某钢屋盖单侧挡土结构探讨

章传胜，江韩

（南京长江都市建筑设计股份有限公司，南京 210002）

1 工程概况

某钢屋盖建筑面积 1 755.39m2，斜屋面结构高度在4.39～9.48m 间变化。根据建筑效果的需求，该屋盖采用钢框架结构，抗侧刚度很弱，难以承受单侧堆至屋盖顶的土体水平推力，需要在钢结构主体外边界设置有效的挡土结构，并与主体完全脱开，避免钢屋盖承受水平力【1】。该工程的典型断面如图1 所示，最高堆土已盖过了钢屋盖顶板，从地面算起，结构主体一侧的堆土厚度从2m 变化到7m。

图1 钢框架主体与一侧堆土的典型断面示意图

本工程所在场地在地面以下5m 是没有承载力的杂填土，不能做天然基础，结构主体采用了旋挖钻孔灌注桩，将桩端设置在中风化岩层上【2】。下面详细探讨了3 种挡土结构形式，分析其各自的特点，供类似工程参考。

2 空腔结构

空腔结构平面布置和对应的剖面见图2 和图3。该做法是在堆土空间内设置1 个框架梁板结构，空腔顶的覆土厚度根据景观植被需要取值，本工程取1m，这种空腔结构类似于地下室顶板，只是该顶板标高是随堆土斜面做成了带坡度的斜板。在堆土顶的2m 等高线位置做 1 个250mm 厚混凝土短墙，短墙下每隔6m 左右设置1 个独立桩承台，这样能把7m高的堆土转换为空腔框架加覆土，最外侧的矮挡墙只有1m 高差的土侧压力可以直接由空腔结构的框架承受，因此该结构是可靠的，也有效地解决了堆土的水平土压力对结构主体的影响。这样空腔框架柱下的桩主要承受压力，而1m 高差的土体水平力可以忽略不计。

图2 空腔平面布置图

图3 空腔剖面示意图

图4 挡土墙结构平面图

图5 挡土墙结构剖面示意图

空腔结构对堆土面坡度较缓的情况可行，但遇到堆土面坡度很大时，随坡面变化的空腔顶板不易稳固覆土，土体产生滑移，需要采取行之有效的稳固措施，当堆土上需要种植大型树木时，需要增加空腔顶板的覆土厚度，也会相应提高空腔结构的混凝土和钢筋用量【3】。

3 挡土墙结构

在结构主体外边界设置挡土墙结构时【4】，其平面布置和剖面示意分别见图4 和图5。

因挡土墙下杂填土没有承载力，本工程需在挡土墙下布置桩基础，作用在挡土墙上的竖向压力和水平推力传给桩，且压力和推力会在墙底板产生很大的不平衡弯矩，需在挡土墙底部布置垂直于挡墙面的两桩承台，靠两桩的拉压轴力产生的力矩来抵抗，因此，挡土墙下的桩需要同时承受压力、拉力和水平力。

作用在挡土墙的各力系计算剖面见图6，本文以6m 高的挡土墙为例进行分析，布置的承台间距取5m。根据图6，作用于挡土墙底板底面的水平力为240kN/m，弯矩为678kN·m/m，挡土墙自重+墙背面土体（取不利的三角形土体）为323kN/m，竖向压力对挡土墙的形心产生的弯矩为132kN·m/m，这样，作用于挡土墙底板的不平衡扭矩有546kN·m/m，取承台2 侧5m宽挡土墙为隔离体研究，根据力和力矩的平衡，图6 中挡墙下桩反力R1和R2见表1，需要桩抗拔承载力为550kN，而水平承载力达到600kN。

挡土墙由于承受的土侧压力很大，需要在间隔5m 的承台中心设置2m 长的扶壁柱，这样挡土墙墙体可按底部和两侧3 边固接的墙板受力，而不是单纯的悬臂墙受力，使挡土墙的底部墙厚减小，自身的配筋也会减少。扶壁柱承受挡土墙传来的沿竖向呈梯形的水平力，按承台底部固接的悬臂构件验算配筋。

图6 6m高挡土墙结构计算断面分析图

底板由于承受较大不平衡扭矩，上部堆土产生的弯矩和剪力也很大，底板截面厚度由剪扭截面限制条件控制，需将底板纵筋围合成箍筋形式，且布置拉结筋。扶壁柱可做成从下到上变截面形式，承台处根部截面为300mm×2 000mm，顶部为300mm×800mm，应按规范的深梁构造配筋。表1 列出了3 种堆土高差的挡土墙数据，计算表明4m 以下可不设扶壁柱。

表1 2～6m堆土高差下的挡土墙参数

4 挡土U槽结构

挡土U 槽结构的平面和断面分别见图7 和图8，该做法是将堆土区域分割成一块块的敞口水池状结构，每一个单元就是一个上面敞口底部封板的U 形槽，结构完成后再将每个U 槽填满土。沿结构主体边界的墙体因间距较小（本工程取5m）的U 槽隔墙支撑作用，每个单元可按底边和侧边固接、顶边自由的墙板受力，7m 高的堆土只需墙厚300mm，而其他内部所有隔墙因两侧均有堆土，不存在不平衡水平侧压力，墙厚可取200mm，由于隔墙不承受平面外压力，墙体配筋不大。U 槽的底板被上面双向布置的隔墙划分为跨度5m 的连续板，主要承受堆土荷载，经计算，底板厚取400mm，配筋率一般在0.5%。在U 槽墙体相交点处布置桩承台，承受U 槽结构的自重和承载的堆土重量。这样土的水平侧压力全部转化为土的自重，不会对结构主体和U 槽自身产生影响。U 槽内因堆土厚度很大，可以正常种植景观植物，甚至大型树木。设计时需要在底板均匀预留一些小孔洞，如图7 所示，使U 槽中的富余水分及时排出，这能减少堆土自重，也利于种植于槽内的景观植物生长。

图7 挡土U槽结构平面图

经以上分析，除了结构主体边的墙体需要承受不平衡土侧压力，其他墙体因两侧存在等高度的堆土而没有不平衡的水平力产生，仅仅承受墙体平面内的作用力，底板虽然承受的竖向荷载较大，但因网格状的分隔墙体被划分成一块块较小计算跨度连续板，实际算出的底板配筋也不大，综上所述，该U 槽结构是一个行之有效的挡土结构形式。

图8 挡土U槽结构剖面图

5 结语

1）当结构主体一侧存在土水平侧压力时，设计时应尽量在主体结构与土体之间设置安全可靠的挡土结构，并与结构主体完全脱开，这样避免了结构主体承受很大的水平力，也稳固了土体。

2）空腔结构是在堆土下设置一个封闭的框架，空腔顶板上按景观要求覆土一定厚度，顶板下形成空腔，将高差很大的堆土侧压力转化成空腔框架能承受的很小水平力，但堆土面坡度很大时，空腔顶板需要有稳固土体措施以防覆土滑移。

3）挡土墙结构占地面积在3 种结构中最小，依靠自身的结构承担了土的水平力，一般挡土墙底板下土层没有承载力，需要布置间隔很小的两桩承台，而且要求桩能承担较大的水平力和一定的拔力。

4）挡土U 槽结构将堆土划分成一块块水池状单元，堆土完全转换成U 槽结构底板上的荷载，U 槽下的桩只需承担竖向压力，而无水平力和拔力，每个单元槽内可以正常种植树木，不会局限于土顶坡度的大小，但U 槽结构也是这3 种结构中混凝土量和土方量最大的。