地下锅炉房结构设计要点浅议

[摘要]医院、商业区等公共建筑自带的锅炉房置于地下时，受力情况及分析模型较地上锅炉房复杂，对安全性要求更高。本文以实际工程为背景，探讨了地下锅炉房结构设计时，诸如荷载选取、外墙计算、扶壁柱受力机理分析及外墙裂缝控制等问题，以期对同类型的结构设计提供一些参考。

[关键词] 地下锅炉房外墙计算 扶壁柱

中图分类号：TK223文献标识码： A

1 引言

在进行大型医院、商业区等规划设计时，为了满足美观及降低噪声的要求，常常将自带的供热锅炉房置于地下。地下锅炉房采用钢筋混凝土地下室的结构形式，与地上锅炉房相比，需考虑的因素更多，包括侧土压力的计算、顶板活载的选取、抗浮、裂缝控制、扶壁柱受力机理、中间层楼板嵌固作用、大体积混凝土施工等等。本文根据实际工程，对上述设计要点进行了简要的探讨，以期对实际工程设计有所借鉴。

2 工程背景

本文以新疆伊犁哈萨克自治州友谊医院分院地下锅炉房项目为实际工程背景。

2.1 场区概况

地下锅炉房所在地区基本资料如下：

基本风压：0.60（50年）；基本雪压：1.40（50年）；

抗震设防分类：丙类（标准设防类）；抗震设防烈度：7度；地震基本加速度：0.15g；场地类别：Ⅱ类；地面粗糙度类别：B类。

2.2 工程概况

本锅炉房共三层，地上一层，地下两层，埋深约12m。采用钢筋混凝土地下室结构形式。设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，抗震等级：四级。地基基础设计等级为乙级，地基承载特征值为300kPa。地下水位位于地面以下约11m。

3 地下锅炉房结构设计要点

3.1 地下锅炉房荷载选取

竖向荷载包括上部及各层地下室顶板传来的荷载、墙体自重及室外地坪荷载，水平荷载包括侧向土压力、地下水压力等荷载。室外地坪活荷载：本工程取10kN/m，如有特殊较重荷载时，按实际情况确定。本工程因地下水位较低，故地下水压力很小。

3.2 地下锅炉房外墙计算分析

一般的地下室设计，当地下室为单层时，可将外墙认为上部铰接，下部嵌固（图3.1）；当地下室为多层时，计算模型可简化为上铰下固、中间为连续支座的连续梁（图3.2），承受三角形的荷载（不计梁自重），此时是将中间层楼板当成中间支座。

图3.1 单层地下室计算模型 图3.2 多层地下室计算模型

当进行地下锅炉房设计时，由于锅炉平台等设备使用功能的要求，地下锅炉房锅炉间为大开间，故锅炉房局部为单层，局部为二层，如图3.3及图3.4所示。

图3.3 地下锅炉房平面图

图3.4 地下锅炉房剖面图

对于单层部分，外墙计算可用图3.1所示计算模型。对于二层部分，因楼板不是满布，存在大开间，楼板对外墙的支撑作用会有大的削弱，故二层部分若用图3.2所示计算模型，则需满足前提条件：二层楼板刚度、抗弯、抗剪均能满足要求。因此，二层楼板厚度及配筋不宜过小。以本工程为例，二层楼板厚度取180mm，配筋为双层双向E12@100(三级钢)。验算时，将楼板视作深梁，尺寸180mm×8000mm，取楼板处上下层地下室各一半的侧土压力，作为线荷载施加于深梁上，根据《混凝土结构设计规范》验算深梁抗弯抗剪，均满足要求。因此，地下锅炉房外墙计算时，对于多层且楼板存在大开间时，不可一概而论的运用图3.2所示计算模型，而应该先验算楼板能否满足对外墙的支点作用，当楼板满足此要求后，方可按图3.2所示计算模型计算。若不满足，则需另行考虑。

3.3 地下锅炉房扶壁柱受力机理分析

地下锅炉房设计时，扶壁柱的作用可以分两种情况考虑：

情况（1）：扶壁柱用来嵌固框架梁，不考虑扶壁柱对外墙的固定作用，外墙荷载由外墙承担，扶壁柱配筋等同于相同宽度的外墙配筋即可，此时外墙截面较大，扶壁柱截面较小；

情况（2）：扶壁柱不仅嵌固框架梁，同时当做外墙的固定端，外墙荷载通过外墙传到扶壁柱上，需精确计算扶壁柱的配筋，此时外墙截面较小，扶壁柱截面较大；

以本工程为例，因局部一层部分层高为约12m，层高较高，若按情况（2）考虑，扶壁柱截面太大，故一层部分按情况（1）考虑，本文仅考虑局部二层部分扶壁柱受力机理。局部二层部分按情况（1）考虑时，外墙厚450mm，竖向筋为E20@100，水平筋为构造配筋E14@150，扶壁柱截面为500mm×500mm,纵筋为14E25，如图3.5所示。按情况（2）考虑时，扶壁柱为外墙固定端，外墙被扶壁柱分割为多块板，每块板均可当做三边固定，一边铰接。此时，二层部分外墙厚350mm,竖向配筋地下二层为E20@100，地下一层为E20@150，水平配筋为地下二层E20@100，地下一层E16@100。扶壁柱截面为650mm×1150mm,纵筋为14E30+6E25，如图3.6所示。。

图3.5 情况（1）时外墙与扶壁柱

图3.6 情况（2）时外墙与扶壁柱

本工程基础底板采用筏板基础，当按情况（1）时，因外墙与底板连接处如图3.7所示，当按情况（2）时，外墙与底板连接如图3.8所示。

图3.7 情况（1）时外墙与基础底板连接做法 图3.8 情况（2）时外墙与基础底板连接做法

通过比较可知，按情况（2）设计时，外墙减小了100mm厚，配筋变化不大，扶壁柱截面增大到2倍多，配筋增大较多，综合起来，情况（2）材料用量比情况（1）多，故本工程选用情况（1）计算。在实际工程设计中，进行地下锅炉房设计时，具体采用何种形式，需根据具体情况并参照建筑工艺要求选择。

3.4 地下锅炉房裂缝控制措施

地下室外墙混凝土易出现收缩，收到结构本身和基坑边壁等的约束，产生较大的拉应力，易产生裂缝。地下室外墙裂缝宽度控制在0.2mm以内，其配筋量往往由裂缝宽度验算控制。

控制裂缝措施一般有：

（1）补偿收缩混凝土，即在混凝土中渗入UEA、HEA等微膨胀剂，以混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值大于或等于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝。

（2）由于混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会与混凝土的早期收缩变形完全补偿，为了实现混凝土连续浇筑无缝施工而设置的补偿收缩混凝土带，一般超过60m设置膨胀加强带。

（3）设置后浇带，在混凝土早期短时期释放约束力。

（4）提高钢筋混凝土的抗拉能力，混凝土应考虑增加抗变形钢筋，对于侧壁，增加水平温度筋，侧壁受底板和顶板的约束，混凝土胀缩不一致，可在墙体中部设一道水平暗梁抵抗拉力。

4 结论

本文以实际工程项目为背景，探讨了地下国防结构设计时需考虑的一些要点，包括荷载选取、外墙计算、扶壁柱不同受力机理分析及外墙裂缝控制等内容，为今后同类型的锅炉房设计提供了一些参考。

参考文献

[1] GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]；

[2] GB50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]；

[3] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]；