坪为±0.000m,室外地坪为-1.450m,地下室结构底板上皮标高为-4.100m,地下室建筑地坪为-3.900m,地下室结构层高4.1m。
一、计算模型与分析
 
1模型的建立与计算结果对比
 
该建筑工程要求地面以上窗户的高度为30cm,同时要保证窗户沿着两柱贯通,要想满足这一要求,地下水挡土墙与顶板之间都不能相互连接。正是因为如此,该工程的模型嵌固端,无法充当地下室顶板,嵌固端应该设计到顶面之上,地下室有245cm深入地下。
 
此次工程中共有两种模型设计方案:
 
第一种模型方案,根据6层框架进行相应的设计,既不设计挡土墙,也不设计地下室。使用PKPM软件来进行模型设计,输入参数数据时,地下室层数一栏填写0。
 
第二种模型方案,输入参数数据时,地下室层数一栏填写1。高位窗根据剪力墙开洞方式来进行处理。通过计算分析比较发现,如果考察整体指标,则第二个设计模型方案比较好,第一种设计模型方案存在着不安全因素;
 
第二种模型方案因为是剪力墙结构,而且参数数据是一层地下室,此时就会明显出现侧向刚度突变的问题,弯矩与第一种模型方案相比,明显要大;
 
第二种模型方案框柱内力值与第一种模型方案相比,明显很大,横向纵筋与竖向纵筋,第二种模型方案都要比第一种模型要打,但是框柱箍筋这两种模型方案都没有明显差异。
 
2整体模型受力分析
 
因为第二种方案中需要设计挡土墙,而挡土墙的刚度非常大,同时受到周围土体非常大的约束,所以地层侧向刚度要非常大。此时就框架来说,刚度难以均匀,地上一层是最为重要的突变位置,因此非常容易出现剪切破坏。因为挡土墙与框架柱存在着比较大的约束力,而底层框柱同时会受到水平荷载的影响,这就使得窗户高度范围转变为短柱,同时剪跨比非常小,能够将其看作是短柱,如果发生地震,短柱常常会造成斜拉破坏。所用的PKPM软件并没有对小孔洞加以考虑,这与工程的显示要求并不相同。如果高窗能够贯通,框架梁无法与剪力墙进行连接,则第二种模型设计方案的梁内力不会如模型中计算的那么小。
 
二、整体模型设计措施
 
地下室挡土墙进行开洞处理后,会出现短柱,此时挡土墙抗震效果并不好。如果施工场地能够满足要求,挡土墙与主体结构可以不连接,相互脱离,换言之,就是与主体相差一段距离后,再进行砌体砖墙。主体结构并不连接挡土结构,这样即便发生地震,两者也不会发生碰撞。但是施工场地无法满足要求,所以上述方法并不能实现。如果设计地下室剪力墙,则外圈框架柱必须要提高抗剪能力,这就需要设计人员对框架柱进行全高加密处理,如果有需要还需要入型钢芯柱。
 
对于没有开洞的剪力墙,需要依据水平长度大小来进行设计,如果水平长度比较小,则可以设计成暗柱,能够上下贯通,这是由于窗户的受力情况与短柱基本上相同,为了能够防止地震发生时,暗柱发生拉裂,设计人员应该增加抗剪箍筋。站在整体指标角度来考虑这一问题,模型一的确存在着安全隐患,而整体框架梁柱是根据第一种设计方案获得的。
 
但是因为地下室挡土墙能够为整体结构提供刚度,使得地上一层变为集中的刚度突变位置,第二种模型方案框梁内力要明显高于第一种设计方案。所以现实设计过程中,设计人员为了能够满足结构要求,需要将这两个方案有效结合,进行包络设计。
 
三、地下室挡土墙计算分析
 
地下水位非常低时,挡土墙与框架柱就能够进行有效的连接,而且还能够进行设缝,但是此种现状基本上不会发生。通常情形都是,挡土墙与框架柱直接设计成为固接或者是铰接的方式。挡土墙上端因为需要开窗,变为自由端,墙下端与底板相连接,因此可以进行固接处理。挡土墙与框架柱相连接时,横向方向上会受到很多压力的影响,第一个就是直接测压力,第二个就是间接侧压力。如果梁柱的侧向刚度非常大,间接侧压力更加的突出。
 
但是如果挡土墙与框架柱并没有设置任何的缝隙,则不会出现侧压力,如果两者相互连接,即使是铰接处理,依然会出现间接侧压力。设计人员采用简化计算方法,将地下室挡土墙共角形荷载等效为矩形荷载。将地下室挡土墙视为三边固定一边自由的板,荷载按周边传递考虑,得出传到框架柱上的间接侧压力。通过与有限元计算,当地下室挡土墙长与高的比值在1.2~1.5时,简化计算误差在5%以内。
 
实际上,可以将地下室挡土墙作为板单元结构进行分析。按照板计算的一般原则,若挡土墙长与高的比值>3,挡土墙即可视为单向板,侧向压力仅向挡土墙上下两端传递,而传给框架柱的间接侧压力则很小,可忽略不计。若挡土墙长与高的比值<2,可按双向板计算。
 
本工程中,柱距为8.4m,墙高为3m,外墙上端自由、下端固接。由于地下水位较高,为防止水渗人,外墙与柱之间不设缝。侧压力沿地下室挡土墙竖直方向单向传递,计算模型取lm宽板带,按悬挑构件计算内力,用0.2mm裂缝控制配筋,挡土墙竖向筋为主受力钢筋。为弱化地下室挡土墙与框架柱的连接,水平方向钢筋配置宜尽量减小,但仍需保证二者交接处裂缝限值。
 
四、结语
 
综上所述,可知本文提出的两种设计方案要结合起来使用,单独任用任何一种方案都会出现安全隐患。开高窗的短柱设计人员要恰当的进行处理,以此提高短柱的抗剪能力,如果场地条件能够满足需求,可以让挡土墙与整体不连接。此外,设计人员在进行设计时,要需要考量到间接侧压力的问题。
 
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