高層地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

孫志，劉羅煒

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054)

摘要：地下室是高層建筑的重要部分，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。該文主要分析了高層建筑地下室結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)、地下室外墻、地下室頂板等關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)例探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期方案確定的重要性，簡要分析了地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)內(nèi)涵、經(jīng)濟(jì)效益及其相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞：地下室；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗浮設(shè)計(jì)；地下室外墻

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.016

Abstract:Being an important part of tall buildings, basement is also one of the difficulties in structure design. The thesis mainly analyses the basement’s key points of design of its main parts, such as the structure-foundation, outer-wall and top slab, and it also discusses the importance of confirming the preliminary plan of structure design combining with engineering examples. The thesis briefly analyses the technology, economy and the interrelation of the basement’s strcture design.

收稿日期：2015-05-01.

作者簡介：孫志(1977-)，高級(jí)工程師.E-mail:58302337@qq.com

Discussion on Structure Design of Tall Buildings Basement

SUNZhi，LIULuo-wei

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China )

Key words:basement;structure design;anti-floating design;basement outer-wall

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的2014年經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，我國城鎮(zhèn)化率已達(dá)到54.77%。隨著城鎮(zhèn)人口不斷增加，新建住宅小區(qū)規(guī)模越來越大。為了滿足人們的用地需求，越來越多的住宅小區(qū)采用整體式大底盤地下室及上部多塔樓的建筑結(jié)構(gòu)體系。地下室面積越做越大，層數(shù)也越來越多。在整個(gè)建筑總造價(jià)中，地下室的造價(jià)所占的比重占到了建筑總造價(jià)的25%～30%，地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否關(guān)乎到整個(gè)建筑的質(zhì)量好壞。

1地下室設(shè)計(jì)綜述

現(xiàn)代建筑水平不斷發(fā)展，地下空間也被越來越多開發(fā)和利用。地下工程在建筑工程中也起著越來越重要的作用，隨著地下工程越做越大、越做越復(fù)雜，地下工程設(shè)計(jì)的難度也越來越大。地下環(huán)境的不穩(wěn)定性、建筑工程所在位置和相關(guān)地理?xiàng)l件、地下室抗浮能力、地基的不均勻沉降等因素都會(huì)影響地下工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。這些問題處理的是否妥當(dāng)關(guān)乎到整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的成敗。因此，在地下室建筑設(shè)計(jì)過程中要科學(xué)合理地處理這些問題，才能確保地下室的安全可靠使用，從而產(chǎn)生合理的經(jīng)濟(jì)效益。

地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從地基與基礎(chǔ)的相互協(xié)同作用、地下室外墻設(shè)計(jì)、地下室頂板對(duì)上部結(jié)構(gòu)嵌固作用等方面入手考慮。首先，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件選擇合理的地基處理方案、基礎(chǔ)形式，初步驗(yàn)算評(píng)估備選方案的結(jié)構(gòu)可靠度、施工難易程度及方案的經(jīng)濟(jì)性等，此階段應(yīng)與建設(shè)方進(jìn)行充分溝通，盡快確定地基基礎(chǔ)方案以便進(jìn)行下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；設(shè)計(jì)計(jì)算階段應(yīng)建立合理的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算地下室的各項(xiàng)參數(shù)，確保地下室能夠滿足上部結(jié)構(gòu)的嵌固條件、地下室的整體穩(wěn)定及對(duì)應(yīng)構(gòu)件的驗(yàn)算等；最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制施工圖。

2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第12.2條規(guī)定：“高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮建筑場(chǎng)地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)狀況、上部結(jié)構(gòu)的類型和房屋高度、施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件等因素，使建筑物不致發(fā)生過量沉降或傾斜，滿足建筑物正常使用要求；還應(yīng)了解鄰近地下構(gòu)筑物及各項(xiàng)地下設(shè)施的位置和標(biāo)高等，減少與相鄰建筑的相互影響。”。

2.1　地基承載力計(jì)算

塔樓部分傳至基礎(chǔ)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值和與其相連的裙房(或地下室車庫)處相差很大，一般情況下兩者的地基處理方式也不同。對(duì)于大底盤的地下室基礎(chǔ)應(yīng)分別驗(yàn)算地基承載力。

1)塔樓部分基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，由于風(fēng)荷載等水平荷載作用邊角軸力較大，地基承載力應(yīng)適當(dāng)提高到1.1～1.2倍。高層建筑物還應(yīng)分別計(jì)算“重力荷載與水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合”及“重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值與多遇水平地震標(biāo)準(zhǔn)值組合”下的基地零應(yīng)力區(qū)范圍，以滿足結(jié)構(gòu)整體傾覆穩(wěn)定。

2)上部無塔樓的地下室部分計(jì)算，不僅需要驗(yàn)算地基承載力，還應(yīng)該按照《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》的抗浮驗(yàn)算公式進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

2.2　抗浮計(jì)算

結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算必須根據(jù)巖土工程勘察單位提供的地下水浮力的設(shè)計(jì)水位進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)抗浮水位較高，上部無塔樓的地下室部分抗浮驗(yàn)算不能滿足要求時(shí)。應(yīng)綜合比較經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件采取抗浮錨桿、抗拔樁和配重法來進(jìn)行整體抗浮。

2.3　地基變形

長寬尺寸很大且上部荷載差異懸殊的地下室整體設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題。如何控制因?yàn)榈叵率一炷潦湛s應(yīng)力和溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫是工程質(zhì)量保證的要求之一，工程中常用的措施有很多，通常采取綜合措施：主裙樓設(shè)置的沉降后澆帶、地下室的伸縮后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶、混凝土中增加添加劑和抗裂纖維等。

施工階段通過提高施工質(zhì)量、加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)、做好保溫隔熱、減小混凝土的收縮和溫度變形等措施進(jìn)行裂縫控制。沉降后澆帶設(shè)置在上部荷載很大的塔樓周圈，其基礎(chǔ)沉降與周圍裙房和地下室的基礎(chǔ)沉降相差很大，因此，沉降后澆帶必須待主樓封頂，沉降觀測(cè)穩(wěn)定后才能封閉。一般情況下，筏板基礎(chǔ)沉降后澆帶可設(shè)置在塔樓與相鄰裙房的第一跨內(nèi)。伸縮后澆帶及膨脹加強(qiáng)帶，主要用于減少混凝土的收縮應(yīng)力，伸縮后澆帶一般在混凝土澆筑60 d后才可以封閉，而膨脹加強(qiáng)帶可以與主體結(jié)構(gòu)一起澆筑。對(duì)于超長地下室結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的伸縮后澆帶。

基礎(chǔ)不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜，建筑物總重心對(duì)基礎(chǔ)底面形心產(chǎn)生新的傾覆力矩，新的傾覆力矩增量增加基礎(chǔ)傾斜度。為減少基礎(chǔ)產(chǎn)生的傾斜，應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)豎向重心與基礎(chǔ)底面形心重合。實(shí)際工程中建筑物平面形狀復(fù)雜，應(yīng)按規(guī)范規(guī)定的偏心距進(jìn)行控制。另一個(gè)方面控制地下室基礎(chǔ)底面持力層綜合沉降量、提高地下室周邊回填土質(zhì)量，有利于確保地下室嵌固、抗震及抗傾覆。

2.4　工程實(shí)例

這里舉例說明一工程實(shí)例，某單層地下室柱網(wǎng)為8.1 m×8.1 m，頂板填土厚度1.2 m，地下室頂板標(biāo)高為-1.650，地勘提供的抗浮水位為-1.250，地下室底板底標(biāo)高為-6.100?；A(chǔ)形式采用天然基礎(chǔ)(或樁基)加防水板的方案。重力荷載代表值為G=44.5 kN/m2，浮力S=(6.1-1.25)×10=48.5 kN/m2，由此可知顯然需要考慮抗浮措施。單位面積(柱網(wǎng)8.1 m×8.1 m)所需抗浮力為F=554 kN。工程所處地區(qū)地基承載力特征值為fak=90 kPa。取標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計(jì)值柱底最大軸力3 900 kN。

方案一：獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板+錨桿

錨桿計(jì)算：N=πD∑(Li·qsi)÷K=6=86.03 kN，La=∑Li=18 m。

單位面積(柱網(wǎng)8.1 m×8.1 m)：所需錨桿數(shù)量為7根，所需獨(dú)立基礎(chǔ)面積為5 m×5 m。

表1　錨桿及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

方案二：樁承臺(tái)+防水板

單樁承載力計(jì)算：Ra=qpaAp+πD∑Li·qsi=373 kN。樁長：L=11 m。

抗拔承載力約為：U=0.6πD∑Li·qsi=171 kN。

抗拔承載力計(jì)算單位面積(柱網(wǎng)8.1 m×8.1 m)：所需管樁數(shù)量為4根(11 m樁)。

單樁承載力計(jì)算：Ra=qpaAp+πD∑Li·qsi=1 018 kN。樁長：L=20 m。

綜上，計(jì)算單位面積(柱網(wǎng)8.1 m×8.1 m)所需管樁數(shù)量為4根(20 m樁)。

經(jīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、施工方案、當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)及造價(jià)比較后，此工程選用樁基方案。

地基基礎(chǔ)是保證建筑物安全和滿足使用要求的關(guān)鍵之一。地下室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須滿足強(qiáng)度、變形和上部剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和耐久性要求。上部荷載的選取是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，軟件計(jì)算模型能否真實(shí)反映結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時(shí)還要根據(jù)地層的具體條件通過計(jì)算軟件反映基礎(chǔ)跟地基共同工作，這都是地下室基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

3外墻設(shè)計(jì)

地下室外墻設(shè)計(jì)主要考慮的荷載有：側(cè)向土壓力、地下水壓力、地面堆載及活載、防核爆等效靜荷載等。外墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮外墻受力情況，一般情況下可采用1 m寬墻帶進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)外墻豎直方向?yàn)橹魇芰Ψ较?。?dāng)?shù)叵率彝鈮εc塔樓重合時(shí)，與外墻垂直相交的墻肢可當(dāng)做外墻支座考慮，由于塔樓墻肢間距相對(duì)較小，此時(shí)外墻以水平方向?yàn)橹魇芰Ψ较颉?/p>

一般情況下，地下室底板可看做外墻的固定端，地下室頂板及中間層樓板可作為外墻的鉸接支座。對(duì)于設(shè)計(jì)中靠近地下室外墻的整跨配電房預(yù)留樓洞處及扶壁的地下室車道處，計(jì)算時(shí)應(yīng)注意按上部懸挑模型計(jì)算。塔樓結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件與地下室外墻交接處，塔樓豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)與地下室外墻不一致，與塔樓豎向構(gòu)件相接處的外墻應(yīng)驗(yàn)算軸壓比，并應(yīng)進(jìn)行局部受壓計(jì)算。

地下室外墻最好在有集中力作用處(地下室頂板梁支撐處)加附壁柱或暗柱。地下室外墻上開洞應(yīng)符合規(guī)范要求，一般水電設(shè)備管洞按設(shè)備專業(yè)要求預(yù)留防水套管，對(duì)于水電設(shè)備管洞密集的地方，應(yīng)采取相應(yīng)措施群管穿墻。外墻上開洞后對(duì)于一般的水電預(yù)留防水套管洞，尺寸較小的預(yù)留洞口可不做加固處理，對(duì)于直徑較大的洞口，必須采取補(bǔ)強(qiáng)措施。具體做法可參照《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)》關(guān)于墻體洞口補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。

《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，防水混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度不得大于0.2 mm。地下室外墻裂縫寬度驗(yàn)算往往是外墻配筋率的控制指標(biāo)。地下室外墻的大尺寸混凝土收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，直至出現(xiàn)收縮裂縫，因此對(duì)于地下室外墻的抗裂性能的驗(yàn)算十分重要。采用補(bǔ)償收縮混凝土，設(shè)置后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶等都是現(xiàn)在工程中常用的抗裂措施。此外，地下室外墻與底板的連接構(gòu)造、室外出入口與主體結(jié)構(gòu)相連處的沉降縫都是地下室外墻設(shè)計(jì)應(yīng)注意的部分。

4頂板設(shè)計(jì)

大底盤地下室地上有多棟獨(dú)立塔樓結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)塔樓嵌固部位可選在地下室頂板，也可選在地下室底板。

地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，上部塔樓可作為單獨(dú)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，力學(xué)模型簡單。相應(yīng)的地下室頂板必須要符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.14條和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第 3.6.3條相關(guān)規(guī)定。要求地下室頂板厚度應(yīng)≥180 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C30，地下室頂板雙層雙向配筋，每個(gè)方向配筋率應(yīng)≥0.25%。地下室結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度應(yīng)大于首層側(cè)向剛度的2倍，地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除滿足計(jì)算要求外，尚應(yīng)大于地上一層對(duì)應(yīng)柱每側(cè)縱筋面積的1.1倍要求。

地下室頂板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮建筑、景觀、道路、設(shè)備管線、附屬設(shè)施及人防等效靜荷載等的荷載。塔樓及裙房范圍內(nèi)應(yīng)根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙相應(yīng)取值，且應(yīng)考慮施工階段的承載力驗(yàn)算，因此綜合考慮樓板活荷載取值不應(yīng)小于5 kN/m2。室外部分景觀覆土應(yīng)根據(jù)覆土厚度進(jìn)行取值。消防車道部分應(yīng)根據(jù)規(guī)范規(guī)定的荷載進(jìn)行取值，同時(shí)考慮到覆土厚度，荷載經(jīng)擴(kuò)散后傳遞到地下室頂板的荷載已經(jīng)大大減小，也應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算取值。人防荷載應(yīng)根據(jù)人防等級(jí)按人防規(guī)范計(jì)算后取值，由于人防荷載為一次作用的動(dòng)荷載，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)人防規(guī)范取相應(yīng)的荷載組合進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)規(guī)范要求，地下室頂板厚度配筋率均有最小要求，根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，防水混凝土結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于250 mm，這就使得地下室頂板在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行方案比較。對(duì)于梁板結(jié)構(gòu)而言，由于規(guī)范規(guī)定的頂板最小厚度大于計(jì)算所需板厚，因此應(yīng)盡量采用大板方案，在保證裂縫寬度及撓度要求的情況下以充分利用板厚。

5底板設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)叵率业装遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，結(jié)構(gòu)屬于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10章大底盤上多塔樓的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)。大底盤上多塔樓的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式，不僅增加了整個(gè)項(xiàng)目投資，而且也為結(jié)構(gòu)計(jì)算帶來了更多的挑戰(zhàn)。對(duì)于多層地下室結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)叵率也贿m宜做嵌固部位時(shí)，也可考慮將嵌固部位下移到地下其余樓層。

此外，由于一般塔樓結(jié)構(gòu)剪力墻布置與地下室柱網(wǎng)錯(cuò)位較大，次梁數(shù)量減少也會(huì)使異形板數(shù)量減少。梁板結(jié)構(gòu)傳力清晰，抗震性能好，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，安全可靠；不足是梁高度大，影響使用空間，經(jīng)濟(jì)性效益差。無梁樓蓋方案節(jié)省使用空間，構(gòu)造簡單，整體性好，建筑空間大，可有效地增加層高。但是，無梁樓蓋體系建筑物地震效應(yīng)也要明顯小于層高較大的梁板結(jié)構(gòu)體系的建筑物，由于取消了肋梁，無梁樓蓋體系抗彎剛度減小，撓度增大，柱子周邊的剪應(yīng)力高度集中，可能會(huì)引起局部板的沖切破壞。側(cè)向剛度比較差，層數(shù)較少時(shí)可以設(shè)置板柱結(jié)構(gòu)來抵抗水平荷載，當(dāng)層數(shù)較多或要求抗震時(shí)，一般需要設(shè)剪力墻來增加側(cè)向剛度。

6結(jié)語

地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜和重要的部分，地下室工程占整個(gè)工程造價(jià)比例越來越高，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否對(duì)于工程造價(jià)，結(jié)構(gòu)安全和正常使用有直接影響。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)地基基礎(chǔ)、地下室外墻、地下室頂板等關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)要點(diǎn)深入分析研究，提高設(shè)計(jì)水平，確保結(jié)構(gòu)安全，施工合理，經(jīng)濟(jì)適用。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB 50108—2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

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