淺談高層建筑地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳雪峰

【摘要】震害調(diào)查表明，有地下室的高層建筑的破壞比較輕，而且有地下室對提高地基的承載力有利，對結(jié)構(gòu)抗傾覆有利。另外，現(xiàn)代高層建筑設(shè)置地下室也往往是建筑功能所要求的。本文簡要介紹了高層建筑大底盤地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的一些問題，從五個(gè)方面展開敘述，提出了相應(yīng)的解決方案并輔以一定的經(jīng)濟(jì)分析比較。

【關(guān)鍵詞】抗浮設(shè)計(jì)；不均勻沉降；結(jié)構(gòu)超長；基礎(chǔ)型式

引言

現(xiàn)代高層建筑由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各方面的因素，一般都設(shè)有大底盤地下室，通常為1～2層，地下室面積約占整個(gè)建筑面積的10%左右。隨著建筑物高度的不斷增加，地下室的層數(shù)也隨之增加。人們對地下空間需求的不斷增長，致使裙房的底盤面積在增加。地下工程在整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目中所占的比重越來越大。本文以地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題為主線，結(jié)合具體的工程實(shí)例，簡要分析地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題及其相互關(guān)系。

一、抗浮問題

當(dāng)抗浮設(shè)計(jì)水位較高，裙房滿堂地下室或地下車庫需要采取抗浮措施時(shí)，應(yīng)按工程具體情況區(qū)別對待，采取合理的抗浮措施：

1、在設(shè)計(jì)允許的情況下，盡可能提高基坑坑底的設(shè)計(jì)標(biāo)高，間接降低抗浮設(shè)防水位。高層建筑的基礎(chǔ)底板多采用平板式筏板基礎(chǔ)和梁板式筏板基礎(chǔ)。一般而言，平板式筏板基礎(chǔ)的重量與梁板式筏板基礎(chǔ)上填覆土的重量基本相當(dāng)，但后者的基礎(chǔ)高度一般要比前者高，在保證基頂標(biāo)高不變的情況下，后者的基礎(chǔ)埋深要大于前者。從而相對提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基礎(chǔ)更有利于降低抗浮水位。

2、樓蓋提倡使用寬扁梁或無梁樓蓋。一般寬扁梁的截面高度為跨度的1/22～1/16，寬扁梁的使用將有效地降低地下結(jié)構(gòu)的層高，從而相對降低了抗浮設(shè)防水位。

3、增加地下室的層高來增加地下室的重量是解決地下室抗浮問題的一個(gè)直接有效的方法，但這種方法還應(yīng)該結(jié)合地基土的承載力而定；在對主體結(jié)構(gòu)的地基承載力進(jìn)行深度修正時(shí)，增加地下室的層高可以提高主體結(jié)構(gòu)的有效埋置深度，從而提高了主體結(jié)構(gòu)修正后的地基承載力特征值。

（1）增加基礎(chǔ)配重。此種方法大致有以下3種情況：增加基礎(chǔ)底板的厚度、增加基礎(chǔ)頂面覆土厚度、基礎(chǔ)頂面采用容重大且價(jià)格低廉的填料。這三種方法的共同特點(diǎn)是：在增加基礎(chǔ)配重用以解決抗浮問題的同時(shí)又不可避免的增加了基礎(chǔ)的埋置深度，從而相對地提高了地下室抗浮設(shè)防水位的高度，因此它不是一種效率最高的方法。

（2）增加地下室頂板的厚度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：在不增加基坑坑底標(biāo)高的前提下，增加了地下室的重量，而且使用厚板后，地下室頂板的大板塊之間可以不再設(shè)置次梁。但此種方法的缺點(diǎn)是會(huì)略增加地下室頂板框架梁的負(fù)荷，而且由于板厚有限，這種方法解決抗浮問題的效果也是有限的。

4、設(shè)置抗浮樁。高層建筑與裙房之間不設(shè)縫時(shí)，由于高層建筑基礎(chǔ)底面的附加應(yīng)力很大，常導(dǎo)致高層的沉降量較大，而裙房則多為超補(bǔ)償基礎(chǔ)或基地附加應(yīng)力很小的補(bǔ)償基礎(chǔ)，裙房的沉降量值很小，如果因?yàn)榭垢≡O(shè)計(jì)需要而將裙房部分設(shè)置抗浮樁時(shí)，由于抗浮樁的支撐作用，裙房的沉降將受到很大的限值，反而會(huì)加大高層與裙房之間的沉降差。因此，“抗浮樁”實(shí)際上長期起著“抗壓樁”的作用。這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降，而這種變化將會(huì)使無沉降縫的大底盤地下室在主體結(jié)構(gòu)和裙房之間產(chǎn)生更大的不均勻沉降差；同時(shí)設(shè)置抗浮樁后，計(jì)算基礎(chǔ)底板內(nèi)力及配筋時(shí)應(yīng)考慮地下水壓力，這樣也會(huì)增加基礎(chǔ)底板的荷載。另外一方面，如果地下水位長期處于一種較高的水平之上，設(shè)置抗浮樁也不乏是一種有效的方式。因此，抗浮樁是一把雙刃劍，使用時(shí)需仔細(xì)考慮。

二、不均勻沉降問題

解決不均勻沉降問題大致有以下幾種方法：

（1）裙房和高層建筑之間設(shè)沉降縫，讓各部分自由沉降，互不影響，避免由于不均勻沉降產(chǎn) 生的內(nèi)力，這是所謂“放”的方法。但實(shí)際上這樣做，給建筑的立面處理、地下室的防滲漏、基礎(chǔ)的埋置深度和整體穩(wěn)定等帶來很多困難。

（2）裙房和高層建筑之間不設(shè)沉降縫，采用端承樁，將樁端置于堅(jiān)硬的基巖或砂卵石層上。 這樣，既滿足了地基承載力要求，又避免了明顯的沉降差。這是所謂的“抗”的方法。但這種方法基礎(chǔ)材料用量多，不經(jīng)濟(jì)，一般用于超高層建筑或地基持力層較差的情況。

（3）在設(shè)計(jì)中不設(shè)沉降縫，而采取一定的措施，調(diào)整地基反力，盡量減少不同部分的地基反力差，從而減少沉降差。這是所謂“調(diào)”的方法。如：裙房部分采用天然地基，主樓部分采用復(fù)合地基或樁基。裙房和主樓部分采用不同的基礎(chǔ)形式，主樓采用筏基或箱基，裙房采用獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)。目前，工程中比較常用的方法是在主體結(jié)構(gòu)部分采用CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）復(fù)合地基，在裙房及純地下室部分采用天然地基。

（4）在主裙樓之間設(shè)置沉降后澆帶，鋼筋不斷，先施工主樓，待主樓封頂完成大部分沉降后，再施工裙房。兩部分沉降基本穩(wěn)定后再澆筑后澆帶。這樣，用調(diào)時(shí)間差的辦法解決了沉降差，同時(shí)又避免了設(shè)置沉降縫帶來的麻煩。這也是一種“調(diào)”的方法。

三、地下室結(jié)構(gòu)超長問題

由于建筑布局的要求，有時(shí)地下室結(jié)構(gòu)超長，多數(shù)情況下都超過了40～60m。地下結(jié)構(gòu)雖然 受溫度變化的影響較地上結(jié)構(gòu)小，但周邊約束作用較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)超長問題的重要性仍然不容忽視。目前比較成熟的做法有以下幾種：

（1）設(shè)置伸縮后澆帶。地下結(jié)構(gòu)一般在結(jié)構(gòu)長度大于40～60m時(shí)宜設(shè)置一道伸縮后澆帶，普通的伸縮后澆帶寬度約為800～1000mm，鋼筋貫通不切斷。對于平面尺寸特別長的地下結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)置鋼筋斷開的伸縮后澆帶，后澆帶的寬度按鋼筋搭接所需最小尺寸和必要的操作空間確定。

（2）不設(shè)置伸縮后澆帶，采取其它相應(yīng)措施。主要有：采用低強(qiáng)度等級混凝土；混凝土中添加微膨脹劑；采用粉煤灰混凝土技術(shù)；適當(dāng)加大分布鋼筋配筋量；施工縫處設(shè)置膨脹止水條；設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶。事實(shí)上，目前已建成的許多建筑結(jié)構(gòu)，由于采取了上述措施，并進(jìn)行了合理的施工，伸縮縫間距已超過了規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。

（3）以上兩種方法結(jié)合使用。

四、基礎(chǔ)型式的選取及計(jì)算分析方法

高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)比一般建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要更復(fù)雜，它具有荷載大、埋置深度、及要求嚴(yán)的特點(diǎn)，在選擇基礎(chǔ)形式時(shí)與建筑物的使用性質(zhì)、上部結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)情況、抗震性能、對周圍建筑物的影響及施工條件等有密切關(guān)系。目前高層建筑中比較常用的基礎(chǔ)型式有：筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)、樁筏基礎(chǔ)和樁箱基礎(chǔ)等。在工程中筏板基礎(chǔ)是應(yīng)用最多的一種基礎(chǔ)型式，因此，就筏板基礎(chǔ)的有關(guān)問題進(jìn)行討論。

（1）平板式筏板基礎(chǔ)和梁板式筏板基礎(chǔ)的適用范圍。相鄰柱間距及柱荷載差別較小時(shí)適用平板式筏板基礎(chǔ)，反之則宜采用梁板式筏板基礎(chǔ)。此外，底板標(biāo)高變化較多時(shí)宜采用平板式筏板基礎(chǔ)。通常，在材料用量相當(dāng)?shù)那闆r下，梁板式筏板基礎(chǔ)的剛度較平板式筏板基礎(chǔ)大。

（2）梁高、板厚的選取及計(jì)算方法。計(jì)算筏板基礎(chǔ)時(shí)，目前常用的方法有“倒樓蓋”法、彈性地基梁板方法和有限元分析方法。其中“倒樓蓋”是一種傳統(tǒng)方法，按該法進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，基礎(chǔ)內(nèi)力按基底反力直線分布進(jìn)行計(jì)算。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）（以下簡稱《規(guī)范》）的要求進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要求地基土比較均勻、上部結(jié)構(gòu)剛度較好、荷載分布比較均勻、梁板式筏板基礎(chǔ)梁的高跨 比或平板式筏板基礎(chǔ)的厚跨比不小于1/6，當(dāng)不滿足上述要求時(shí)應(yīng)按彈性地基梁板計(jì)算。《規(guī)范》對基礎(chǔ)梁高跨比和筏板厚跨比的要求，是要保證基礎(chǔ)具有一定的剛度，但基礎(chǔ)剛度應(yīng)與基底反力的大小相匹配，對于層數(shù)較多的高層建筑而言，該要求很容易滿足，但對于層數(shù)較少的高層建筑而言，該條款要求就顯得偏嚴(yán)。

（3）基礎(chǔ)底板抗沖切驗(yàn)算及抗剪切計(jì)算。按《規(guī)范》第 8.4.5條規(guī)定，梁板式筏基底板應(yīng)滿足受沖切承載力和受剪切承載力的要求，通過對跨度從6～10m、長寬比從1～3、板厚從400～1000mm變化的梁板式筏基底板的計(jì)算來看，梁板式筏基底板都是受沖切承載力起控制作用，因此一般的梁板式筏基底板可以不進(jìn)行底板受剪切承載力的驗(yàn)算。對于平板式筏基而言，底板的柱下及核心筒邊的抗沖切驗(yàn)算則必不可少，且應(yīng)考慮不平衡彎矩的作用，尤其是邊柱和角柱。

（4）采用平板式筏板基礎(chǔ)時(shí)，宜設(shè)置平面尺寸較大的柱帽。設(shè)置柱帽有以下優(yōu)點(diǎn)：解決底板抗沖切問題；減小底板的計(jì)算跨度；減小支座負(fù)筋。

結(jié)束語

現(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(jì)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(jì)的技術(shù)問題，提高設(shè)計(jì)水平，真正做到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)同步、安全與適用協(xié)調(diào)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010. 中國建筑工業(yè)出版社.

[2]朱炳寅.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析.中國建筑工業(yè)出版社.

[3]李國勝.多高層建筑基礎(chǔ)及地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).中國建筑工業(yè)出版社.