地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體性分析

張建輝

【摘要】地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中是比較重要的一個環(huán)節(jié)，因為地下室的位置較為特殊，如果設(shè)計不當(dāng)，對整個工程性能會產(chǎn)生較大影響，本文針對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題作簡述。

【關(guān)鍵詞】高層建筑 地下室 結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、前言

地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個綜合性很強問題，涉及到的內(nèi)容繁多而復(fù)雜，有些問題至今尚未得到很好的解決，如：地基與基礎(chǔ)的相互作用問題。上部結(jié)構(gòu)剛度對地基基礎(chǔ)的影響等等?，F(xiàn)代高層建筑由于地下工程龐大，建設(shè)工程在地下的投資已經(jīng)接近甚至超過了地上，因此無論是從技術(shù)還是從經(jīng)濟的角度講都需要我們更深入地研究地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)問題，提高地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的水平，真正做到技術(shù)與經(jīng)濟同步，安全與適用協(xié)調(diào)。

二、地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點要求

地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容包含幾個方向：

1.地下室主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括頂板、外側(cè)墻、底板等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；

2.孔口防護設(shè)計，包括出入口的防護和消波系統(tǒng)（防護設(shè)備）其中出人口的防護包含防護密閉門的選用、門框墻、臨空墻的計算，出人口通道（包括風(fēng)井）的計算等幾個方面，而消波系統(tǒng)則包含防爆破活門的選用和擴散室（箱）的設(shè)計。

3.地下室是否與上部結(jié)構(gòu)一起計算對于計算結(jié)果影響較大，其底板經(jīng)常同時作為結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，需要考慮地基的反作用力，頂板作為工程的重要部位，需要組合核爆炸力的等效靜荷載，外墻則需考慮側(cè)向的土、水的水平作用組合。

總之，地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計可按整體設(shè)計和構(gòu)件的單獨設(shè)計分別進行。結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性可以降低，一般建筑結(jié)構(gòu)（延性破壞）失效概率為6.8%，而地下室結(jié)構(gòu)（延性破壞）失效概率為6.1%，需考慮結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可考慮進人塑性工作狀態(tài)，材料設(shè)計強度可以提高。在快速加載的情況下，材料力學(xué)性能發(fā)生比較明顯的變化。主要表現(xiàn)為強度提高，但變形性能包括塑性性能等基本不變，這對結(jié)構(gòu)工作起到有利作用。

三、地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

1.地下室結(jié)構(gòu)平面設(shè)計

地下室工程涉及的專業(yè)極為復(fù)雜，在高層建筑的地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需綜合考慮防火、使用功能、人防要求、設(shè)備用房及管道、坑道、排水、通風(fēng)、采光等各專業(yè)的配合。例如地下室的長度超過設(shè)計規(guī)定的長度時，需要與結(jié)構(gòu)專業(yè)配合，確定是否設(shè)置變形縫，通常應(yīng)盡可能少設(shè)或不設(shè)變形縫，因為設(shè)置變形縫會使得變形縫處的防水處理變得復(fù)雜。設(shè)計人員可以通過設(shè)置后澆帶和合理使用混凝土外加劑或地上設(shè)縫、地下不設(shè)縫等方式，達到不設(shè)縫的目的。若地下室過長，依靠設(shè)置后澆帶的方法難以解決，設(shè)計人員應(yīng)合理地調(diào)整平面，將地下室分割成幾個小地下室，中間用較窄的通道相連，以滿足使用及管道相連的要求，而將變形縫設(shè)置在通道處，這樣可以使接縫較少且處于受力較小處，便于補救。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)合理地設(shè)置采光通風(fēng)井，若高層建筑采光通風(fēng)井位置設(shè)計不當(dāng)，例如在側(cè)壁外作附加通長采光井，而采光井外壁又不能與地下室頂板整體連接，會造成地下室保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定功能的喪失，不能有效地將上部的地震及風(fēng)力作用傳至側(cè)壁及地面，不能滿足高層建筑的埋深要求。

2.地下室外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下室的外墻是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，應(yīng)按水、土壓力驗算外墻抗裂性能。在設(shè)計時應(yīng)注意以下要求：

（1）荷載，地下室外墻所承受的荷載分為水平荷載和豎向荷載。豎向荷載包括上部及地下室結(jié)構(gòu)的樓蓋傳重和自重，水平荷載包括室外地面活載、側(cè)向土壓力、地下水側(cè)向壓力和人防等效靜荷載。在實際工程設(shè)計中，豎向荷載或地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力一般不起控制作用，墻體配筋主要由垂直墻面的水平荷載產(chǎn)生的彎矩確定，而且通常不考慮與豎向荷載組合的壓彎作用，僅按墻板彎曲計算彎曲的配筋。

（2）地下室外墻截面設(shè)計時，土壓力引起的效應(yīng)為永久荷載效應(yīng)。地下室外墻承受的土壓力宜取靜止土壓力，靜止土壓力宜由試驗確定。當(dāng)不具備試驗條件時，砂土可取0.34～0.45，黏性土可取0.5～0.7。水位穩(wěn)定的水壓力按永久荷載考慮，分項系數(shù)可取 1.2；水位急劇變化的水壓力按可變荷載考慮，分項系數(shù)宜取 1.3。有人防要求的地下室外墻的永久荷載分項系數(shù)，當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時取 1.2，有利時取 1.0；抗爆等效靜荷載分項系數(shù)取1.0。

四、建筑工程地下室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.抗震設(shè)計

一般來講地下室抗震設(shè)計中較為常見的問題為：多層建筑中半地下室埋深不夠。當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固端時，地下室一層抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級可逐層降低一級，但不應(yīng)低于四級。地下室中無上部結(jié)構(gòu)的部分，抗震構(gòu)造措施的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。

若地下室設(shè)計不當(dāng)，對其整體的抗震性能會產(chǎn)生較大的影響。根據(jù)施工圖審查要點，一般來講，對于半地下室的埋深要求應(yīng)大于地下室外地面以上的高度，才能不計算其層數(shù)，總高度才能從室外地面算起。地下室的墻柱與上部結(jié)構(gòu)的墻柱應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對地下室頂板室內(nèi)外板面標高變化處，當(dāng)標高變化超過梁高范圍時則形成錯層，應(yīng)采取一定的措施進行處理，否則不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的部位。相關(guān)規(guī)范明確規(guī)定，作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室頂板相關(guān)范圍，應(yīng)采用梁板結(jié)構(gòu)，主樓地下室頂板相關(guān)范圍為無梁樓蓋時不應(yīng)作為上部結(jié)構(gòu)的部位。結(jié)構(gòu)計算應(yīng)向下計算至滿足要求的地下室樓層或底板，但剪力墻底部加強區(qū)層數(shù)應(yīng)從地面往上計算，并應(yīng)包括地下樓層。

2.地下室抗浮、抗?jié)B設(shè)計

一般來講，此類設(shè)計常見問題為：地下水位未按勘察報告確定，或勘察報告未提供計算浮力的地下水位及其變幅，違反了 GB50007- 2011 第 3.0.4 條；斜坡道未進行抗浮驗算，斜坡道與主體分縫處未作處理；抗浮驗算不滿足要求，不符合GB50009-2012 第3.2.4條等。

地下水位及其變幅是地下室抗浮設(shè)計的重要依據(jù)。實際在地下室抗浮設(shè)計時僅考慮正常使用的極限狀態(tài)，而對施工過程和洪水期重視不足，會造成地下室施工過程中因抗浮不夠而出現(xiàn)局部破壞。另外，在同一整體大面積地下室的上部常建有多棟高層和低層建筑，由于地下室的面積較大、形狀又不規(guī)則，且地下室上方的局部沒有建筑，此類抗浮問題相對難以處理，須作細致分析后再進行處理。地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計除應(yīng)滿足受力要求外，抗?jié)B也是其中一個重點。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常帶裂縫工作，要達到抗?jié)B目的，一般可采取以下措施：

（1）補償收縮混凝土。在混凝土中摻微膨脹劑，以混凝土的膨脹值抵消混凝土的最終收縮值。當(dāng)其差值大于或等于混凝土的極限拉伸時，即可控制裂縫；

（2）膨脹帶?；炷林信蛎泟┑呐蛎涀冃尾粫耆a償混凝土的早期收縮變形，而設(shè)置補償收縮混凝土帶可以實現(xiàn)混凝士連續(xù)澆注無縫施工；

（3）后澆帶。后澆帶作為混凝土早期短時期釋放約束力的一種技術(shù)措施，較長久性變形縫已有很大的改進并廣泛應(yīng)用；

五、結(jié)束語

高層建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計顯然是一個復(fù)雜的過程，但是，只要把握設(shè)計要點，抓住設(shè)計重點，以合理的設(shè)計為前提，進行全面考慮，使建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計工作發(fā)揮其最大的經(jīng)濟作用和社會效益、戰(zhàn)略效益。

參考文獻：

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