地下室外墙截面设计及配筋方式的讨论及对比

常规项目一般都会设置不少于一层的地下室，地下室外墙具有水平长度较长、墙内外表面所处环境类别不同、恒定土压力+可变水压力共同作用、竖向受弯为主等特点，截面设计及主要影响因素如下：

1、水土压力的计算模式。外墙外侧承受水平向内的水土压力，通常有水土合算和水土分算两种计算模式。很多专家大师已经提供了专门的研究分析成果，如：《岩土工程勘察与设计——岩土工程疑难问题答疑笔记整理之二(高大钊)》一文的截图：

初步试算可知，水土分算结果较水土合算结果增大约30~40%差异较大，对截面厚度取值和配筋结果等影响较大。

2、环境类别影响裂缝宽度限值。地下室外墙的外表面跟水土直接接触、水位变动会导致干湿交替，基本属于二a类或以上环境类别，最大裂缝宽度限值0.2mm；内表面为室内环境、变化幅度小，可归入一类环境类别，最大裂缝宽度限值0.3（0.4）mm。裂缝计算宽度主要受钢筋计算应力值的影响、钢筋应力值又取决于配筋面积，因此，限值越小所需钢筋面积越多。裂缝宽度限值同样直接影响截面厚度取值和配筋结果，一般而言按0.2mm裂缝宽度验算的配筋量超过按强度计算的配筋率的20~30%以上。

附带提一下：裂缝宽度验算属于正常使用极限状态，通常采用荷载的准永久组合、即主要取决于活荷载的准永久值（这跟《桩基》规范里面规定的抗拔桩裂缝验算采用标准组合是不同的）。这里就涉及一个关键问题：水压力是定义为恒载还是活载？无论是地下室外墙设计还是抗浮验算，基本都以勘察报告提供的设计最高水位（或抗浮水位）为依据，最高水位的超越概率低、相对恒定，照理宜归入恒载（《广东省抗浮规范》里面，水浮力分项系数符号采用?QW、但具体取值是1.0~1.2，感觉是认为可归入恒载、但为避免概念争议而采取的折衷方法）。第1点的水土压力计算模式，跟荷载性质（即分项系数取值）也是相互影响的，水土合算时，水压力组合进土压力里面、实质就是跟土压力一样按恒载取值（设计中基本均认同土压力为恒载）；水土分算时，才可能针对水土压力分别取分项系数，但如果此处将水压力归入活载、跟水土合算的不同，似乎也没有很充分的理据。

将水压力归为恒载还是活载，对配筋量也是有影响的。归为恒载时，按强度计算的配筋量较将水压力归入活载的要少；但裂缝宽度验算时则出现了相反情况，准永久组合中恒载不能折减、活载才能乘以准永久系数进行折减，因此将水压力归入活载的组合值要少于将水压力归入恒载的，计算配筋量亦然；因此，水压力归为恒载时强度配筋量和裂缝配筋量相差大，水压力归为活载时两者配筋量较接近。

水压力归为恒载还是活载？确实由各种不同观点、也存在争议，暂无统一说法。具体如何把握，主要还是由设计人员自己决定吧。（后续有更充分资料依据时，再考虑拟专文进行分析讨论）

3、截面设计的受力模式。外墙一般是按竖向板条划分隔离体及计算分析单元的（也有按双向板模式设计的，但就要求左右两端需设置较强的扶壁柱，受力及配筋相对较复杂、成本也不见得节省，本文暂不对此展开分析对比，以后拟专文进行比选），该单元除承受水土压力等水平向作用外，还会承担所支承的楼面传来的荷载及墙体自重形成的竖向荷载，该竖向荷载对墙体产生压应力，会降低水平作用弯矩下的钢筋拉应力及裂缝计算宽度，从而有利于减少实际截面厚度及配筋量。

《砼规》中裂缝宽度计算的相关公式

通常会认为单层地下室外墙的竖向压力较小，对计算结果及配筋影响不大，就直接采用纯弯算法。通过初步试算可知，纯弯结果与压弯结果相比，钢筋应力增大约40%、裂缝宽度增大约100%；结合承载力计算及常用选筋规格等影响，纯弯配筋量比压弯配筋量增大约20~30%（外侧支座处的配筋），差异还是比较明显的。纯弯和压弯主要是钢筋应力算法不同，压弯的算法不算复杂、节省量较多，还是值得推广采用的。

4、配筋组合模式。在荷载作用下，地下室外墙不同部位的受力并不一致。竖直方向，外侧底部受拉、中部受压，内侧端部受压、中部受拉；水平方向不直接承受荷载，主要为超长结构及砼干缩产生的温度拉应力。实际配筋有按计算结果全长贯通和构造贯通+计算需要处附加短筋等模式，对钢筋用量影响较大。截面受压区主要是砼起作用，将外侧支座计算配筋贯通至跨中受压区，钢筋用量大、对截面受力基本无帮助，不合理也不必要。

下面取一案例进行具体比选：一层地下室层高3.9m，顶板覆土1.5m、活载10kPa，外墙厚度取300mm。

1、水土合算和水土分算

	支座弯矩	跨中弯矩	竖向外侧通筋	竖向外侧附加	竖向内侧通筋	水平向通筋	钢筋总重量	砼体积	总成本
合算	103	51	Φ10@200	Φ16@200	Φ12@200	Φ10@150	81	1.17	1190
分算	147	73	Φ10@200	Φ22@200	Φ14@190	Φ10@150	107	1.17	1344

结论：水土分算比水土合算增加成本约13%、154元/延米

2、裂缝宽度限值统一取值和分区取值（水土合算）

	支座弯矩	跨中弯矩	竖向外侧通筋	竖向外侧附加	竖向内侧通筋	水平向通筋	钢筋总重量	砼体积	总成本
0.2/0.3mm	103	51	Φ10@200	Φ16@200	Φ12@200	Φ10@150	81	1.17	1190
0.2mm	103	51	Φ10@200	Φ16@200	Φ12@170	Φ10@150	85	1.17	1211

结论：统一按0.2mm限值比室外0.2mm/室内0.3mm增加成本约1.7%、21元/延米

3、按纯弯构件和压弯构件（水土合算）

	支座弯矩	跨中弯矩	竖向外侧通筋	竖向外侧附加	竖向内侧通筋	水平向通筋	钢筋总重量	砼体积	总成本
纯弯构件	103	51	Φ10@200	Φ16@200	Φ12@200	Φ10@150	81	1.17	1190
压弯构件	103	51	Φ10@200	Φ14@200	Φ12@200	Φ10@150	77	1.17	1166

结论：纯弯构件比压弯构件增加加成本约2%、24元/延米

4、按计算值统一配筋和分区段组合配筋（水土合算）

	支座弯矩	跨中弯矩	竖向外侧通筋	竖向外侧附加	竖向内侧通筋	水平向通筋	钢筋总重量	砼体积	总成本
统一配筋	103	51	Φ14@110	无	Φ12@200	Φ10@150	104	1.17	1190
分区段组合配筋	103	51	Φ10@200	Φ16@200	Φ12@200	Φ10@150	81	1.17	1329

结论：统一配筋比分区段组合配筋增加成本约12%、139元/延米

保守方案的按水土分算、室内外统一0.2mm裂缝限值、按计算值统一配筋、纯弯构件进行，比优化方案的水土合算、室内外区分0.3/0.2mm裂缝限值、分区段组合配筋、压弯构件的结果增加成本约35%、413元/延米。以5万平米建筑面积的方形单层地下室为例，周长约900延米，保守方案成本增量约37万元、约7元/m²。可见，截面设计及配筋方式的异同，地下室外墙的成本影响还是比较显著的。

综上分析比选，对地下室外墙截面设计的优化建议如下：

1、宜根据实际土层分布选取合理的水土压力计算模式，粗粒土如砂、石等宜采用水土分算，粘性土等宜采用水土合算。

2、宜根据不同区域及部位的环境类别及要求，分别确定裂缝宽度限值，不应统一取0.2mm限值。如：外侧直接与水土接触为二a或以上环境类别、裂缝宽度限值宜取0.2mm；内侧为室内属于一类环境类别、裂缝宽度限值可取0.3（0.4）mm（当地有特别要求的可按要求执行）。

3、宜考虑竖向压力的有利贡献，按压弯构件进行截面设计。

4、宜根据不同部位的实际受力，采用构造贯通筋+计算需要处附加短筋的组合配置模式。

知识点：地下室外墙截面设计及配筋方式的讨论及对比

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