浅谈单建式地下车库结构设计

浅谈单建式地下车库结构设计

熊玮

中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉 430223

摘要：随着我国经济的日新月异以及交通建设的日益完善，，使得本来就稀缺的土地面临着停车困难这一亟待解决的问题。所以在各大商场、住宅小区、大型酒店及广场、公园等修建地下车库是必不可少的。单建式地下车库的地面部分仅存在一些汽车出入口、采光、通风设施等。车库顶面经过覆土之后，空间仍然开敞，对于地面的景观环境影响不大，且不占用地面空间，所以单建式地下车库是城市公共停车区域的重要组成部分。下文就将围绕单建式地下车库结构设计展开探讨。

关键词：单建式 地下车库 结构设计

图1-1单建式地下车库

引言

随着我国地下空间的发展利用，越来越多的单建式地下车库开始出现。单建式地下车库结构形式多样，结构方案、施工工法不同对应的工程造价也不同，本文在以往项目经验的基础上进行总结归纳，方便快速高效地开展相关设计工作，提高单建式地库结构设计效率和设计质量。

1 结构设计流程图

单建式地下车库结构设计的主要流程图请参照图1-2。

图1-2单建式地下车库结构设计流程图

2确定设计参数

2.1 接收上游专业资料

1）总图、建筑专业提供：轮廓、柱距、层数、层高、覆土厚等；

2）地勘资料提供：场地的类别、土层种类和各种参数，地下水位等。

3）水、电等专业提供：埋件、开孔等

2.2 确定设计依据

2.2.1规范、规程及有关规定

2.2.2结构设计标准

1）抗震等级

确定单建式地下车库的抗震等级时，根据《建筑抗震设计规范GB50011-2010》（2016年版）附录A判断抗震强度，确定抗震等级。

2）场地类别

根据地勘资料确定。

3）抗震设防类别

根据《建筑工程抗震分类标准》（GB50223-2008）的规定，地下车库为标准设防类（丙类）。

4）结构环境类别

地下室（包括顶板）、基础为二a类。出地面结构屋面等露天潮湿环境为二b类。

5）结构的安全等级

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB50068-2018）3.2.1条的有关规定，地下车库的安全等级为二级。

6）地基基础设计等级

根据《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》3.0.1条的有关规定确定。

2.2.3荷载取值

荷载是决定成本的重要要素之一，是结构设计的重要依据。设计应按照国家规范要求的各项荷载规定进行计算，合理选择安全系数保障结构安全、经济。附加荷载还包括水浮力、覆土荷载、消防荷载、景观荷载、施工荷载、人防荷载等。荷载作用范围明确，规范规定不能同时计取的荷载不能累计。消防荷载和人防负荷、施工荷载、景观荷载分开计算，尽量明确景观荷载分布范围和大小。

3确定结构形式

3.1 楼盖结构形式选择

3.1.1概述

单建式地下车库的楼盖形式主要包括无梁楼盖和梁板式楼盖，常见的楼盖形式如图2-1。

a.无梁楼盖 b. 加腋大板楼盖

c.井（十）字梁楼盖 d.空心楼盖

图2-1单建式地下车库常见楼盖结构形式

目前地下车库设计中经常采用的楼盖方案有：①无梁楼盖结构体系②梁板结构体系（普通主次梁结构体系、十字梁板式、井字梁式）和③加腋大板楼盖等。如果只是满足建筑层高的要求，选择无梁楼盖体系方案应该很容易实现。此外，也适用于两个方向的柱距相等或接近的情况，因此，结构受力也比较平衡。但是同时顶板厚度比较厚，混凝土和钢筋用量也较多。如果两个方向的跨度相差较大，则继续选择无梁楼盖体系会使各跨间受力非常不平衡，导致材料浪费严重。这时选择结构方案应在3个方案之间进行经济性和合理性的比较，一般结果会选择加腋大板楼盖体系或者主次梁结构楼盖体系。

对于单建式地下车库，在满足净高要求的情况下尽可能选择主梁加腋大板楼盖体系，然后选择主次梁式楼盖体系。

3.2 确定基础形式

目前组要的地下车库的基础类型有：

1. 大底板方案：适用于水位高、覆土厚的工程。

筏板基础具有基础刚度大、受力均匀等特征，适合复杂的柱网构造。在荷载大的柱子底部，最好通过改变筏板截面的高度及调整配筋来满足设计要求。筏板钢筋布置简便，施工难度小。筏板基础所具备良好受力特点和明显的施工优势，使得其在工程中应用相当普遍。

2. 独基（桩基）+防水板方案：适用于地下水位低的工程。

桩基+防水板方案可用于地基承载力较差，需采用桩基础，同时地下水位较低，防水板承受水浮力较小的工程。各结构构件所受的荷载和计算简化模型与独基+防水板方案类似。

独基+防水板方案主要用于地基承载力较好，可以采用天然地基，同时地下水位较低，防水板承受水浮力较小的工程。独立基础承受整个上部结构荷载以及防水板传递的荷载，而防水板通常只考虑其本身自重、防水板上恒活载以及水浮力作用,防水板设计工况最终合力可能向上,也可能向下。防水板一般是按照倒无梁楼盖模型计算。在独立基础设计时，应考虑从防水板传来的荷载。

独基+防水板方案的内力计算通常采用简化的方式。分成人工独立的基础和防水板两部分。对防水板按倒无梁楼盖计算水的浮力作用，所有竖向荷载均由独立基础承担，不考虑防水板的作用。当防水板下存在柔性压缩层的条件时，地下水位如果在基础底面以下，那么地基反力的作用只在柱基础的范围内；地下水位上升后，防水板和基础都是由水的浮力作用的。因为独立基础和防水板形成了整体，所以简化的方法还是有误差的。误差的大小主要取决于独基的计算弯矩与独基+防水板的实际弯矩的等效程度。

4建模计算

4.1 主体计算

4.1.1 计算流程

单建式地下车库结构计算通常采用有限元法，推荐使用计算软件为YJK，PKPM，Midas gen。

建立模型

首先，根据上游专业资料在YJK软件中建立好模型。楼板属性建议选用刚性板。

计算参数设置

1.单跨次梁两端的节点、连续梁端的节点全部按简支计算，但实际上有部分约束。

2.根据弹性理论计算现浇板的内力。支承条件的选择应符合《混凝土结构设计规范》第9.1.1条。

3.框架结构的楼梯是作为滑动式楼梯设计的，楼梯不计算模型中进行建模。

4.地下室外墙土压力按静止土压力计算，静止土压力系数K0=0.5。

5．施工过程模拟：基础以上结构设计时,宜采用分层加载法计算，即施工模拟3；如有桁架时需人工指定。

6．水平力作用方向角

1）一般情况下取0；在平面形状复杂（L型、型等）或抗侧力结构非正交的情况下，理论上根据各自的抗侧力部件的方向角计算，但是实际以0、45度分别计算一次就可以了。当程序给出最大地震力的方向角时，输入计算，配筋取这三者中大值。

2）根据抗震规范5.1.1-2，在结构中存在相交角大于15^o的抗侧力构件时，分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。程序提供多方向地震功能时，应选择此功能。

7．梁刚度放大系数：根据混凝土结构规范采用，计算中仅考虑梁T型断面刚度贡献，不考虑T型断面配筋。

8.连梁刚度折减：抗震设防6、7度时取0.7；设防8、9度时取0.5。风荷载作用下的连梁刚度折减系数取1。

9．周期折减系数：

结构类型填充墙较多

框架结构0.65

11．抗震等级：当结构纵向分布的抗震等级不一致时，应在输入整体抗震等级的基础上，对不同局部区域在下拉菜单“抗震等级”中进行特殊定义。

12．偶然偏心与双向地震：偶然偏心，考虑到双向地震的作用，程序自动包括设计。不是重叠设计。

13.钢筋砼计算重度：一般按结构类型取值：框架结构一般取25（kN/m³）（勿使用楼板自重自动计算）

14．活荷载信息：柱子、墙、梁的活荷载都要按照规范进行折减，必须考虑活荷载的布置，梁的活荷载内力放大系数为1。

15.柱子的配筋按单偏压计算，考虑柱子的棱柱。

4.1.2 配筋要求

根据规范要求，对底板、顶板、外墙、内墙，框架梁及次梁，框架柱，连梁，楼面板及屋面板，楼梯等构件采用合适的配筋率，并满足构造和计算要求。

4.2 基础计算

4.2.1 计算流程

单建式地下车库结构基础计算通常采用有限元法，推荐使用计算软件为YJK，PKPM，Midas gen；也可以提取内力采用理正等其他软件进行计算。

建立模型

在YJK软件中计算时需要将基础与单建式地下车库上部结构一起建立并布置。

如图4-4所示，朝曦公园单建式地下车库的采用单建式基础加防水板的基础形式，并采用抗浮锚杆作为抗浮措施。

图4-4 朝曦公园单建式地下车库基础YJK模型

完成主体计算后，在设计结果菜单中查看计算结果，然后转入基础设计菜单栏。在没有地勘文件（.dz）的情况下，（1）对独立基础和筏基而言可以采用软件的自动布置功能。用户也可以手动布置独立基础和筏基；（2）对桩承台而言，需要事先定义桩的桩长，桩径承载力特征值等相关参数，然后采取手动布置或者自动布置的方式进行设计。以上需先定义的参数均需结合上部计算荷载与地勘资料通过计算得到（采用理正结构工具箱计算），比如图4-5所示面板分别定义的独立基础和桩基础，主要包括的参数如图4-6所示，对独立基础而言包括基础几何形状，对桩基而言包括桩身尺寸，竖向承载力和抗拔承载力等参数。

图4-5YJK基础建模独基和桩定义界面

图4-6 YJK基础建模独基与桩定义界面

计算参数设置

在基础建模界面选择参数设定如图4-7所示。可以选择设置地基承载力计算参数、水浮力参数、桩筏筏板弹性地基梁计算参数等

图4-7 YJK基础建模参数设置界面

5.抗浮设计

5.1抗浮设计常用方法

根据《建筑工程抗浮技术标准》JGJ476-2019中6.5.1抗浮治理方案宜根据抗浮稳定状态、抗浮设计等级和抗浮概念设计并结合治理要求、对周边环境影响、施工条件等因素进行技术、经济对比确定。

疏（主动）： 排水限压法、泄水降压法、隔水控压法

抗（被动）： 压重抗浮法、结构抗浮法、锚固抗浮法（抗浮桩、抗浮锚杆）

对单建式地下车库而言通常情况下都需要采取抗浮措施，传统方法采取抗拔桩，抗浮锚杆等方式，近年来有些项目开始采取泄水减压的方法进行抗浮。

a.设置抗拔桩

主要是利用桩本身自重和桩侧摩阻力提供抗拔力。桩型选择主要根据工程地质状况、施工条件及周边环境等因素综合确定。一般为预制桩、沉管灌注桩和钻孔灌注桩。位置一般设置在柱下、纵横墙交叉点上，沿着外墙均匀布置。抗浮桩的设计基础是确定单桩抗拔承载力。单桩的抗拔承载力一般采用静载试验法或经验参数法。用静载试验法确定桩的抗拔力比较接近工程的实际情况，用经验参数法利用桩的侧阻力值导人抗拔系数后作为抗拔桩侧阻力值，抗拔系数一般取0.5～0.8。

设计单位根据勘察单位提供的抗浮动设计水位对抗浮稳定进行计算，抗浮力恒荷载分项系数取0.9，水浮力分项系数取1.0。强度的计算按规定荷载组合确定。。

抗拔桩优先选用沉管灌注桩，以所需抗拔力确定的钢筋截面按照最大配筋率控制桩截面，进而确定桩长和根数。

b.抗浮锚杆

这是近年来被广泛使用的抗浮措施，效果较好，造价便宜，施工方便。但是，钢筋与钢绞线非常容易受到地下水的侵蚀，直接影响耐久性，同时抗浮锚杆与底板的接点也是防水的薄弱环节。国内相关的规范标准逐渐完善，抗浮锚杆得到了广泛应用。

c.泄水减压

泄水降压法是通过设置压力控制系统降低水压力。泄水减压方法的适用条件：1.地下结构底板埋置在弱透水地基土中且可在其下方设置能使压力水通过透水及导水系统汇集到集水系统的工程；2.可与排水限压法与隔水控压法联合使用；3.需要长期运行控制和维护管理。

图5-1 泄水减压法原理图

图5-2 泄水减压法实用图

图5-3 泄水减压法特点

泄水降压法的优势逐渐体现，已经应用到越来越多的项目中，但新技术的发展需要一定过程，后期的维护管理机制也需要更加完善。

5.2抗浮安全系数

目前主要采用的《JGJ476-2019 建筑工程抗浮设计标准》中根据抗浮工程设计等级针对施工期和使用期规定了不同的抗浮稳定安全系数，见下表。

表4-2抗浮稳定安全系数表

6 外墙设计

地下车库外墙的内力与侧向土压力、水压力、垂直荷载以及边界条件有关。当垂直荷载较大时，还需要考虑水平荷载，应取封闭刚架结构模型来分析。当垂直荷载较小时，可以根据边界条件作简化计算，支承条件应按相对刚度比而定。当外墙中有扶壁柱时，按外墙与扶壁柱变形协调的原理，其外墙竖向受力筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、而外墙的水平分布筋则偏于保守。只有垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大时，外墙板块按双向板计算配筋外，其余的外墙宜按竖向单向板计算配筋。外墙与顶板连接可根据相对刚度确定支承形式，一般情况下可视为饺接；底板基础刚度较大，外墙与底板连接可视为固定连接。

然后根据上述设计计算结果进行施工图绘制，最后经过审核程序后进行归档。

结语

综上所述，随着我国地下空间的发展，单建式地下车库广泛应用的同时结构设计显得尤为重要,在保证工程安全和经济的同时，还可以有效利用城市的地下空间。

参考文献

[1]王文华.地下室结构设计的常见问题及解决措施[J]。低碳世界，2018（8）

[2]刘显旺，王克峰.地下车库顶板结构优化设计[J].工程建设与设计，2017（9）

[3]朱炳寅.独立基础和加防水板基础设计方法的分析[J]。建筑结构，2002 (4)

[4] 耿瑞彬.住宅小区地下车库的结构设计实例分析[J].建筑设计管理，2015（10）

[5]李莉.地下室设计中的常见问题及对策措施[J]．城市建筑，2013(5)．

[6]干泉，杨博进，刘伟，李银平，余飞.地下室泄水减压抗浮技术的探讨与应用 [J]．建筑结构，2016(1)．

[7]施勇.浅析地下室项目泄水减压抗浮技术 [J]．建设管理，2020(1)．

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