半地下室框架结构设计方案分析

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。

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

参考文献:

 

[1]刘鹏程，刘士锋.框架结构中半地下室设计探讨[J].山西建筑，2013（02）.

 

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[5]赖庆生.框架结构设计的若干问题探讨[J].广西城镇建设，2003（Z1）.