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摘要：结合工程实践，针对地下车库结构设计中的超长混凝土结构，地下室外墙，地下室顶板荷载等问题进行论述。
关键词：地下车库；消防车荷载；超长混凝土结构；外墙
1.引言
大连颐和星海项目地下车库长约150米，宽约130米，地下两层，采用现浇钢筋混凝土梁板结构。本文将结合该工程，就地下车库结构设计中的顶板消防车荷载、超长结构及地下室外墙设计等问题进行探讨。
2.消防车荷载
地下車库顶板消防车荷载是地下车库结构设计中的关键问题之一。消防车轮压以其荷载数值大、作用位置不确定及一般作用时间较短而倍受结构设计者关注。 结构设计的关键问题在于汽车轮压等效均布荷载数值的确定。
等效均布荷载的数值与构件的跨度有直接的关系，在相同等级的汽车轮压作用下，板的跨度越小，则等效均布荷载的数值越大；而板的跨度越大，则等效均布荷载数值越小。
汽车荷载属于动力荷载， 板顶填土或面层对汽车动力荷载起缓冲和扩散作用，板顶覆土或面层太薄时，一般可不考虑其有利影响。而当板顶覆土厚度较大时，轮压荷载对顶板的动力影响已经不明显，可取动力系数为 1.0。《荷载规范》表4.1.1中给出的车辆荷载，是一种直接作用在楼板上的等效均布荷载，已考虑了动力系数，可直接采用。
地下车库顶板覆土对消防车荷载的确定有着至关重要的影响。顶板上的覆土对汽车轮压具有扩散作用(车轮压力扩散角，在混凝土按45°考虑，在覆土中可按 30°考虑)，覆土越厚，汽车轮压扩散越充分，当覆土层厚度足够厚，轮压扩散足够充分时，汽车轮压荷载可按均布荷载考虑。当覆土层厚度足够时，可按汽车在合理投影面积范围内的平均荷重计算汽车的轮压荷载，见表1。
表1覆土厚度足够时消防车的荷载
足够的覆土厚度指：汽车轮压通过土层的扩散、交替和重叠，达到在某一平面近似均匀分布时的覆土层厚度。足够的覆土厚度数值应根据工程经验确定，当无可靠设计经验时， 可按后轴轮压的扩散面积不小于按荷重比例划分的汽车投影面积确定相应的覆土厚度为最小覆土厚度，当实际覆土厚度大于最小覆土厚度时，可认为覆土厚度足够。
《荷载规范》明确规定了等效均布荷载的计算原则，但由于消防车轮压位置的不确定性，实际计算复杂且计算结果有时与规范数值出入很大。特殊情况下（如双向板等），等效均布荷载的计算结果明显不合理，当支承情况越复杂、局部荷载的作用面积越小、板顶面层或覆土层很薄时，等效均布荷载的数值偏差幅度越大，因此，应注意对等效均布荷载的比较并合理取值。中国建筑设计研究院的朱炳寅[2]给出了300KN级消防车双向板等效荷载，见表2。
表2消防车轮压作用下双向板的等效均布荷载值 kN/m2
在本工程中，消防车荷载选取为19KN/ m2。
3. 超长混凝土结构设计探讨
由混凝土收缩和温度变形引起的收缩裂缝和温度裂缝以及有这两种变形共同引起的温度收缩裂缝在超长混凝土结构中经常出现。这种裂缝虽属非结构性裂缝，一般不致至于影响结构主体安全，但却会影响结构的耐久性和整体性。在本工程采取下列措施有效地防止和减轻此类裂缝的产生。
（1） 有效设置后浇带
后浇带是目前经常采用的方法，它利用了混凝土早期收缩量大的特性，其主要是释放早期后天呢收缩应力，减小以收缩为主的变形。本文就后浇带的具体做法提出下列一些看法和建议。
《高规》规定间距30m~40m设置后浇带。本文建议具体工程应根据其长度，气候环境等特点综合考虑。本工程后浇带间距控制在35m左右。
后浇带应布置在小跨梁开间或受力较小的部位，一般可在梁跨三分之一处。混凝土平面布置时应注意梁的布置宜平行于后浇带，以免梁被截断太多，也可视具体情况，后浇带沿平面弯折通过。后浇带应待其两侧混凝土浇筑两个月后采用高一级的无收缩或微膨胀混凝土浇筑。后浇带两侧宜设置钢筋网片，防止两侧混凝土流入，后浇带混凝土浇筑前应清理凿毛，浇筑时振捣密实，精心养护。后浇带两侧支撑应稳定可靠，后浇带混凝土达到其设计强度后方可拆除。
（2） 采用UEA补偿收缩混凝土
利用UEA补偿收缩混凝土在硬化过程产生的膨胀作用，在结构中产生少量预应力来补偿混凝土硬化过程中产生的温度和收缩拉应力，从而防止收缩裂缝或裂缝控制在无害裂缝范围内。
每隔20m左右设置一道2m宽膨胀加强带，带内混凝土掺加14~15%UEA（膨胀率4~6x10-4），两侧设密孔钢丝网，防止混凝土流入加强带。
（3） 控制水灰比
严格控制水灰比，要选用低水化热的水泥，做好混凝土的养护。
实践证明，以上措施对防止和减小超长混凝土结构温度收缩裂缝较为有效。
4. 地下室外墙设计
结合本工程，关于地下室外墙设计的有关心得总结如下。
地下室外墙主要受到以下各种荷载：各层楼板及顶板传来的荷载和墙体自重等竖向荷载，室外地坪活荷载、侧向土压力、地下水压力等水平荷载。
（1） 室外地坪活荷载
考虑到消防车的停放，室外地面活荷载往往被取得过高，以为在救灾时，消防车有可能停在建筑物边上，从而对地下室外墙产生较大荷载 ，这其实是一种误解。在进行消防作业时，消防车与失火建筑之间应有一定距离，否则救火云梯无法上升至建筑物上部。按消防规范要求，当室外消防车通道距离主楼外墙不小于5 m时，消防车荷载对地下室外墙内力的影响非常小，可忽略不计。因此，即使考虑消防车的停放，室外地坪活荷载按5 k N／m2考虑也是足够安全的 。地坪活荷载对外墙产生的压力为沿墙高度方向的均布荷载Px，Px=qx/3，qx为室外地坪活荷载。
（2） 侧向土压力
地下室经常采用大开挖方式，无护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙承受的土压力宜采取静止土压力，土压力系数K0，对一般固结土可取K0=1-sinΦ（Φ为土的有效内摩擦角），一般可取0.5。当地下室采用护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙土压力计算中可靠基坑支护与地下室外墙的共同作用，按主动土压力系数Ka计算，Ka=0.3。
（3） 外墙计算模型
地下室外墙可根据支撑情况按双向板或单向板计算水平荷载作用下的弯矩。由于与外墙相垂直的内墙间距经常较大，不能使每道外墙两侧均有支撑，因此在工程设计中一般把楼板和基础底板作为外墙板的支点按单向板 (单跨、两跨或多跨) 计算，在基础底板处按固端，顶板处按铰支座。有窗井的地下室，因为窗井外侧墙顶部敞开无顶板相连，计算简图可根据窗井深度按三边连续一边自由计算。地下室外墙计算时底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端) ，侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小—样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配。
外墙出了承受水平荷载外，还承受上部结构及各层地下室传来的荷载和墙体自重等竖向荷载，因此，外墙理论上应按偏心受压构件计算配筋。但在实际工程设计中，考虑竖向荷载产生的截面应力很小，而且为了计算方便，仅按墙板平面外受弯计算配筋。当竖向荷载很大时，也可分别按受弯和轴心受压计算外墙配筋，然后二者进行叠加。
为了满足受力要求，地下室外墙竖向钢筋一般配得较多，而水平钢筋往往仅是构造配筋。然而当地下室外墙较长时，混凝土硬化过程及温度影响产生收缩裂缝的现象极为普遍，因此，外墙水平钢筋配筋率宜适当放大，配筋率宜控制在0.4%左右。
5.结语
地下车库结构设计是一个复杂的过程，本文结合实例，对地下车库结构设计的相关问题进行几点探讨总结。以促进在今后类似结构设计的优化，取得更好的社会和经济效益。
注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开
关键词：地下车库；消防车荷载；超长混凝土结构；外墙
1.引言
大连颐和星海项目地下车库长约150米，宽约130米，地下两层，采用现浇钢筋混凝土梁板结构。本文将结合该工程，就地下车库结构设计中的顶板消防车荷载、超长结构及地下室外墙设计等问题进行探讨。
2.消防车荷载
地下車库顶板消防车荷载是地下车库结构设计中的关键问题之一。消防车轮压以其荷载数值大、作用位置不确定及一般作用时间较短而倍受结构设计者关注。 结构设计的关键问题在于汽车轮压等效均布荷载数值的确定。
等效均布荷载的数值与构件的跨度有直接的关系，在相同等级的汽车轮压作用下，板的跨度越小，则等效均布荷载的数值越大；而板的跨度越大，则等效均布荷载数值越小。
汽车荷载属于动力荷载， 板顶填土或面层对汽车动力荷载起缓冲和扩散作用，板顶覆土或面层太薄时，一般可不考虑其有利影响。而当板顶覆土厚度较大时，轮压荷载对顶板的动力影响已经不明显，可取动力系数为 1.0。《荷载规范》表4.1.1中给出的车辆荷载，是一种直接作用在楼板上的等效均布荷载，已考虑了动力系数，可直接采用。
地下车库顶板覆土对消防车荷载的确定有着至关重要的影响。顶板上的覆土对汽车轮压具有扩散作用(车轮压力扩散角，在混凝土按45°考虑，在覆土中可按 30°考虑)，覆土越厚，汽车轮压扩散越充分，当覆土层厚度足够厚，轮压扩散足够充分时，汽车轮压荷载可按均布荷载考虑。当覆土层厚度足够时，可按汽车在合理投影面积范围内的平均荷重计算汽车的轮压荷载，见表1。
表1覆土厚度足够时消防车的荷载
足够的覆土厚度指：汽车轮压通过土层的扩散、交替和重叠，达到在某一平面近似均匀分布时的覆土层厚度。足够的覆土厚度数值应根据工程经验确定，当无可靠设计经验时， 可按后轴轮压的扩散面积不小于按荷重比例划分的汽车投影面积确定相应的覆土厚度为最小覆土厚度，当实际覆土厚度大于最小覆土厚度时，可认为覆土厚度足够。
《荷载规范》明确规定了等效均布荷载的计算原则，但由于消防车轮压位置的不确定性，实际计算复杂且计算结果有时与规范数值出入很大。特殊情况下（如双向板等），等效均布荷载的计算结果明显不合理，当支承情况越复杂、局部荷载的作用面积越小、板顶面层或覆土层很薄时，等效均布荷载的数值偏差幅度越大，因此，应注意对等效均布荷载的比较并合理取值。中国建筑设计研究院的朱炳寅[2]给出了300KN级消防车双向板等效荷载，见表2。
表2消防车轮压作用下双向板的等效均布荷载值 kN/m2
在本工程中，消防车荷载选取为19KN/ m2。
3. 超长混凝土结构设计探讨
由混凝土收缩和温度变形引起的收缩裂缝和温度裂缝以及有这两种变形共同引起的温度收缩裂缝在超长混凝土结构中经常出现。这种裂缝虽属非结构性裂缝，一般不致至于影响结构主体安全，但却会影响结构的耐久性和整体性。在本工程采取下列措施有效地防止和减轻此类裂缝的产生。
（1） 有效设置后浇带
后浇带是目前经常采用的方法，它利用了混凝土早期收缩量大的特性，其主要是释放早期后天呢收缩应力，减小以收缩为主的变形。本文就后浇带的具体做法提出下列一些看法和建议。
《高规》规定间距30m~40m设置后浇带。本文建议具体工程应根据其长度，气候环境等特点综合考虑。本工程后浇带间距控制在35m左右。
后浇带应布置在小跨梁开间或受力较小的部位，一般可在梁跨三分之一处。混凝土平面布置时应注意梁的布置宜平行于后浇带，以免梁被截断太多，也可视具体情况，后浇带沿平面弯折通过。后浇带应待其两侧混凝土浇筑两个月后采用高一级的无收缩或微膨胀混凝土浇筑。后浇带两侧宜设置钢筋网片，防止两侧混凝土流入，后浇带混凝土浇筑前应清理凿毛，浇筑时振捣密实，精心养护。后浇带两侧支撑应稳定可靠，后浇带混凝土达到其设计强度后方可拆除。
（2） 采用UEA补偿收缩混凝土
利用UEA补偿收缩混凝土在硬化过程产生的膨胀作用，在结构中产生少量预应力来补偿混凝土硬化过程中产生的温度和收缩拉应力，从而防止收缩裂缝或裂缝控制在无害裂缝范围内。
每隔20m左右设置一道2m宽膨胀加强带，带内混凝土掺加14~15%UEA（膨胀率4~6x10-4），两侧设密孔钢丝网，防止混凝土流入加强带。
（3） 控制水灰比
严格控制水灰比，要选用低水化热的水泥，做好混凝土的养护。
实践证明，以上措施对防止和减小超长混凝土结构温度收缩裂缝较为有效。
4. 地下室外墙设计
结合本工程，关于地下室外墙设计的有关心得总结如下。
地下室外墙主要受到以下各种荷载：各层楼板及顶板传来的荷载和墙体自重等竖向荷载，室外地坪活荷载、侧向土压力、地下水压力等水平荷载。
（1） 室外地坪活荷载
考虑到消防车的停放，室外地面活荷载往往被取得过高，以为在救灾时，消防车有可能停在建筑物边上，从而对地下室外墙产生较大荷载 ，这其实是一种误解。在进行消防作业时，消防车与失火建筑之间应有一定距离，否则救火云梯无法上升至建筑物上部。按消防规范要求，当室外消防车通道距离主楼外墙不小于5 m时，消防车荷载对地下室外墙内力的影响非常小，可忽略不计。因此，即使考虑消防车的停放，室外地坪活荷载按5 k N／m2考虑也是足够安全的 。地坪活荷载对外墙产生的压力为沿墙高度方向的均布荷载Px，Px=qx/3，qx为室外地坪活荷载。
（2） 侧向土压力
地下室经常采用大开挖方式，无护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙承受的土压力宜采取静止土压力，土压力系数K0，对一般固结土可取K0=1-sinΦ（Φ为土的有效内摩擦角），一般可取0.5。当地下室采用护坡桩或连续墙支护时，地下室外墙土压力计算中可靠基坑支护与地下室外墙的共同作用，按主动土压力系数Ka计算，Ka=0.3。
（3） 外墙计算模型
地下室外墙可根据支撑情况按双向板或单向板计算水平荷载作用下的弯矩。由于与外墙相垂直的内墙间距经常较大，不能使每道外墙两侧均有支撑，因此在工程设计中一般把楼板和基础底板作为外墙板的支点按单向板 (单跨、两跨或多跨) 计算，在基础底板处按固端，顶板处按铰支座。有窗井的地下室，因为窗井外侧墙顶部敞开无顶板相连，计算简图可根据窗井深度按三边连续一边自由计算。地下室外墙计算时底部为固定支座(即底板作为外墙的嵌固端) ，侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小—样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配。
外墙出了承受水平荷载外，还承受上部结构及各层地下室传来的荷载和墙体自重等竖向荷载，因此，外墙理论上应按偏心受压构件计算配筋。但在实际工程设计中，考虑竖向荷载产生的截面应力很小，而且为了计算方便，仅按墙板平面外受弯计算配筋。当竖向荷载很大时，也可分别按受弯和轴心受压计算外墙配筋，然后二者进行叠加。
为了满足受力要求，地下室外墙竖向钢筋一般配得较多，而水平钢筋往往仅是构造配筋。然而当地下室外墙较长时，混凝土硬化过程及温度影响产生收缩裂缝的现象极为普遍，因此，外墙水平钢筋配筋率宜适当放大，配筋率宜控制在0.4%左右。
5.结语
地下车库结构设计是一个复杂的过程，本文结合实例，对地下车库结构设计的相关问题进行几点探讨总结。以促进在今后类似结构设计的优化，取得更好的社会和经济效益。
注：文章中涉及的公式和图表请用PDF格式打开